王 新 郭鴻俊 王愛春 韓志昌 王 娟

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回轉(zhuǎn)體艙段中零件位置等距噴涂標(biāo)識(shí)定位方法

王 新1郭鴻俊1王愛春1韓志昌2王 娟2

（1. 航天材料及工藝研究所，北京 100076； 2. 火箭軍駐某軍事代表室，北京 100076）

針對(duì)回轉(zhuǎn)體艙段中零件安裝定位位置裝配精度一致性不好，存在質(zhì)量隱患等問題，將自動(dòng)噴涂標(biāo)識(shí)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)集成，通過等距噴涂標(biāo)識(shí)精度影響因素分析、回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的等距噴涂幾何模型構(gòu)建，提出了等距噴涂標(biāo)識(shí)方法，構(gòu)建了零件定位位置自動(dòng)噴涂標(biāo)識(shí)平臺(tái)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明，自動(dòng)化等距噴涂標(biāo)識(shí)技術(shù)能夠取代傳統(tǒng)的人工畫線進(jìn)行零件定位的方式，滿足零件裝配精度要求，提高零件裝配質(zhì)量的一致性。

自動(dòng)噴涂；等距噴涂標(biāo)識(shí)；零件定位；裝配精度

1 引言

一種航天回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)艙段中安裝有大量支架類零件，目前主要采用人工畫線或?qū)Ｓ枚ㄎ谎b置的方式進(jìn)行零件定位，使其符合設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度和互換協(xié)調(diào)要求[1]。傳統(tǒng)的手工畫線方法基本依賴工人的技術(shù)水平，精度難以保證、重復(fù)性差、工藝穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致產(chǎn)品裝配質(zhì)量一致性不好。

近些年來，隨著數(shù)字化、自動(dòng)化技術(shù)的不斷深入研究和應(yīng)用，柔性裝配技術(shù)、光學(xué)視覺識(shí)別技術(shù)、數(shù)字化調(diào)姿技術(shù)、激光輪廓投影技術(shù)等逐漸代替了上述傳統(tǒng)的方法[2～9]。但上述技術(shù)應(yīng)用的范圍基本集中在開敞性好的、系列化的零件定位和裝配中，回轉(zhuǎn)體艙段由于其自身結(jié)構(gòu)的特殊性，如空間不開敞、零件種類多等特點(diǎn)，不利于上述技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

為解決零件手工畫線定位所產(chǎn)生的問題，將自動(dòng)噴涂標(biāo)識(shí)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)相集成，通過質(zhì)量關(guān)聯(lián)參數(shù)的信息反饋，輔助零件位置輪廓線、中心位置線的自動(dòng)標(biāo)識(shí)，將原有的手工畫線定位的方式改進(jìn)為自動(dòng)噴涂標(biāo)記的定位方式，能夠在實(shí)際中得到有效應(yīng)用。

2 零件自動(dòng)標(biāo)識(shí)定位方案及平臺(tái)搭建

回轉(zhuǎn)體艙段一般為大直徑薄壁圓柱型、圓錐型或其近似體結(jié)構(gòu)。為滿足零件位置其在艙壁上的標(biāo)識(shí)，以龍門式多軸加工中心平臺(tái)，搭建起以加工中心主軸頭和噴碼機(jī)為主的噴涂系統(tǒng)架構(gòu)。

噴涂裝置出口距離被噴涂表面差異較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生標(biāo)記墨線粗細(xì)不均的情況，或者出口方向和被噴涂表面法向不盡一致時(shí)，產(chǎn)生的線條粗細(xì)、位置也有差別，給零件的標(biāo)識(shí)精度帶來問題。因此采用自動(dòng)化的噴涂方法時(shí)需要以等距噴涂方式進(jìn)行，即保證噴涂出口與目標(biāo)點(diǎn)的空間距離保持不變。

3 回轉(zhuǎn)體艙段的等距自動(dòng)噴涂標(biāo)識(shí)精度分析

3.1 影響噴涂精度的因素分析

噴涂精度的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括噴涂線條的寬度、噴涂位置的精度等。

噴涂線條的寬度和噴涂的速度、距離以及噴涂點(diǎn)的方向相關(guān)。噴涂速度越低、噴涂距離越遠(yuǎn)，線條的寬度就約大，反之愈小。就零件定位精度而言，越細(xì)的噴墨線條寬度對(duì)零件定位的準(zhǔn)確度越高。影響線條寬度指標(biāo)的另外重要因素是噴出的法向方向的偏差量，偏差量越大，噴出的線條寬度越大。

噴涂線條的位置精度和噴涂點(diǎn)的方向、距被噴射面距離、噴涂點(diǎn)的數(shù)控定位精度等相關(guān)。當(dāng)被標(biāo)識(shí)部件為圓錐體時(shí)，噴嘴的方向處于非法向且距離較遠(yuǎn)時(shí)，由于噴涂介質(zhì)的自重影響，會(huì)導(dǎo)致噴涂實(shí)際點(diǎn)下沉于理論位置點(diǎn)，造成噴涂位置產(chǎn)生偏差。

由于艙段產(chǎn)品為非平面結(jié)構(gòu)，采用機(jī)械數(shù)控方式驅(qū)動(dòng)噴頭噴涂時(shí)，上述條件中最易發(fā)生變化的是噴涂的距離。而由上述關(guān)系可知，若噴涂的速度、方向一定的情況下，當(dāng)噴涂的距離發(fā)生變化即非等距噴涂時(shí)，若要保證噴涂的質(zhì)量則必須計(jì)算出墨液噴射軌跡由于自重的偏差量對(duì)精度影響的定量關(guān)系。而評(píng)價(jià)兩者之間的關(guān)系較為復(fù)雜，而且受實(shí)際情況的影響較大，不適宜實(shí)際使用。

綜上所述，為達(dá)到噴涂線條寬度、精度等指標(biāo)，必須控制噴射點(diǎn)距離被噴射表面的距離和方向，保證兩者之間的空間距離不變，即實(shí)現(xiàn)等距噴涂，以達(dá)到最優(yōu)的噴涂標(biāo)記質(zhì)量。

3.2 等距噴涂中非規(guī)則曲線的數(shù)控軌跡分析

等距噴涂的理論及方法是保證實(shí)際噴涂質(zhì)量與線條位置精度的重點(diǎn)及難點(diǎn)。以近圓錐體艙段為例，表述等距噴涂的原理。圖1中實(shí)線為實(shí)際待噴涂的產(chǎn)品表面，虛線為其等距面，即噴射點(diǎn)所形成的噴涂面。

圖1 近圓錐面內(nèi)廓形面噴涂X方向正方形示意圖

若在近圓錐體表面噴涂一矩形輪廓，那么在理論圓錐面與等距圓錐面（實(shí)際為噴槍出口點(diǎn)形成的軌跡）上分別形成''''兩個(gè)空間封閉曲線。其中，曲線''''為該截面圓上的弧線，''''為近圓錐面的不規(guī)則曲線。在數(shù)模中能夠通過計(jì)算快速得到這些理論點(diǎn)在艙段坐標(biāo)系下的空間位置坐標(biāo)，但是采用數(shù)控驅(qū)動(dòng)時(shí)，若采用簡(jiǎn)單的四點(diǎn)連線的方式進(jìn)行軌跡移動(dòng)形成矩形輪廓，而被噴涂表面為不規(guī)則曲面，因此達(dá)不到立項(xiàng)的噴涂效果。

圖2 等誤差型值點(diǎn)選取

對(duì)于規(guī)則圓弧曲線來說，通過數(shù)控系統(tǒng)中簡(jiǎn)單的數(shù)控插補(bǔ)方法實(shí)現(xiàn)等距噴涂；但對(duì)于這種非規(guī)則曲線的運(yùn)行軌跡的精度控制，采用插補(bǔ)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，最好的辦法是通過加密采樣點(diǎn)，通過加密曲線上關(guān)鍵型值點(diǎn)控制等距的程度，使理論軌跡距實(shí)際被噴涂面近似等距。采樣點(diǎn)（或關(guān)鍵型值點(diǎn)）布局越密集，噴涂距離的誤差就越小，就越接近等距，但密集程度越高，影響數(shù)控系統(tǒng)的反饋速度，計(jì)算量較大。在這里引入型值點(diǎn)的弦高以評(píng)價(jià)點(diǎn)的密集程度，如圖2所示。圖中1點(diǎn)為''或''上任意點(diǎn)，如點(diǎn)'，Q為軌跡移動(dòng)的下一點(diǎn)，2為1和Q的中間過渡點(diǎn)。1和Q之間能夠形成一條直線軌跡，若不做處理，則會(huì)形成的差值，造成理論和實(shí)際型面不等距。引入作為密集度值，若＜，則Q+1→Q；按Q+1點(diǎn)再次評(píng)價(jià)和關(guān)系，直至≥時(shí)，確定Q+的坐標(biāo)值位置，進(jìn)而形成完成曲線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)集[]，該點(diǎn)集即為理論行走軌跡。

4 回轉(zhuǎn)體艙段內(nèi)表面的等距噴涂方法

圓柱體艙段為圓錐體艙段的特殊形式，因此下面以圓錐回轉(zhuǎn)體艙段為例（如圖3所示），介紹其內(nèi)表面的等距噴涂方法及噴涂點(diǎn)的軌跡計(jì)算方法，為驅(qū)動(dòng)多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床編程做指導(dǎo)。由前述分析可知，在圓錐體表面實(shí)現(xiàn)等距噴涂有兩種方式：噴射軸線垂直于艙段回轉(zhuǎn)軸線或噴射軸線垂直于艙段母線（即型面的法線方向）。

圖3 圓錐體艙段構(gòu)型

4.1 垂直于回轉(zhuǎn)軸線的等距噴涂方法

首先以噴射軸線垂直于艙段回轉(zhuǎn)軸線建立起幾何模型，見圖4。

圖4 等距噴涂理論幾何模型

其中，為頂圓半徑，為底圓半徑，為圓錐高度，為艙段產(chǎn)品錐度，1為當(dāng)前噴射點(diǎn)所截圓半徑，Δ1為當(dāng)前噴射點(diǎn)所截圓與頂圓的半徑差，為當(dāng)前噴射點(diǎn)距離圓錐下底面的距離。各變量對(duì)應(yīng)關(guān)系如式（1）所示。

其中，2≤x+y≤2；≤≤。

以采用墨液噴射方向垂直于圓錐軸線的方式噴涂一個(gè)矩形輪廓為例。在艙段被噴射表面會(huì)形成四條交線（曲線），平行于底面的兩條線、和垂直于底面的兩條線、。如圖5中兩條粗曲線所示。

圖5 墨液噴射方向垂直于圓錐軸線構(gòu)型

圖6 艙段中噴射方向垂直于軸線幾何模型

如圖5、圖6所示，為底圓半徑，1為噴射點(diǎn)所在圓半徑，為噴射軌跡長(zhǎng)邊，為噴射軌跡短邊，為噴射軌跡長(zhǎng)邊在曲面上的投影的角度范圍，1為噴射點(diǎn)初始高度坐標(biāo)。依照?qǐng)D中各變量及其對(duì)應(yīng)關(guān)系，可獲得噴射軌跡所在平面和艙段被噴射表面的交線公式（3）。

由式（3）可推出，、上噴射點(diǎn)所形成的軌跡為式（4）所示。

其中，0≤≤/2=11+。

垂直于底面的長(zhǎng)方形向曲面水平投影，垂直于底面的兩條邊所形成交線、。按照以上算法，即可得到該交線的軌跡公式（5）。

其中，=±/21≤≤1+

4.2 垂直于艙段母線的等距噴涂方法

噴射軸線垂直于艙段母線（即型面的法線方向）時(shí)模型的建立要較上述簡(jiǎn)單。還是以噴涂一個(gè)矩形輪廓為例說明軌跡的計(jì)算方法，會(huì)得到四條交線（曲線），見圖7所示。構(gòu)建起如圖所示的數(shù)學(xué)模型，其中為底圓半徑，r為噴射點(diǎn)所在圓半徑，為噴射軌跡長(zhǎng)邊，為噴射軌跡短邊。

定義入射點(diǎn)1(1, -/2,1)、1(1,/2,1)，11中點(diǎn)1在平面內(nèi)投影點(diǎn)1' (, 0,)。

圖7 噴涂方向垂直度艙段表面的幾何構(gòu)型

有幾何關(guān)系可知，111'平面和艙段外形面形成的交線即為噴射線，而111'平面即為式（6）所示。同樣的方法可得出兩外幾條噴射線的解法。

5 數(shù)控自動(dòng)噴涂工藝調(diào)試與試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 噴涂設(shè)備硬件

5.1.1 機(jī)床

多軸加工中心可調(diào)整范圍大，可以滿足回轉(zhuǎn)體各尺寸范圍艙段的畫線定位。其主軸頭能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)體艙段型面上任何一點(diǎn)的法向姿態(tài)的調(diào)整。

圖8 自動(dòng)噴涂標(biāo)識(shí)平臺(tái)

5.1.2 噴涂裝置

噴涂裝置采用連續(xù)噴射式噴碼機(jī)。該型噴碼機(jī)噴涂速度高、噴印距離遠(yuǎn)，對(duì)噴頭的適應(yīng)性較廣。噴涂介質(zhì)采用快干型油墨，能夠達(dá)到1s內(nèi)固化。通過OEM定制，控制噴涂控制使能，從而通過控制噴涂出口墨量的大小使該型噴碼機(jī)對(duì)連續(xù)線條的標(biāo)識(shí)精度得以改進(jìn)，線條寬度約0.1mm，滿足零件定位位置線的標(biāo)識(shí)需求。

5.1.3 噴涂試驗(yàn)

由于復(fù)合材料艙段的變形，因此需要獲取實(shí)際艙段型面數(shù)據(jù)后再進(jìn)行編程處理。實(shí)測(cè)模型數(shù)據(jù)經(jīng)過仿真環(huán)節(jié)后生成自動(dòng)噴涂控制系統(tǒng)可用的XML數(shù)據(jù)，并生成所需要的MPF文件。仿真及噴涂效果如圖9、圖10所示。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，自動(dòng)標(biāo)識(shí)的零件位置線精度和人工畫線的精度完全一致，自動(dòng)標(biāo)識(shí)技術(shù)可以完全取代人工畫線的零件定位模式，可以避免人為導(dǎo)致的定位錯(cuò)誤或超差的質(zhì)量問題，提高艙段的裝配制造效率。

圖9 虛擬仿真視圖界面

圖10 回轉(zhuǎn)體艙段零件定位位置自動(dòng)標(biāo)識(shí)效果

6 結(jié)束語

傳統(tǒng)的通過畫線定位零件位置的方式已不能滿足產(chǎn)品裝配質(zhì)量一致性、裝配效率的需求，通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，本文所采用的自動(dòng)噴涂標(biāo)識(shí)零件位置的方法能夠?qū)崿F(xiàn)零件位置的準(zhǔn)確標(biāo)記。主要得到以下結(jié)論：

a. 將自動(dòng)噴涂標(biāo)識(shí)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)相集成，實(shí)現(xiàn)火箭艙段中零件位置定位標(biāo)識(shí)的自動(dòng)化。

b. 自動(dòng)化的等距標(biāo)識(shí)方法能夠?qū)崿F(xiàn)零件位置線的準(zhǔn)確性。

c. 具有回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的艙段產(chǎn)品，采用噴射出口垂直于產(chǎn)品軸線或母線（即型面的法線方向）的方式能夠保證等距噴涂效果，并能夠?qū)崿F(xiàn)和數(shù)控編程系統(tǒng)的有效結(jié)合。

d. 通過試驗(yàn)驗(yàn)證，自動(dòng)化的等距噴涂方法可以完全取代人工畫線的零件定位模式，可以避免人為質(zhì)量問題，大大提高艙段的裝配制造效率。

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Equidistance-spraying Method of Locating Identification for Revolving Components Assembly

Wang Xin1Guo Hongjun1Wang Aichun1Han Zhichang2Wang Juan2

(1. Aerospace Research Institute of Materials and Processing, Beijing 100076; 2. Representative office of Rocket Force, Beijing 100076)

The quality problems of revolving component assembly, especially including assembly accuracy consistency of the parts, are quality hidden perils existing in the assembly process. To this end, auto-spraying identification and NC are integrated into the assembly processing, and a new comprehensive equidistance-spraying method is proposed based on the analysis of influence factors of its precisions and geometric models. Finally, equidistance-spraying platform of locating identification is built. The experimental verification shows that the automatic equidistance-spraying method of locating identification can replace the traditional artificial lineation，and the conformity of assembly accuracy is improved.

automatic spraying；equidistance-spraying identification；locating of parts；assembly accuracy

王新（1985），高級(jí)工程師，復(fù)合材料及制造專業(yè)；研究方向：復(fù)合材料及其構(gòu)件先進(jìn)制造技術(shù)。

2018-02-26