雷斯聰 袁定新 朱忠良 錢(qián) 晨 趙維剛

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運(yùn)載火箭蒙皮自動(dòng)鉆鉚法向測(cè)量試驗(yàn)研究

雷斯聰1袁定新2朱忠良1錢(qián) 晨1趙維剛2

（1.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245；2.上海航天工藝與裝備技術(shù)工程中心，上海 200245）

針對(duì)基于激光測(cè)距傳感器的法向測(cè)量技術(shù)，在對(duì)復(fù)雜曲面孔位進(jìn)行法向測(cè)量時(shí)存在原理性誤差的問(wèn)題。為檢測(cè)該技術(shù)對(duì)曲面孔位法向的測(cè)量精度，設(shè)計(jì)并實(shí)施了一組對(duì)照試驗(yàn)。結(jié)果表明，測(cè)量偏差隨著理論法向角度的增大而不斷增大，同時(shí)，當(dāng)理論孔位法向范圍在±6°之內(nèi)時(shí)，該技術(shù)所測(cè)法向偏差范圍在±0.4°之內(nèi)。

自動(dòng)鉆鉚；法向測(cè)量技術(shù)；曲面孔位；測(cè)量精度

1 引言

隨著機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的迅速發(fā)展，孔位加工質(zhì)量得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。研究表明，孔的垂直度是影響孔加工質(zhì)量的重要因素之一[1]，若制孔垂直度較差，則孔徑會(huì)發(fā)生改變[2]，影響運(yùn)載火箭蒙皮連接質(zhì)量，導(dǎo)致裝配不穩(wěn)定，從而降低運(yùn)載火箭安全性與可靠性。因此，在機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚過(guò)程中，需對(duì)刀具與工件表面的垂直度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量并調(diào)整[3]，以滿足運(yùn)載火箭裝配中對(duì)孔位垂直度的工藝要求（≤0.5°）。

為解決孔位垂直度檢測(cè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外做了大量的研究工作，其中運(yùn)用較為廣泛的是基于激光測(cè)距傳感器的法向測(cè)量技術(shù)[4]。該技術(shù)采用激光測(cè)距傳感器，配合自主研發(fā)的法向測(cè)量及標(biāo)定算法，完成制孔過(guò)程中的高精度法向測(cè)量[5]。經(jīng)以往試驗(yàn)表明，運(yùn)用該技術(shù)對(duì)平面孔位進(jìn)行測(cè)量時(shí)，精度較高，滿足工藝要求。由于運(yùn)載火箭蒙皮表面多為曲面，測(cè)量情況更為復(fù)雜，為了檢測(cè)該技術(shù)對(duì)曲面孔位法向的測(cè)量精度，同時(shí)為后續(xù)工程化應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)，有必要對(duì)基于激光測(cè)距傳感器的法向測(cè)量技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 基于激光測(cè)距傳感器的法向測(cè)量技術(shù)

2.1 基于激光測(cè)距傳感器的法向測(cè)量原理

基于激光測(cè)距傳感器的法向測(cè)量原理如圖1所示。四組激光測(cè)距傳感器A、B、C、D分別安裝至以刀具為軸心的圓柱面上，1、2、3、4分別為四組激光測(cè)距傳感器射出的激光在被測(cè)工件上形成的光斑，其中1、2、3、4中任意三點(diǎn)不共線，通過(guò)上述四點(diǎn)可構(gòu)成四組微平面。

建立如圖1所示笛卡爾坐標(biāo)系-，根據(jù)幾何關(guān)系可得1、2、3、4在該坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。同時(shí)，利用向量叉乘計(jì)算四組微平面的法向量，將四組法向量加權(quán)平均，當(dāng)待加工工件表面曲率較大時(shí)，可認(rèn)為所求法向量為加工點(diǎn)處法向量。

圖1 法向測(cè)量原理圖

2.2 基于激光測(cè)距傳感器的法向測(cè)量誤差

對(duì)圖1進(jìn)行簡(jiǎn)化,將各點(diǎn)投影至平面，如圖2所示?？梢钥闯?在對(duì)曲面表面進(jìn)行法向量測(cè)量時(shí)，微平面法所求法向量與理論法向量之間存在原理性誤差角度。

通過(guò)幾何關(guān)系可知，誤差角度=2-1，其中1為理論法向角度，2為法向測(cè)量角度。并且1、2之間的關(guān)系通過(guò)代數(shù)式進(jìn)行表達(dá)如下：下面的兩個(gè)公式，

同時(shí)，根據(jù)角度關(guān)系可知：

其中：——待加工工件回轉(zhuǎn)半徑，——傳感器A、B之間的距離，1——傳感器A的讀數(shù)，2——傳感器B的讀數(shù)，——傳感器的安裝線面角。

由上述表達(dá)式可以看出，當(dāng)待加工工件回轉(zhuǎn)半徑保持不變時(shí)，隨著理論法向角度1的不斷增大，誤差角度不斷增大。為滿足曲面孔位法向測(cè)量精度要求，有必要對(duì)基于激光測(cè)距傳感器的法向測(cè)量精度進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3 法向測(cè)量試驗(yàn)

本文在對(duì)基于激光測(cè)距傳感器的法向測(cè)量誤差分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)該技術(shù)在測(cè)量曲面孔位時(shí)的測(cè)量精度展開(kāi)試驗(yàn)研究。

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為排除傳感器精度誤差及安裝位置等誤差對(duì)試驗(yàn)的干擾，本試驗(yàn)選用高精度激光測(cè)距傳感器，并標(biāo)定傳感器的安裝位置以及激光射線方向。試驗(yàn)選用Baumer OADM12系列激光測(cè)距傳感器。分辨率為0.002～0.12mm，測(cè)量范圍為16～120mm。傳感器理論安裝線面角為80°，傳感器A、B以及C、D分別對(duì)側(cè)安裝。

由于激光測(cè)距傳感器缺乏精準(zhǔn)的定位方法，實(shí)際位置和激光實(shí)際出射方向與理論值之間存在較大誤差。因此，本試驗(yàn)采用相應(yīng)的標(biāo)定工具，對(duì)傳感器安裝位置進(jìn)行標(biāo)定，包括激光與基準(zhǔn)平面的夾角、基準(zhǔn)平面上的投影線與坐標(biāo)軸的夾角、，傳感器出射點(diǎn)在參考坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。具體標(biāo)定參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器標(biāo)定結(jié)果

3.2 試驗(yàn)方案

為排除其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾，本試驗(yàn)采用對(duì)照組試驗(yàn)的方式，試驗(yàn)曲面孔位法向測(cè)量精度。

3.2.1 平面孔位法向測(cè)量試驗(yàn)

首先對(duì)平面孔位進(jìn)行法向測(cè)量試驗(yàn)，并將平面孔位試驗(yàn)作為對(duì)照試驗(yàn)。

首先，試驗(yàn)根據(jù)法向測(cè)量原理及表1所示傳感器位置標(biāo)定結(jié)果，編寫(xiě)法向測(cè)量算法。其次，如圖3所示，將二維手動(dòng)角度位移臺(tái)安裝至測(cè)量裝置下方，同時(shí)使二維手動(dòng)角度位移臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)方向分別與軸、軸平行。最后，將矩形測(cè)量板安裝至二維手動(dòng)角度位移臺(tái)上平面，手動(dòng)調(diào)整二維手動(dòng)角度位移臺(tái)的角度，使矩形測(cè)量板相對(duì)于主軸產(chǎn)生角度變化。

由于二維手動(dòng)角度位移臺(tái)標(biāo)注有刻度，每次調(diào)整之后便可知曉矩形測(cè)量板法向的理論值，將理論值與計(jì)算值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)法向測(cè)量精度檢測(cè)。

圖3 平面孔位法向測(cè)量試驗(yàn)

二維手動(dòng)角度位移臺(tái)可繞兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，因此可帶動(dòng)矩形測(cè)量板分別繞、軸旋轉(zhuǎn)，完成多組試驗(yàn)。并根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，理論孔位法向角度一般不超過(guò)±6°因此，通過(guò)平面孔位法向測(cè)量試驗(yàn)可得具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 平面孔位法向測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù) (°)

由表2可知，在測(cè)量平面孔位時(shí)，隨著理論法向角度的增大，偏差不斷增大。并且，當(dāng)理論法向角度在±6°范圍內(nèi)時(shí)，基于激光測(cè)距傳感器的法向測(cè)量技術(shù)所得法向值與理論法向值之間最大偏差僅為0.155°，最小偏差為0.018°，平均偏差為0.073°，同時(shí)偏差范圍為0.018～0.155°。

3.2.2 弧面孔位法向測(cè)量試驗(yàn)

為檢測(cè)基于激光測(cè)距傳感器的法向測(cè)量技術(shù)在測(cè)量弧面孔位時(shí)的測(cè)量精度，設(shè)計(jì)一弧形測(cè)量板。將精密滾珠絲杠固定至測(cè)量裝置下方，并使滑塊與主軸垂直，同時(shí)滑塊移動(dòng)方向與軸平行。將弧形測(cè)量板安裝至滑塊上部，移動(dòng)精密滾珠絲桿，根據(jù)弧形測(cè)量板的幾何尺寸以及空間幾何關(guān)系，計(jì)算主軸延長(zhǎng)線與弧形面交點(diǎn)處的理論法向值，并將理論法向與計(jì)算值對(duì)比，得出偏差范圍。

所設(shè)計(jì)的弧形測(cè)量板半徑為600mm，精密滾珠絲杠的導(dǎo)程為5mm。因此，當(dāng)精密滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈時(shí)，主軸延長(zhǎng)線與弧形面交點(diǎn)處的理論法向值為：arcsin(10/600)=0.955。根據(jù)試驗(yàn)方案所得具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 弧面孔位法向測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù) (°)

由表3可知，在測(cè)量弧面孔位時(shí)，隨著理論法向角度的增大，偏差不斷增大。在測(cè)量弧面孔位時(shí)，基于激光測(cè)距傳感器的法向測(cè)量技術(shù)所得法向值與理論法向值之間最大偏差為0.336°，最小偏差為0.036°，平均偏差為0.201°，同時(shí)偏差范圍為0.036～0.336°。與平面孔位法向測(cè)量試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比可知，雖然運(yùn)用該技術(shù)對(duì)曲面孔位法向進(jìn)行測(cè)量時(shí)，偏差角度明顯增大，但測(cè)量精度仍滿足工藝要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)平面孔位法向測(cè)量試驗(yàn)、弧面孔位法向測(cè)量試驗(yàn)，對(duì)基于激光測(cè)距傳感器的法向測(cè)量技術(shù)所測(cè)法向精度進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明：測(cè)量偏差隨著理論法向角度的增大而不斷增大，同時(shí)，當(dāng)理論孔位法向范圍在±6°之內(nèi)時(shí)，利用基于激光測(cè)距傳感器的法向測(cè)量技術(shù)所測(cè)法向偏差范圍在±0.4°之內(nèi)。

1 梁瑩，李宇昊，朱迅強(qiáng)，等. 大型薄壁艙體的自動(dòng)鉆鉚技術(shù)研究[J]. 航天制造技術(shù)，2013(5)：38～42，46

2 章茂云,孫立強(qiáng),金健,等.運(yùn)載火箭一級(jí)箱間段壁板自動(dòng)鉆鉚工藝研究[J].航天制造技術(shù),2014(2)：22～25

3 楊燕勇.自動(dòng)鉆鉚機(jī)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)[D]. 南京航空航天大學(xué),2016

4 應(yīng)高明,王仲奇,康永剛,等.飛機(jī)壁板自動(dòng)鉆鉚法向量測(cè)量方法研究[J].機(jī)床與液壓，2010，38(23)：1～4，8

5 王增翠，秦現(xiàn)生，白晶，等. 飛機(jī)壁板自動(dòng)制孔法向測(cè)量算法研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014(6)：160～163

Research on Lapping Rifle Normal Measurement of Lunch Vehicle Skin

Lei Sicong1Yuan Dingxin2Zhu Zhongliang1Qian Chen1Zhao Weigang2

(1. Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer Co., Ltd., Shanghai 200245；2. Shanghai Engineering Center of Process and Equipment for Aerospace Devices Manufacturing, Shanghai 200245)

The normal measurement technology based on laser ranging sensor has the principle error in the normal measurement of the complex surface hole. In order to test the accuracy of this technique for the normal measurement of the surface hole, a set of control experiments were designed and implemented. The results show that the measurement deviation increases with the theoretical normal angle. Meanwhile, the theoretical deviation range of the technique is within ±0.4° when the theoretical hole normal angle is ±6°.

automatic drilling；normal measurement technology；the surface hole；measurement accuracy

上海市科委工程中心能力提升項(xiàng)目（17DZ2281000）。

雷斯聰（1994），碩士，機(jī)械電子工程專業(yè)；研究方向：電氣與自動(dòng)化。

2018-03-12