数字化技术在运载火箭取样导管制造中的应用

2020-10-13宋建岭苏再为王永发王露予

导弹与航天运载技术 2020年5期

魏强，宋建岭，苏再为，王永发，王露予

（天津航天长征火箭制造有限公司，天津，300462）

0 引言

导管是火箭增压输送系统的关键组成，部分导管因箭体变形或组装累积偏差无法按设计模型制造，需要在箭上手工弯制铝丝模拟导管走向，箭下以铝丝为样板弯制导管，该传统取样制造方法具有制造精度低、制造周期长等缺点[1,2]。箭体实物与理论存在偏差是造成导管取样的根本，本文通过构建一个基于箭体实物的点云模型，再以该点云模型为基础新建导管模型用于后续生产、检测，以实现提高制造精度，缩短制造周期的目的。

1 技术方案

1.1 建立箭体实物点云模型

采用便携式三坐标对与导管安装相关的箭体实物进行扫描获得箭体实物点云模型，为保证创建的点云模型更加准确，一方面采用逆向软件从箭体实物的点云模型中获取最远两约束间距离，另一方面采用激光跟踪仪同样测量该两约束距离，将两数值进行比较，差值处于便携式三坐标测量误差范围内则视为合格[3]。

1.2 建立导管模型

导管模型一般是按“点、线、轮廓”方式创建，即先创建若干关键点，将各关键点连接成线段，以导管弯曲半径对线段倒圆角获得中心线，再以导管内外径尺寸构建圆环，圆环扫掠中心线完成导管模型建立。为使得导管模型满足箭上安装，导管中心线需穿过各约束中心[4]。常见火箭导管安装约束有法兰盘、卡箍、窗口等，采用逆向软件获取法兰盘中心点方法为以法兰盘端面提取平面，平面与法兰盘外圆相切并经投影获取中心点；获取卡箍中心点方法为以卡箍外圆提取中心轴线，卡箍端面提取平面并平移至卡箍中心，中心轴线与平移平面相交获取中心点；获取窗口中心点方法一般以短侧面、长侧面、内或外平面3 个平面向窗口中心平移相交获取中心点等。将上述各约束的中心点进行连线并倒圆角（倒角尺寸与弯曲模型规格一致），再用圆环（圆环尺寸与导管外径、壁厚一致）进行扫掠即获得导管模型。

1.3 导管加工检验

以XYZ 模式将导管模型中的各关键点数据输入数控弯管机进行弯曲加工，采用便携式三坐标对弯曲件进行扫描，建立弯曲件点云模型。利用分析软件将弯曲导管点云模型与导管模型进行对比，偏差范围在±1 mm 内视为合格。将弯曲件上箭试装，试装合格完成取样导管数字化加工。技术流程如图1 所示。

图1 技术流程Fig.1 Technical Flow Chart

2 技术应用

某型号运载火箭贮箱箱底采用焊接工艺，因箱底焊接变形致其上导管均采用取样制造，氧排气管是典型产品之一。该导管由2 根导管组成，安装时涉及3 个管端和2 个卡箍等，产品结构及安装如图2 所示。

图2 箭体模型Fig.2 Arrow Model

采用NDI scantrak 3500 型便携式三坐标对导管安装相关的阀体1、阀体2、卡箍1、卡箍2、窗口和局部箱底表面进行扫描，如图3 所示，扫描结果如图4所示。

图3 箭体实物Fig.3 Real Arrow

图4 箭体实物点云模型Fig.4 Point Cloud Model of Arrow

图5 为关键点创建示意。

图5 关键点创建Fig.5 Key Point Creation

选取阀体2 的端部、周向数据建立平面1 和中心线1，利用线面相交命令获得中心点1；选取卡箍2 的侧面、弧面数据建立平面2 和中心线2，利用线面相交命令获得中心点3；参考设计模型中阀体2 与卡箍2导管弯曲位置，平面1 平移400 mm 建立平面3，平面3 与中心线1 相交获得中心点2；中心点4、5、6是零件三通的3 个端点，选取卡箍2 上端面数据建立平面4，在平面4 内参照三通尺寸建立中心点4、5、6；选取窗口数据建立平面5，利用平面与窗口相切并投影命令（面片草图命令）获得窗口矩形轮廓，连接矩形轮廓对角线，利用两线相交命令获得中心点7；选取平面5 和中心点7，利用点面法向命令建立中心线3；参考设计模型中三通与窗口导管弯管位置，平面5 平移200 mm 建立平面6，平面6 与中心线3 相交获得中心点8。

连接上述各中心点建立中心点线段，以R130（弯管半径）对中心点线段倒角建立中心点曲线，测量各段切点至端点距离，当距离大于220 mm（模具直线段限制）时模型设计合理，否则需调整中心点位置。同理，创建另一侧导管中心点曲线，如图6 所示。

图6 中心线创建Fig.6 Centerline Creation

在中心点曲线端部以Ф63 mm、Ф60 mm（导管内外径）建立圆环，利用截面沿曲线扫略命令获得新导管模型，如图7、图8 所示。

图7 导管模型与箭体点云模型Fig.7 Catheter Model and Arrow Point Cloud Model

图8 导管模型Fig.8 Pipe Model

将导管模型输入数控弯管机进行加工，采用便携式三坐标对弯曲件进行扫描获得其实物点云模型，利用geomagic control 软件将导管实物点云模型与导管模型进行比对，如图9 所示。按模型中各导管与简易三通间空间位置关系将其组装成整管，并上箭试装，如图10、图11 所示。

图9 导管实物点云模型与导管模型比对Fig.9 Contrast Between Physical Point Cloud Model of The Catheter and Catheter Model

图10 导管实物Fig.10 Real Pipe

图11 箭上试装Fig.11 Try on Arrow

3 误差分析

扫描、加工、安装3 个环节会导致误差的产生。扫描误差主要是由设备精度决定，设备精度为0.11 +0.025 mm/m，该值较小时试验过程不考虑其误差影响；加工误差主要是由弯管和尾料切割造成，弯管是一种弹塑性变形过程，初次弯管时受弯曲回弹、延伸影响，弯管角度、尾料长度易超差，通过多次试弯摸索回弹和延伸，可实现弯曲精度＜±0.5°，切割精度＜0.5 mm；试验管箭上试装前以一端为基准，测得另外两端角度和长度偏差分别为3°和4 mm、1°和2 mm，实际产品导管含有补偿器结构，补偿器最大补偿量可达3°和5 mm，可包络导管加工误差。