回轉體艙段中零件位置等距噴涂標識定位方法

王 新 郭鴻俊 王愛春 韓志昌 王 娟

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回轉體艙段中零件位置等距噴涂標識定位方法

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）

針對回轉體艙段中零件安裝定位位置裝配精度一致性不好，存在質量隱患等問題，將自動噴涂標識技術和數控技術集成，通過等距噴涂標識精度影響因素分析、回轉體結構的等距噴涂幾何模型構建，提出了等距噴涂標識方法，構建了零件定位位置自動噴涂標識平臺。通過試驗驗證表明，自動化等距噴涂標識技術能夠取代傳統的人工畫線進行零件定位的方式，滿足零件裝配精度要求，提高零件裝配質量的一致性。

自動噴涂；等距噴涂標識；零件定位；裝配精度

1 引言

一種航天回轉體結構艙段中安裝有大量支架類零件，目前主要采用人工畫線或專用定位裝置的方式進行零件定位，使其符合設計準確度和互換協調要求[1]。傳統的手工畫線方法基本依賴工人的技術水平，精度難以保證、重復性差、工藝穩定性較差，導致產品裝配質量一致性不好。

近些年來，隨著數字化、自動化技術的不斷深入研究和應用，柔性裝配技術、光學視覺識別技術、數字化調姿技術、激光輪廓投影技術等逐漸代替了上述傳統的方法[2～9]。但上述技術應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，回轉體艙段由于其自身結構的特殊性，如空間不開敞、零件種類多等特點，不利于上述技術的實現。

為解決零件手工畫線定位所產生的問題，將自動噴涂標識技術和數控技術相集成，通過質量關聯參數的信息反饋，輔助零件位置輪廓線、中心位置線的自動標識，將原有的手工畫線定位的方式改進為自動噴涂標記的定位方式，能夠在實際中得到有效應用。

2 零件自動標識定位方案及平臺搭建

回轉體艙段一般為大直徑薄壁圓柱型、圓錐型或其近似體結構。為滿足零件位置其在艙壁上的標識，以龍門式多軸加工中心平臺，搭建起以加工中心主軸頭和噴碼機為主的噴涂系統架構。

噴涂裝置出口距離被噴涂表面差異較大時，會產生標記墨線粗細不均的情況，或者出口方向和被噴涂表面法向不盡一致時，產生的線條粗細、位置也有差別，給零件的標識精度帶來問題。因此采用自動化的噴涂方法時需要以等距噴涂方式進行，即保證噴涂出口與目標點的空間距離保持不變。

3 回轉體艙段的等距自動噴涂標識精度分析

3.1 影響噴涂精度的因素分析

噴涂精度的評價指標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、距離以及噴涂點的方向相關。噴涂速度越低、噴涂距離越遠，線條的寬度就約大，反之愈小。就零件定位精度而言，越細的噴墨線條寬度對零件定位的準確度越高。影響線條寬度指標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的方向、距被噴射面距離、噴涂點的數控定位精度等相關。當被標識部件為圓錐體時，噴嘴的方向處于非法向且距離較遠時，由于噴涂介質的自重影響，會導致噴涂實際點下沉于理論位置點，造成噴涂位置產生偏差。

由于艙段產品為非平面結構，采用機械數控方式驅動噴頭噴涂時，上述條件中最易發生變化的是噴涂的距離。而由上述關系可知，若噴涂的速度、方向一定的情況下，當噴涂的距離發生變化即非等距噴涂時，若要保證噴涂的質量則必須計算出墨液噴射軌跡由于自重的偏差量對精度影響的定量關系。而評價兩者之間的關系較為復雜，而且受實際情況的影響較大，不適宜實際使用。

綜上所述，為達到噴涂線條寬度、精度等指標，必須控制噴射點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，即實現等距噴涂，以達到最優的噴涂標記質量。

3.2 等距噴涂中非規則曲線的數控軌跡分析

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

圖1 近圓錐面內廓形面噴涂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（實際為噴槍出口點形成的軌跡）上分別形成''''兩個空間封閉曲線。其中，曲線''''為該截面圓上的弧線，''''為近圓錐面的不規則曲線。在數模中能夠通過計算快速得到這些理論點在艙段坐標系下的空間位置坐標，但是采用數控驅動時，若采用簡單的四點連線的方式進行軌跡移動形成矩形輪廓，而被噴涂表面為不規則曲面，因此達不到立項的噴涂效果。

圖2 等誤差型值點選取

對于規則圓弧曲線來說，通過數控系統中簡單的數控插補方法實現等距噴涂；但對于這種非規則曲線的運行軌跡的精度控制，采用插補是遠遠不夠的，最好的辦法是通過加密采樣點，通過加密曲線上關鍵型值點控制等距的程度，使理論軌跡距實際被噴涂面近似等距。采樣點（或關鍵型值點）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，影響數控系統的反饋速度，計算量較大。在這里引入型值點的弦高以評價點的密集程度，如圖2所示。圖中1點為''或''上任意點，如點'，Q為軌跡移動的下一點，2為1和Q的中間過渡點。1和Q之間能夠形成一條直線軌跡，若不做處理，則會形成的差值，造成理論和實際型面不等距。引入作為密集度值，若＜，則Q+1→Q；按Q+1點再次評價和關系，直至≥時，確定Q+的坐標值位置，進而形成完成曲線上的數據點集[]，該點集即為理論行走軌跡。

4 回轉體艙段內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體艙段為例（如圖3所示），介紹其內表面的等距噴涂方法及噴涂點的軌跡計算方法，為驅動多軸聯動機床編程做指導。由前述分析可知，在圓錐體表面實現等距噴涂有兩種方式：噴射軸線垂直于艙段回轉軸線或噴射軸線垂直于艙段母線（即型面的法線方向）。

圖3 圓錐體艙段構型

4.1 垂直于回轉軸線的等距噴涂方法

首先以噴射軸線垂直于艙段回轉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，為艙段產品錐度，1為當前噴射點所截圓半徑，Δ1為當前噴射點所截圓與頂圓的半徑差，為當前噴射點距離圓錐下底面的距離。各變量對應關系如式（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矩形輪廓為例。在艙段被噴射表面會形成四條交線（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為噴射點所在圓半徑，為噴射軌跡長邊，為噴射軌跡短邊，為噴射軌跡長邊在曲面上的投影的角度范圍，1為噴射點初始高度坐標。依照圖中各變量及其對應關系，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，、上噴射點所形成的軌跡為式（4）所示。

其中，0≤≤/2=11+。

垂直于底面的長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）時模型的建立要較上述簡單。還是以噴涂一個矩形輪廓為例說明軌跡的計算方法，會得到四條交線（曲線），見圖7所示。構建起如圖所示的數學模型，其中為底圓半徑，r為噴射點所在圓半徑，為噴射軌跡長邊，為噴射軌跡短邊。

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

圖7 噴涂方向垂直度艙段表面的幾何構型

有幾何關系可知，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 數控自動噴涂工藝調試與試驗驗證

5.1 噴涂設備硬件

5.1.1 機床

多軸加工中心可調整范圍大，可以滿足回轉體各尺寸范圍艙段的畫線定位。其主軸頭能夠實現回轉體艙段型面上任何一點的法向姿態的調整。

圖8 自動噴涂標識平臺

5.1.2 噴涂裝置

噴涂裝置采用連續噴射式噴碼機。該型噴碼機噴涂速度高、噴印距離遠，對噴頭的適應性較廣。噴涂介質采用快干型油墨，能夠達到1s內固化。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對連續線條的標識精度得以改進，線條寬度約0.1mm，滿足零件定位位置線的標識需求。

5.1.3 噴涂試驗

由于復合材料艙段的變形，因此需要獲取實際艙段型面數據后再進行編程處理。實測模型數據經過仿真環節后生成自動噴涂控制系統可用的XML數據，并生成所需要的MPF文件。仿真及噴涂效果如圖9、圖10所示。經過實際驗證，自動標識的零件位置線精度和人工畫線的精度完全一致，自動標識技術可以完全取代人工畫線的零件定位模式，可以避免人為導致的定位錯誤或超差的質量問題，提高艙段的裝配制造效率。

圖9 虛擬仿真視圖界面

圖10 回轉體艙段零件定位位置自動標識效果

6 結束語

傳統的通過畫線定位零件位置的方式已不能滿足產品裝配質量一致性、裝配效率的需求，通過理論分析和試驗驗證，本文所采用的自動噴涂標識零件位置的方法能夠實現零件位置的準確標記。主要得到以下結論：

a. 將自動噴涂標識技術和數控技術相集成，實現火箭艙段中零件位置定位標識的自動化。

b. 自動化的等距標識方法能夠實現零件位置線的準確性。

c. 具有回轉體結構的艙段產品，采用噴射出口垂直于產品軸線或母線（即型面的法線方向）的方式能夠保證等距噴涂效果，并能夠實現和數控編程系統的有效結合。

d. 通過試驗驗證，自動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），高級工程師，復合材料及制造專業；研究方向：復合材料及其構件先進制造技術。

2018-02-26