蔡奇彧，石 璟，李新勇，吳江巍，文遠華

基于激光跟蹤儀的管路數(shù)字化取樣制造技術(shù)研究

蔡奇彧，石 璟，李新勇，吳江巍，文遠華

（四川航天長征裝備制造有限公司，成都，610100）

在運載火箭中，由于箱體和發(fā)動機制造誤差、裝配誤差以及各裝配件的累積誤差等因素，導致這些連接的輸送管路必須通過箭上實際裝配空間來進行現(xiàn)場取樣裝配，方能保證其在箭體上的精確對接裝配。針對該類大直徑輸送管路，開展基于激光跟蹤儀測量方法的管路數(shù)字化取樣制造技術(shù)研究，首先通過在總裝前分別測量箱體和發(fā)動機關(guān)鍵連接部位的空間位置，然后基于測量數(shù)據(jù)進行數(shù)字模型的虛擬裝配，最后通過機器人復現(xiàn)該管路系統(tǒng)的相對空間位置，模擬管路在箭體總裝現(xiàn)場的取樣制造。通過實測正式產(chǎn)品來驗證該數(shù)字化取樣制造的精度，實現(xiàn)管路的并行生產(chǎn)，提高裝配生產(chǎn)效率。

大直徑輸送管路；激光跟蹤儀；數(shù)字化取樣；虛擬裝配

0 引 言

在運載火箭中，增壓輸送系統(tǒng)管路產(chǎn)品被稱為“主動脈”系統(tǒng)，主要起燃料增壓和輸送等作用，對運載火箭的飛行試驗成敗起決定性的作用[1,2]。其中，連接發(fā)動機與箱體的大直徑輸送管路制造過程較長、補償角度較小，對于滿足其在箭體上的精確對接與裝配密封性要求具有較大難度。該類大直徑輸送管路一部分通過圖紙尺寸直接制造生產(chǎn)，另一部分的關(guān)鍵連接彎管則根據(jù)實際裝配位置現(xiàn)場取樣，共同滿足箭體系統(tǒng)管路的精準連接。

由于運載火箭箱體與發(fā)動機的制造誤差、裝配誤差以及各裝配件的累積誤差等因素，導致這些連接的輸送管路仍然采用傳統(tǒng)的串行生產(chǎn)制造模式，即當總裝完成箱體與發(fā)動機對接之后方能開展管路的現(xiàn)場實物取樣，再返回制造車間進行管路制造與性能檢測，最后到總裝車間進行試裝與總裝。然而，對于某些型號產(chǎn)品多地生產(chǎn)與總裝的制造模式，極大增加了綜合資源浪費與制造操作難度。取代現(xiàn)有往返現(xiàn)場取樣的傳統(tǒng)“串行生產(chǎn)”模式向“并行生產(chǎn)”模式轉(zhuǎn)型將有助于提升產(chǎn)能，減少總裝等待時間。

本文針對該類大直徑輸送管路，開展基于激光跟蹤儀測量建模與虛擬裝配方法研究，并以數(shù)據(jù)驅(qū)動管路異地取樣生產(chǎn)制造的相關(guān)研究，通過在總裝前分別對箱體和發(fā)動機上關(guān)鍵連接部位的實際空間位置進行測量，然后基于該實際測量數(shù)據(jù)進行數(shù)字模型的異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與虛擬裝配，最后通過機器人復現(xiàn)該管路系統(tǒng)的相對空間位置，模擬管路在箭體總裝現(xiàn)場的取樣制造。通過測量與實物的雙重驗證對該數(shù)字化取樣制造的精度校核，實現(xiàn)管路的異地并行生產(chǎn)，提高裝配生產(chǎn)效率。

1 研究對象分析

運載火箭增壓輸送系統(tǒng)管路是連接箱底法蘭盤與發(fā)動機法蘭盤實現(xiàn)燃料輸送的管路，用于將推進劑從火箭箱體輸送至發(fā)動機，是運載火箭重要的單機產(chǎn)品[3～5]。如圖1所示，輸送系統(tǒng)主要通過4根內(nèi)徑Φ158的大直徑輸送管分別給4臺發(fā)動機提供燃料供給，一般由法蘭盤、接頭、波紋管補償器、直管、半邊彎管、環(huán)等組成，是典型的焊接連接型管路，其中，波紋管補償器只能在較小范圍內(nèi)對管路的位移和角度進行補償作用。

圖1 輸送管裝配及其結(jié)構(gòu)特點

由于每個箱底安裝法蘭和發(fā)動機法蘭的位置與朝向均有略微差異，因此，各個連接的輸送管不能相互替代，而均需要根據(jù)實際空間相對位置進行單獨取樣和制造，才能滿足各個法蘭對接面的精度要求。此外，為滿足產(chǎn)品在工作過程中的性能要求，應實現(xiàn)輸送管路的低應力制造與裝配，因此，管路空間尺寸數(shù)據(jù)的精準獲取與整體制造是防止箭體裝配后產(chǎn)生較大應力的關(guān)鍵。

2 管路實際裝配空間獲取

為實現(xiàn)并行生產(chǎn)，提高輸送管路的制造及總裝效率，輸送管路的實際裝配空間位姿是在箱體和發(fā)動機總裝對接前通過實測箱底安裝法蘭和發(fā)動機法蘭位置來完成，基于實測的產(chǎn)品數(shù)據(jù)有效消除了制造與裝配誤差帶來的影響。具體實現(xiàn)過程是運用激光跟蹤儀分別測量箱底安裝法蘭及發(fā)動機法蘭的空間坐標及矢量方向，將箱體和發(fā)動機的對接公共面作為統(tǒng)一的基準面建立測量坐標系完成數(shù)字模型的虛擬裝配，從而獲得管路的實際裝配空間位姿描述。

2.1 基于激光跟蹤儀的測量坐標系構(gòu)建

激光跟蹤儀以激光為測距手段能夠進行大空間的高精度測量，并且能夠快速給出產(chǎn)品的空間位置與姿態(tài)標定，現(xiàn)已廣泛應用于航空航天的數(shù)字化裝配制造過程中[6～8]。坐標系是運用激光跟蹤儀對采集的目標數(shù)據(jù)進行描述的基礎(chǔ)，也是建立數(shù)字化模型的前提，對于不同的測量對象與應用場景，需要建立不同的坐標系?；诒疚难芯繉ο?，借助被測對象上的關(guān)鍵特征來進行測算，進而選取產(chǎn)品上的關(guān)鍵特征孔點并進行測量，建立箱體和發(fā)動機對接面為基準的測量坐標系，如圖2所示。

圖2 測量坐標系構(gòu)建示意

在測量坐標系的構(gòu)建過程中，箱體和發(fā)動機都是以對接面的法向方向作為軸的正向，以4組對接孔在該對接面投影方向上的擬合圓圓心作為原點坐標，以箱體或發(fā)動機在Ⅲ象限的孔點指向作為軸正向，建立統(tǒng)一的測量坐標系。

2.2 法蘭空間位置測量

法蘭盤在空間中的位置是通過測量該法蘭端面上的內(nèi)圓，并以圓中心點坐標和該圓的方向矢量作為該法蘭在測量坐標系中的空間位置標定，將該內(nèi)圓作為三維數(shù)字模型中該法蘭的代理模型圓，如圖3所示為箱底安裝法蘭內(nèi)圓測量與代理模型位置，同理可得到發(fā)動機法蘭在空間中的位置標定。

圖3 箱底安裝法蘭測量與代理模型位置示意

由于測量過程以對接面作為統(tǒng)一的基準面，因此，將箱底安裝法蘭的中心坐標及方向矢量進行坐標轉(zhuǎn)化即可得出該法蘭在箱體上的實際裝配空間，并以代理模型圓進行表示。

2.3 基于測量數(shù)據(jù)的數(shù)字模型虛擬裝配

基于上述各法蘭的測量數(shù)據(jù)建立三維數(shù)字模型，將箱體和發(fā)動機對接面的測量坐標系轉(zhuǎn)換為數(shù)字模型坐標系，并在裝配環(huán)境中進行虛擬裝配，得到各法蘭的代理模型圓在統(tǒng)一空間下的位置坐標，如圖4所示為2號輸送管路的空間變換矩陣，將其轉(zhuǎn)換為空間坐標及四元數(shù)值有助于后續(xù)機器人的姿態(tài)調(diào)整，表1為 4根大直徑輸送管路實際裝配空間的位姿描述。

圖4 2號輸送管路法蘭空間變換矩陣

表1 輸送管路空間坐標及四元數(shù)

Tab.1 The Space Coordinate and Quaternions of The Conveying Pipeline

管路XYZq0q1q2q3 1號輸送管路206.700-0.56961081.180.9717-0.00290.23620.0003 2號輸送管路214.232-3.60101078.020.9671-0.00840.25430.0027 3號輸送管路211.790-7.55691078.140.9690-0.00210.24700.0069 4號輸送管路210.7613.21341077.400.9683-0.00410.2498-0.0034

3 機器人復現(xiàn)管路數(shù)字化取樣制造

管路數(shù)字化取樣制造以機器人平臺為基礎(chǔ)，用數(shù)字信息傳遞的方式通過機器人復現(xiàn)管路系統(tǒng)的相對空間位置，模擬管路在箭體總裝現(xiàn)場的取樣制造。復現(xiàn)裝配現(xiàn)場取樣過程如圖5所示，以工作臺上的三爪卡盤所夾持的法蘭盤的端面中心為原點構(gòu)建工件坐標系，該法蘭盤表示與發(fā)動機法蘭盤連接的輸送管法蘭一端；機器人機械臂末端夾持的法蘭盤端面中心作為管路法蘭的位置點，該法蘭盤表示與箱體法蘭盤連接的輸送管法蘭的另一端。將表1所示數(shù)據(jù)輸入至機器人軟件操作界面，通過機器人末端執(zhí)行器的姿態(tài)調(diào)整實現(xiàn)管路空間位置的復現(xiàn)，即可進行模擬現(xiàn)場取樣制造的過程。

圖5 機器人復現(xiàn)裝配現(xiàn)場取樣過程

提高彎管的修配準確度是實現(xiàn)管路數(shù)字化取樣制造的關(guān)鍵，本文運用自制取樣工裝能夠?qū)崿F(xiàn)對彎管的精準修配，極大降低了操作人員反復試裝的勞動強度，同時提高良品率與生產(chǎn)效率，如圖6所示為彎管精準修配過程。

圖6 彎管精準修配過程

通過工裝基準環(huán)的移動與自轉(zhuǎn)改變自身空間位置并保證兩端連接處于同一水平面，通過旋入緊固螺栓與螺紋連接件保證連接管的徑向夾緊力與基準環(huán)的相對固定；然后沿基準環(huán)周向劃線形成修配環(huán)線位；最后通過切管機和角磨機實現(xiàn)彎管的精準修配。

保持機器人平臺兩端夾持位置不變，對已修配能夠精準對接的彎管進行點焊和連續(xù)焊接，從而實現(xiàn)整根輸送管路的數(shù)字化現(xiàn)場取樣制造。

4 管路數(shù)字化取樣精度驗證

為驗證輸送管的制造精度是否滿足實際裝配對接的要求，通過管路數(shù)字化取樣制造的輸送管進行測量比對與實物裝配雙重驗證。

運用激光跟蹤儀測量從機器人平臺取下的輸送管兩端法蘭端面，并將該測量數(shù)據(jù)以代理模型圓的形式在三維模型里進行虛擬裝配，根據(jù)裝配面的距離和間隙情況對管路可裝配性進行判別，從而驗證輸送管路的制造精度。在虛擬裝配時，首先將發(fā)動機端的法蘭代理模型圓坐標系與原測量模型坐標系對齊，然后觀察箱體端法蘭代理模型圓與原測量模型的代理模型圓的差異性。從圖7所示可以看出，在發(fā)動機端法蘭對齊后，箱體端法蘭的測量與制造誤差極小，中心點距離差值僅為0.2694 mm，角度差值僅為0.0356°；由于輸送管的兩個波紋管補償器具有一定的補償范圍，能夠滿足輸送管在箭體上適度范圍的裝配要求。因此，通過測量比對和三維虛擬裝配可以完成管路制造和裝配精度的驗證。

圖7 管路數(shù)字化取樣精度驗證

將輸送管路在總裝現(xiàn)場進行實物裝配進一步驗證管路數(shù)字化取樣制造的測量精度以及制造方法的合理性。將輸送管路兩端分別與箱體法蘭和發(fā)動機法蘭對接，并均用螺栓進行緊固，然后用塞尺對法蘭連接處的間隙值進行測量，需滿足設計文件0.02 mm的公差要求。通過實際裝配觀察與測量，波紋管補償器無明顯裝配變形，0.02 mm塞尺不能塞進縫隙說明間隙值滿足設計要求，能夠?qū)崿F(xiàn)低應力裝配和精準對接。

5 啟示與建議

結(jié)合管路數(shù)字化取樣實踐經(jīng)驗，提出以下幾點技術(shù)應用推廣啟示與建議：

a）針對總裝車間現(xiàn)場箱體與發(fā)動機法蘭位置不定、測量操作專業(yè)性強等問題，需研究基于SA的二次開發(fā)，解決現(xiàn)場人員操作精密設備困難、測量數(shù)據(jù)可視化等問題，達到能夠滿足裝配現(xiàn)場使用與快速測量的效果。

b）對測量的異構(gòu)數(shù)據(jù)（法向角度、RPY角）進行程序模塊化設計，滿足特定數(shù)據(jù)格式之間的快速轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)格式與三維數(shù)模編輯數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，實現(xiàn)效率虛擬裝配。

c）針對機器人平臺裝夾問題需實現(xiàn)氣動夾爪的優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)基于機器人平臺的產(chǎn)品快速裝卸，實現(xiàn)柔性化制造。

6 結(jié)束語

本文以運載火箭中的大直徑輸送管路為對象，開展了基于激光跟蹤儀測量建模與虛擬裝配方法，并以數(shù)據(jù)驅(qū)動管路異地取樣生產(chǎn)制造的相關(guān)技術(shù)研究，通過在運載火箭總裝前分別測量其箱體和發(fā)動機關(guān)鍵連接部位的實際空間位置，然后基于測量數(shù)據(jù)進行數(shù)字模型的異構(gòu)數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換與模型虛擬裝配，最后通過工業(yè)機器人復現(xiàn)該管路系統(tǒng)的相對空間位置，模擬管路在箭體總裝現(xiàn)場的取樣制造，通過實物和理論數(shù)據(jù)比對以及總裝現(xiàn)場實物裝配，有效驗證了整個數(shù)字化取樣過程的制造精度。本研究的開展，有效解決了箱體和發(fā)動機制造誤差、裝配誤差以及各裝配件的累積誤差等因素而導致的輸送管路必須通過箭上實際裝配空間來進行現(xiàn)場取樣裝配的難題，同時，取代現(xiàn)有往返現(xiàn)場取樣的傳統(tǒng)“串行生產(chǎn)”模式向“并行生產(chǎn)”模式轉(zhuǎn)型不僅實現(xiàn)了管路低應力裝配和精準對接，而且有助于提升產(chǎn)能，縮短總裝等待時間，提高裝配生產(chǎn)效率。

[1] 魯宇. 中國運載火箭技術(shù)發(fā)展[J]. 宇航總體技術(shù), 2017, 1(3): 1-8.

Lu Yu. Space launch vehicle's development in China[J]. Astronautical Systems Engineering Technology, 2017, 1(3): 1-8.

[2] 廖少英. 航空-航天飛行器推進增壓輸送系統(tǒng)設計[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2012.

Liao Shaoying. Design of aerospace vehicle propulsion pressurized conveying system[M]. Beijing: China Astronautic Publishing House, 2012.

[3] 趙長喜, 等. 航天器管路數(shù)字化制造技術(shù)與實踐[J]. 航天器環(huán)境工程，2013, 30(6): 659-662.

Zhao Changxi, et al. Digital manufacturing technology and practice of spacecraft pipeline[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2013, 30(6): 659-662.

[4] 吳姮, 等. 增壓輸送系統(tǒng)三維數(shù)字化設計技術(shù)[J]. 導彈與航天運載技術(shù), 2016(1): 36-39.

Wu Heng, et al. Three-dimensional digital design technology of pressurized conveying system[J]. Missiles and Space Vehicles, 2016(1): 36-39.

[5] 張佳朋, 等. 面向航天器管路焊裝過程的集成制造技術(shù)[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2014, 20(11): 2743-2757.

Zhang Jiapeng, et al. Integrated manufacturing technology for spacecraft pipeline welding process[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2014, 20(11): 2743-2757.

[6] 王彥喜, 巧俊, 劉剛. 激光跟蹤儀在飛機型架裝配中的應用[J]. 航空制造技術(shù), 2010(19): 92.

Wang Yanxi, Qiao Jun, Liu Gang. The application of laser tracker in aircraft frame assembly[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2010(19): 92.

[7] 王巍, 黃宇, 莊建平. 激光跟蹤儀在飛機裝配工裝制造中的應用[J]. 航空制造技術(shù), 2004(12): 81-84.

Wang Wei, Huang Yu, Zhuang Jianping. Application of laser tracker in aircraft assembly tooling manufacturing[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2004(12): 81-84

[8] 陳智勇. 基于激光跟蹤儀的工裝數(shù)字化測量安裝技術(shù)研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學, 2010.

Chen Zhiyong. Research on digital measurement and installation technology of tooling based on laser tracker[D]. Xi'an: Northwestern Polytechnical University, 2010.

Research on Digital Sampling Manufacturing Technology of Pipeline based on Laser Tracker

Cai Qi-yu, Shi Jing, Li Xin-yong, Wu Jiang-wei, Wen Yuan-hua

(Sichuan Aerospace Changzheng Equipment Manufacturing Co.Ltd , Chengdu, 610100)

In the launch vehicle, due to factors such as tank and engine manufacturing errors, assembly errors, and cumulative errors of various assembly parts, these connected conveying pipelines must be sampled and assembled on-site through the actual assembly space on the arrow. Its precise docking assembly on the rocket body. For this type of large diameter conveying pipeline, this research carries out the research on the digital sampling and manufacturing technology of the pipeline based on the measurement method of the laser tracker. The spatial position of the key connection parts of the tank and the engine are measured before the final assembly, and then digital based on the measured data virtual assembly of the model, and finally reproduce the relative spatial position of the pipeline system through a robot, and simulate the sampling and manufacturing of the pipeline on the site of the rocket body assembly. The accuracy of the digital sampling and manufacturing is verified through actual measurement of official products, parallel production of pipelines is realized, and assembly production efficiency is improved.

large diameter transmission pipeline; laser tracker; digital sampling; virtual assembly

2097-1974(2023)01-0084-05

10.7654/j.issn.2097-1974.20230117

TH166

A

2020-10-09；

2020-12-17

國家自然科學基金委員會-中國航天科技集團有限公司航天先進制造技術(shù)研究聯(lián)合基金（U1737203）；四川省科技計劃資助（2020YFG0196）

蔡奇彧（1989-），男，工程師，主要研究方向為數(shù)字化制造技術(shù)。

石 璟（1984-），男，高級工程師，主要研究方向為數(shù)字化制造技術(shù)。

李新勇（1963-），男，工程師，主要研究方向為數(shù)字化測量技術(shù)。

吳江巍（1988-），男，工程師，主要研究方向為焊接制造技術(shù)。

文遠華（1981-），男，高級工程師，主要研究方向為數(shù)字化制造技術(shù)。