王衛(wèi)玲，李俊峰，李 瑛，王永青，華小渝，馬延楓，李 特

(1.西安航天動(dòng)力機(jī)械有限公司，西安 710038；2.火箭軍裝備部駐西安地區(qū)第一軍事代表室，西安 710038；3.大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024)

0 引言

大型薄壁殼體是宇航運(yùn)載火箭及戰(zhàn)略導(dǎo)彈的燃料儲(chǔ)箱和燃燒室，也是固體發(fā)動(dòng)機(jī)的主要承力部件，具有制造成本高、加工周期長(zhǎng)、幾何精度高等特點(diǎn)。大型薄壁殼體在精加工前(最終熱處理后)，需測(cè)量并調(diào)整殼體相對(duì)于機(jī)床的裝配位置姿態(tài)，以保證殼體精加工后的幾何精度。大型薄壁殼體因其幾何尺寸大、重量重、熱處理變形大等特性，精加工前找正調(diào)整困難。現(xiàn)有的找正方法采用手工打表、經(jīng)驗(yàn)分析測(cè)算、反復(fù)試錯(cuò)調(diào)整的方式，存在殼體位置姿態(tài)調(diào)整效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度高、殼體位姿找正精度差等問題。因此，需研究一種針對(duì)大型薄壁殼體的在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)及快速找正方法，以實(shí)現(xiàn)大型薄壁殼體的快速測(cè)量和精確找正[1]。

目前，常用的在機(jī)測(cè)量方法有接觸式和非接觸式測(cè)量[2]兩種。接觸式測(cè)量方法主要包括基于三坐標(biāo)測(cè)量[3]、觸發(fā)式測(cè)量[4]等；非接觸式測(cè)量方法主要包括基于超聲傳感器測(cè)量法[5]、基于激光位移傳感器測(cè)量法[6]等。接觸式測(cè)量設(shè)備的接觸力可能會(huì)對(duì)精密測(cè)量器具和零件表面造成變形和劃痕，且測(cè)量速度慢、效率低，不適合大型結(jié)構(gòu)件的高效測(cè)量。激光傳感器等非接觸式測(cè)量在能夠保證精度的前提下，提升測(cè)量效率，但需要進(jìn)一步考慮激光傳感器數(shù)據(jù)與數(shù)控系統(tǒng)的嵌入和融合問題。

本文基于激光測(cè)量的方式提出了大型薄壁殼體快速測(cè)量，裝配姿態(tài)數(shù)據(jù)處理與分析的裝配找正方法。利用840D開放式數(shù)控平臺(tái)，開發(fā)專用軟件，實(shí)現(xiàn)了方法的驗(yàn)證。產(chǎn)品裝配精度與效率的提升驗(yàn)證了本文所提出的方法有效、可靠。

1 大型薄壁殼體精準(zhǔn)測(cè)量與找正系統(tǒng)

1.1 在機(jī)測(cè)量與找正系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

大型薄壁殼體直徑約2 m，長(zhǎng)度在4～8 m之間不等，殼體因最終熱處理產(chǎn)生較大變形，設(shè)計(jì)對(duì)殼體精加工后幾何精度(母線直線度、半徑尺寸等)提出較高要求。因此，測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)滿足大測(cè)量行程、高精度要求。

根據(jù)以上測(cè)量系統(tǒng)的需求，本系統(tǒng)以現(xiàn)有的加工設(shè)備某型數(shù)控車床為基礎(chǔ)，在車刀架左側(cè)集成傳感器的整體工裝，如圖1所示。

具體的操作原理如下：

(1)如圖2所示，測(cè)量時(shí)卸下刀具，在刀架側(cè)面利用一面兩銷的方式安裝可拆卸的激光傳感器支架，以固定傳感器；

(2)在電氣控制柜中安裝一塊模擬量采集模塊，實(shí)現(xiàn)激光數(shù)據(jù)及坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集；

(3)設(shè)定測(cè)量基準(zhǔn)后，將采集的基準(zhǔn)截面數(shù)據(jù)傳遞到上位機(jī)的測(cè)量軟件中；

(4)在上位機(jī)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以實(shí)現(xiàn)薄壁殼體截面圓心偏移量的計(jì)算、半徑的擬合，解算出對(duì)應(yīng)過渡環(huán)螺栓編號(hào)應(yīng)旋進(jìn)的圈數(shù)；

(5)根據(jù)上位機(jī)顯示的殼體位姿狀態(tài)及調(diào)整方案，操作者手動(dòng)調(diào)整均布4個(gè)象限上緊定螺栓，最終使薄壁殼體的軸線與機(jī)床軸線在誤差范圍內(nèi)，達(dá)到裝配要求。

圖1 大型薄壁殼體的快速測(cè)量-找正裝置

圖2 傳感器工裝

1.2 基于840D數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)原理

二次開發(fā)(OEM)是在開放式數(shù)控系統(tǒng)中開發(fā)新的功能。在840D數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用了數(shù)控機(jī)床本身的特性開發(fā)測(cè)量功能、數(shù)據(jù)采集及處理功能[7]。在上位機(jī)中，實(shí)現(xiàn)界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集模塊及數(shù)據(jù)處理模塊等功能；下位機(jī)(NCK)主要依靠NC代碼控制測(cè)量功能的軌跡運(yùn)動(dòng)，NC代碼由上位機(jī)選擇或生成。

測(cè)量控制系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖3所示，測(cè)控系統(tǒng)的硬件由伺服模塊，CNC單元，激光信號(hào)采集模塊，PC單元，MCP控制面板等部分構(gòu)成，采用了“NC+PC”的控制模式[8]。

大型薄壁殼體測(cè)量系統(tǒng)的通訊方式如圖4所示。西門子840D提供了多種系統(tǒng)通訊方式，以滿足用戶多樣化的需求。NCDDE直接通訊方式，該方式簡(jiǎn)單實(shí)用，但部分通訊環(huán)節(jié)繁雜，效率低；基于OPC的通訊方式，該方式基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通用性較好，但編程較復(fù)雜，對(duì)編程人員要求較高；基于DCTL控件方式，該控件是西門子專用控件，具有多種優(yōu)越性，本文選用該通訊方式作為二次開發(fā)的支持工具。

圖3 測(cè)量控制系統(tǒng)總體構(gòu)成圖

圖4 大型薄壁殼體測(cè)量系統(tǒng)的通訊方式

基于DCTL控件的通訊方式，建立了大型薄壁殼體快速找正系統(tǒng)的通訊架構(gòu)，如圖5所示。

從機(jī)床的控制角度看，分為實(shí)時(shí)控制層和非實(shí)時(shí)控制層，實(shí)時(shí)層數(shù)控單元主要完成激光掃描測(cè)量、機(jī)床的插補(bǔ)等功能，非實(shí)時(shí)控制層主要完成數(shù)據(jù)的測(cè)量與精簡(jiǎn)，測(cè)量軌跡的規(guī)劃，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，讀寫CNC的參數(shù)等功能[9]。

2 大型薄壁殼體的姿態(tài)分析與找正

2.1 激光數(shù)據(jù)去噪

噪點(diǎn)通常是由于大型薄壁殼體進(jìn)行熱處理后，表面不光潔和測(cè)量環(huán)境變化造成的。在數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合處理時(shí)，數(shù)據(jù)中的噪點(diǎn)對(duì)擬合的結(jié)果影響較大。因此，測(cè)量數(shù)據(jù)的預(yù)處理首先是從數(shù)據(jù)點(diǎn)集中找出可能存在的噪點(diǎn)。如果在同一截面的數(shù)據(jù)掃描中，存在一個(gè)點(diǎn)與其相鄰的點(diǎn)偏距較大，可認(rèn)為這樣的點(diǎn)是噪點(diǎn)，本文采用等弦高差法進(jìn)行判斷和剔除。等弦高差的原理是：在弧長(zhǎng)相等情況下，弦高與曲率成正比。通過不斷的計(jì)算弦高h(yuǎn)，即當(dāng)前采樣點(diǎn)Ai+n與上一個(gè)記錄點(diǎn)Ai的連線到兩點(diǎn)間實(shí)際曲線軌跡的最大弦高h(yuǎn)max。h弦高可通過式(1)計(jì)算：

(1)

式中C=yi+n-yi,D=xi+n-xi，點(diǎn)(xi,yi)，(xi+m,yi+m)，(xi+n,yi+n)分別為點(diǎn)Ai,Ai+m,Ai+n的坐標(biāo)值。

計(jì)算所有弦高h(yuǎn)i+1,hi+2,…，hi+m，并進(jìn)行比較，求得最大的弦高h(yuǎn)max，并將其與所設(shè)的允差ε進(jìn)行比較。如果hmax<ε，則與hmax相對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)不會(huì)被記錄。令j+1→j按下一個(gè)采樣計(jì)算求解閾值對(duì)應(yīng)的hmax，直至hmax>ε，則將Ai-1點(diǎn)記錄，并作為下一個(gè)周期求解最大弦高的參考記錄點(diǎn)。重復(fù)上述過程，直至整個(gè)測(cè)量過程結(jié)束，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量采集點(diǎn)的精簡(jiǎn)處理。

圖5 測(cè)控系統(tǒng)的通訊架構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)處理與薄壁殼體姿態(tài)調(diào)整

數(shù)據(jù)的處理和曲線的擬合是基于優(yōu)化后的最小二乘法進(jìn)行的，對(duì)于最小二乘法進(jìn)行曲線擬合來說，其誤差平方的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

(2)

式中 (xi,yi),i=1,2,3,…,n為截面圓弧上的點(diǎn)坐標(biāo)；n為激光采集的點(diǎn)數(shù)。

為了保證優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)特征的前提下，對(duì)式(2)進(jìn)行改進(jìn)，在避免了平方根的同時(shí)可得到一個(gè)最小化問題的直接解，改進(jìn)如下：

(3)

式(3)進(jìn)一步處理，可得：

(4)

由最小二乘原理，參數(shù)A,B,C應(yīng)使E取得極小值。根據(jù)極值求得最佳擬合圓的圓心坐標(biāo)(x0,y0),半徑r的擬合值為

然后，通過將擬合圓與理想圓的圓心比較得出前后基準(zhǔn)截面圓的圓心在X和Y方向上的偏移量Δx、Δy，螺栓編號(hào)與機(jī)床主軸角度對(duì)應(yīng)算法原理如下：假設(shè)定位螺栓編號(hào)為l1，其對(duì)應(yīng)的機(jī)床主軸角度為c1，則螺栓編號(hào)為lk，則其對(duì)應(yīng)的機(jī)床主軸軸角度ck為

ck=c1+(lk-l1)×360/16

(5)

其中,k=1,2,3,…,16。

如果ck≥360°,則ck=ck-360°；

如果ck<360°,則ck=ck。

根據(jù)上述螺栓編號(hào)與機(jī)床主軸角度對(duì)應(yīng)算法，將四象限螺栓編號(hào)1,5,9,13均布在擬合圓的四周。利用以下公式求解出對(duì)應(yīng)編號(hào)的螺栓應(yīng)調(diào)整的圈數(shù)n:

X方向上螺栓應(yīng)調(diào)整的圈數(shù)n1=Δx/p

(6)

Y方向上螺栓應(yīng)調(diào)整的圈數(shù)n2=Δy/p

(7)

式中p為螺栓的螺距(螺栓螺紋為單螺紋)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)所提方法，采用西門子提供的OEM軟件開發(fā)環(huán)境，通過VB編寫系統(tǒng)界面，VC++編寫與數(shù)控系統(tǒng)相聯(lián)系的語言動(dòng)態(tài)鏈接庫和數(shù)據(jù)處理算法[10]，采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，?gòu)建了大型薄壁殼體快速找正系統(tǒng)，其用戶界面HMI如圖6所示。

以某型大型薄壁金屬殼體為實(shí)例，驗(yàn)證所提出在機(jī)檢測(cè)與找正方法。大型薄壁殼體半徑R=1000 mm，兩端使用過渡環(huán)將殼體與臥式機(jī)床固定連接，過渡環(huán)圓周均布16個(gè)螺栓，如圖7所示。經(jīng)在機(jī)檢測(cè)及調(diào)整后，需滿足殼體軸心與機(jī)床主軸同軸度小于0.25 mm的精度要求。

圖6 測(cè)控系統(tǒng)HMI界面

圖7 過渡環(huán)示意圖

首先，利用在線檢測(cè)系統(tǒng)的激光傳感器(量程為35～85 mm)測(cè)得大型薄壁殼體前后兩端基準(zhǔn)a和b處的圓輪廓數(shù)據(jù)。然后，在HMI界面中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出殼體相對(duì)于機(jī)床主軸的偏心距離Δxa=0.152 mm,Δya=-0.092 mm;Δxb=0.173 mm,Δyb=-0.109 mm。此時(shí)的同軸度誤差為0.371 mm。此時(shí)，可根據(jù)界面顯示，調(diào)整四象限螺栓，a基準(zhǔn)處對(duì)應(yīng)四象限螺栓1, 5, 9, 13, 應(yīng)分別調(diào)整的圈數(shù)為-2,+1,-2,+1；b基準(zhǔn)處對(duì)應(yīng)四象限螺栓1,5,9,13，應(yīng)分別調(diào)整的圈數(shù)為-3，-1，-2，-1(其中+代表順時(shí)針，-代表逆時(shí)針)，如圖8所示。

調(diào)整結(jié)束后，再次在機(jī)檢測(cè)調(diào)整后的薄壁殼體，復(fù)檢結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，調(diào)整后，薄壁殼體的同軸度誤差為0.214 mm，同軸度誤差有效地控制在了0.25 mm范圍內(nèi)，滿足了該型號(hào)大型薄壁殼體的裝配精度要求，驗(yàn)證了本文所提出方法的有效性。

圖8 數(shù)據(jù)處理界面

圖9 復(fù)檢數(shù)據(jù)處理界面

4 結(jié)論

(1)基于西門子840D平臺(tái)構(gòu)建了基于激光測(cè)量的大型薄壁殼體在機(jī)找正系統(tǒng)的通訊構(gòu)架，并開發(fā)了多功能用戶操作界面。

(2)提出了一種基于裝配工裝緊定螺栓編號(hào)和角度對(duì)應(yīng)的快速找正方法。

(3)以某型號(hào)大型薄壁殼體為典型零件，對(duì)本文所提出的方法和開發(fā)的在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。結(jié)果表明，找正效率，由原來的10 h縮短為現(xiàn)在的3 h以內(nèi)，殼體軸線與機(jī)床主軸同軸度控制在0.25 mm以內(nèi)，較大幅度地提升了殼體的裝配效率和裝配質(zhì)量。