數字化技術在運載火箭取樣導管制造中的應用

魏 強，宋建嶺，蘇再為，王永發，王露予

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津，300462）

0 引 言

導管是火箭增壓輸送系統的關鍵組成，部分導管因箭體變形或組裝累積偏差無法按設計模型制造，需要在箭上手工彎制鋁絲模擬導管走向，箭下以鋁絲為樣板彎制導管，該傳統取樣制造方法具有制造精度低、制造周期長等缺點[1,2]。箭體實物與理論存在偏差是造成導管取樣的根本，本文通過構建一個基于箭體實物的點云模型，再以該點云模型為基礎新建導管模型用于后續生產、檢測，以實現提高制造精度，縮短制造周期的目的。

1 技術方案

1.1 建立箭體實物點云模型

采用便攜式三坐標對與導管安裝相關的箭體實物進行掃描獲得箭體實物點云模型，為保證創建的點云模型更加準確，一方面采用逆向軟件從箭體實物的點云模型中獲取最遠兩約束間距離，另一方面采用激光跟蹤儀同樣測量該兩約束距離，將兩數值進行比較，差值處于便攜式三坐標測量誤差范圍內則視為合格[3]。

1.2 建立導管模型

導管模型一般是按“點、線、輪廓”方式創建，即先創建若干關鍵點，將各關鍵點連接成線段，以導管彎曲半徑對線段倒圓角獲得中心線，再以導管內外徑尺寸構建圓環，圓環掃掠中心線完成導管模型建立。為使得導管模型滿足箭上安裝，導管中心線需穿過各約束中心[4]。常見火箭導管安裝約束有法蘭盤、卡箍、窗口等，采用逆向軟件獲取法蘭盤中心點方法為以法蘭盤端面提取平面，平面與法蘭盤外圓相切并經投影獲取中心點；獲取卡箍中心點方法為以卡箍外圓提取中心軸線，卡箍端面提取平面并平移至卡箍中心，中心軸線與平移平面相交獲取中心點；獲取窗口中心點方法一般以短側面、長側面、內或外平面3 個平面向窗口中心平移相交獲取中心點等。將上述各約束的中心點進行連線并倒圓角（倒角尺寸與彎曲模型規格一致），再用圓環（圓環尺寸與導管外徑、壁厚一致）進行掃掠即獲得導管模型。

1.3 導管加工檢驗

以XYZ 模式將導管模型中的各關鍵點數據輸入數控彎管機進行彎曲加工，采用便攜式三坐標對彎曲件進行掃描，建立彎曲件點云模型。利用分析軟件將彎曲導管點云模型與導管模型進行對比，偏差范圍在±1 mm 內視為合格。將彎曲件上箭試裝，試裝合格完成取樣導管數字化加工。技術流程如圖1 所示。

圖1 技術流程Fig.1 Technical Flow Chart

2 技術應用

某型號運載火箭貯箱箱底采用焊接工藝，因箱底焊接變形致其上導管均采用取樣制造，氧排氣管是典型產品之一。該導管由2 根導管組成，安裝時涉及3 個管端和2 個卡箍等，產品結構及安裝如圖2 所示。

圖2 箭體模型Fig.2 Arrow Model

采用NDI scantrak 3500 型便攜式三坐標對導管安裝相關的閥體1、閥體2、卡箍1、卡箍2、窗口和局部箱底表面進行掃描，如圖3 所示，掃描結果如圖4所示。

圖3 箭體實物Fig.3 Real Arrow

圖4 箭體實物點云模型Fig.4 Point Cloud Model of Arrow

圖5 為關鍵點創建示意。

圖5 關鍵點創建Fig.5 Key Point Creation

選取閥體2 的端部、周向數據建立平面1 和中心線1，利用線面相交命令獲得中心點1；選取卡箍2 的側面、弧面數據建立平面2 和中心線2，利用線面相交命令獲得中心點3；參考設計模型中閥體2 與卡箍2導管彎曲位置，平面1 平移400 mm 建立平面3，平面3 與中心線1 相交獲得中心點2；中心點4、5、6是零件三通的3 個端點，選取卡箍2 上端面數據建立平面4，在平面4 內參照三通尺寸建立中心點4、5、6；選取窗口數據建立平面5，利用平面與窗口相切并投影命令（面片草圖命令）獲得窗口矩形輪廓，連接矩形輪廓對角線，利用兩線相交命令獲得中心點7；選取平面5 和中心點7，利用點面法向命令建立中心線3；參考設計模型中三通與窗口導管彎管位置，平面5 平移200 mm 建立平面6，平面6 與中心線3 相交獲得中心點8。

連接上述各中心點建立中心點線段，以R130（彎管半徑）對中心點線段倒角建立中心點曲線，測量各段切點至端點距離，當距離大于220 mm（模具直線段限制）時模型設計合理，否則需調整中心點位置。同理，創建另一側導管中心點曲線，如圖6 所示。

圖6 中心線創建Fig.6 Centerline Creation

在中心點曲線端部以Ф63 mm、Ф60 mm（導管內外徑）建立圓環，利用截面沿曲線掃略命令獲得新導管模型，如圖7、圖8 所示。

圖7 導管模型與箭體點云模型Fig.7 Catheter Model and Arrow Point Cloud Model

圖8 導管模型Fig.8 Pipe Model

將導管模型輸入數控彎管機進行加工，采用便攜式三坐標對彎曲件進行掃描獲得其實物點云模型，利用geomagic control 軟件將導管實物點云模型與導管模型進行比對，如圖9 所示。按模型中各導管與簡易三通間空間位置關系將其組裝成整管，并上箭試裝，如圖10、圖11 所示。

圖9 導管實物點云模型與導管模型比對Fig.9 Contrast Between Physical Point Cloud Model of The Catheter and Catheter Model

圖10 導管實物Fig.10 Real Pipe

圖11 箭上試裝Fig.11 Try on Arrow

3 誤差分析

掃描、加工、安裝3 個環節會導致誤差的產生。掃描誤差主要是由設備精度決定，設備精度為0.11 +0.025 mm/m，該值較小時試驗過程不考慮其誤差影響；加工誤差主要是由彎管和尾料切割造成，彎管是一種彈塑性變形過程，初次彎管時受彎曲回彈、延伸影響，彎管角度、尾料長度易超差，通過多次試彎摸索回彈和延伸，可實現彎曲精度＜±0.5°，切割精度＜0.5 mm；試驗管箭上試裝前以一端為基準，測得另外兩端角度和長度偏差分別為3°和4 mm、1°和2 mm，實際產品導管含有補償器結構，補償器最大補償量可達3°和5 mm，可包絡導管加工誤差。

4 結 論

采用激光掃描建立箭體實物點云模型，利用專用軟件以點云模型為邊界新建導管模型，并用于后續導管加工、檢測的數字化制造方法，可滿足箭上導管安裝需求，實現了運載火箭取樣導管的全流程數字化彎管加工。與傳統手工取樣制造方式相比，具有制造精度高、制造周期短等優點。