運載火箭蒙皮自動鉆鉚法向測量試驗研究

雷斯聰 袁定新 朱忠良 錢 晨 趙維剛

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運載火箭蒙皮自動鉆鉚法向測量試驗研究

雷斯聰1袁定新2朱忠良1錢 晨1趙維剛2

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

針對基于激光測距傳感器的法向測量技術，在對復雜曲面孔位進行法向測量時存在原理性誤差的問題。為檢測該技術對曲面孔位法向的測量精度，設計并實施了一組對照試驗。結果表明，測量偏差隨著理論法向角度的增大而不斷增大，同時，當理論孔位法向范圍在±6°之內時，該技術所測法向偏差范圍在±0.4°之內。

自動鉆鉚；法向測量技術；曲面孔位；測量精度

1 引言

隨著機器人自動鉆鉚技術的迅速發展，孔位加工質量得到越來越廣泛的關注。研究表明，孔的垂直度是影響孔加工質量的重要因素之一[1]，若制孔垂直度較差，則孔徑會發生改變[2]，影響運載火箭蒙皮連接質量，導致裝配不穩定，從而降低運載火箭安全性與可靠性。因此，在機器人自動鉆鉚過程中，需對刀具與工件表面的垂直度進行實時測量并調整[3]，以滿足運載火箭裝配中對孔位垂直度的工藝要求（≤0.5°）。

為解決孔位垂直度檢測問題，國內外做了大量的研究工作，其中運用較為廣泛的是基于激光測距傳感器的法向測量技術[4]。該技術采用激光測距傳感器，配合自主研發的法向測量及標定算法，完成制孔過程中的高精度法向測量[5]。經以往試驗表明，運用該技術對平面孔位進行測量時，精度較高，滿足工藝要求。由于運載火箭蒙皮表面多為曲面，測量情況更為復雜，為了檢測該技術對曲面孔位法向的測量精度，同時為后續工程化應用提供試驗依據，有必要對基于激光測距傳感器的法向測量技術進行試驗研究。

2 基于激光測距傳感器的法向測量技術

2.1 基于激光測距傳感器的法向測量原理

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

建立如圖1所示笛卡爾坐標系-，根據幾何關系可得1、2、3、4在該坐標系下的坐標值。同時，利用向量叉乘計算四組微平面的法向量，將四組法向量加權平均，當待加工工件表面曲率較大時，可認為所求法向量為加工點處法向量。

圖1 法向測量原理圖

2.2 基于激光測距傳感器的法向測量誤差

對圖1進行簡化,將各點投影至平面，如圖2所示。可以看出,在對曲面表面進行法向量測量時，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。

通過幾何關系可知，誤差角度=2-1，其中1為理論法向角度，2為法向測量角度。并且1、2之間的關系通過代數式進行表達如下：下面的兩個公式，

同時，根據角度關系可知：

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

由上述表達式可以看出，當待加工工件回轉半徑保持不變時，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量精度要求，有必要對基于激光測距傳感器的法向測量精度進行試驗研究。

3 法向測量試驗

本文在對基于激光測距傳感器的法向測量誤差分析的基礎上，針對該技術在測量曲面孔位時的測量精度展開試驗研究。

3.1 試驗準備

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

由于激光測距傳感器缺乏精準的定位方法，實際位置和激光實際出射方向與理論值之間存在較大誤差。因此，本試驗采用相應的標定工具，對傳感器安裝位置進行標定，包括激光與基準平面的夾角、基準平面上的投影線與坐標軸的夾角、，傳感器出射點在參考坐標系下的坐標。具體標定參數如表1所示。

表1 傳感器標定結果

3.2 試驗方案

為排除其他因素對試驗結果的干擾，本試驗采用對照組試驗的方式，試驗曲面孔位法向測量精度。

3.2.1 平面孔位法向測量試驗

首先對平面孔位進行法向測量試驗，并將平面孔位試驗作為對照試驗。

首先，試驗根據法向測量原理及表1所示傳感器位置標定結果，編寫法向測量算法。其次，如圖3所示，將二維手動角度位移臺安裝至測量裝置下方，同時使二維手動角度位移臺轉動方向分別與軸、軸平行。最后，將矩形測量板安裝至二維手動角度位移臺上平面，手動調整二維手動角度位移臺的角度，使矩形測量板相對于主軸產生角度變化。

由于二維手動角度位移臺標注有刻度，每次調整之后便可知曉矩形測量板法向的理論值，將理論值與計算值進行比較，實現法向測量精度檢測。

圖3 平面孔位法向測量試驗

二維手動角度位移臺可繞兩個方向轉動，因此可帶動矩形測量板分別繞、軸旋轉，完成多組試驗。并根據工程經驗，理論孔位法向角度一般不超過±6°因此，通過平面孔位法向測量試驗可得具體數據如表2所示。

表2 平面孔位法向測量試驗數據 (°)

由表2可知，在測量平面孔位時，隨著理論法向角度的增大，偏差不斷增大。并且，當理論法向角度在±6°范圍內時，基于激光測距傳感器的法向測量技術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°，同時偏差范圍為0.018～0.155°。

3.2.2 弧面孔位法向測量試驗

為檢測基于激光測距傳感器的法向測量技術在測量弧面孔位時的測量精度，設計一弧形測量板。將精密滾珠絲杠固定至測量裝置下方，并使滑塊與主軸垂直，同時滑塊移動方向與軸平行。將弧形測量板安裝至滑塊上部，移動精密滾珠絲桿，根據弧形測量板的幾何尺寸以及空間幾何關系，計算主軸延長線與弧形面交點處的理論法向值，并將理論法向與計算值對比，得出偏差范圍。

所設計的弧形測量板半徑為600mm，精密滾珠絲杠的導程為5mm。因此，當精密滾珠絲桿轉動兩圈時，主軸延長線與弧形面交點處的理論法向值為：arcsin(10/600)=0.955。根據試驗方案所得具體試驗數據如表3所示。

表3 弧面孔位法向測量試驗數據 (°)

由表3可知，在測量弧面孔位時，隨著理論法向角度的增大，偏差不斷增大。在測量弧面孔位時，基于激光測距傳感器的法向測量技術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°，同時偏差范圍為0.036～0.336°。與平面孔位法向測量試驗進行對比可知，雖然運用該技術對曲面孔位法向進行測量時，偏差角度明顯增大，但測量精度仍滿足工藝要求。

4 結束語

本文通過平面孔位法向測量試驗、弧面孔位法向測量試驗，對基于激光測距傳感器的法向測量技術所測法向精度進行了檢測。結果表明：測量偏差隨著理論法向角度的增大而不斷增大，同時，當理論孔位法向范圍在±6°之內時，利用基于激光測距傳感器的法向測量技術所測法向偏差范圍在±0.4°之內。

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

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

3 楊燕勇.自動鉆鉚機控制系統關鍵技術研究與開發[D]. 南京航空航天大學,2016

4 應高明,王仲奇,康永剛,等.飛機壁板自動鉆鉚法向量測量方法研究[J].機床與液壓，2010，38(23)：1～4，8

5 王增翠，秦現生，白晶，等. 飛機壁板自動制孔法向測量算法研究[J].機械設計與制造，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目（17DZ2281000）。

雷斯聰（1994），碩士，機械電子工程專業；研究方向：電氣與自動化。

2018-03-12