復(fù)合材料艙體零件數(shù)控定位技術(shù)

王在鐸 趙 振 郭鴻俊 李 華 張 鑫

(1 海軍駐某軍事代表室，北京 100076)

(2 航天材料及工藝研究所，北京 100076)

0 引言

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比模量高、材料性能可設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航天結(jié)構(gòu)中越來越多的部段采用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)［1－2］。但由于航天系統(tǒng)中的復(fù)合材料部段結(jié)構(gòu)多為直徑小于Φ3.5 m回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，受開敞性限制，現(xiàn)有的很多數(shù)字化設(shè)備無法用于復(fù)合材料部段生產(chǎn)，目前復(fù)合材料部段大多采用手工裝配方式，安裝零件時(shí)將周向定位角度換算成弧長進(jìn)行手工劃線定位，然后根據(jù)劃線情況進(jìn)行艙段件的鉆孔、開窗口操作。采用此種人工作業(yè)方式效率低，且手工劃線精度難以保證、重復(fù)性差，存在工藝不穩(wěn)定性。而且為降低劃線寬度，裝配時(shí)大多采用金屬劃針進(jìn)行劃線定位，對復(fù)合材料表面會造成一定的損傷，隨著數(shù)字化制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及數(shù)控設(shè)備的大量普及，利用數(shù)字化裝配手段代替手工操作完成產(chǎn)品的加工和裝配是目前的發(fā)展趨勢［3－6］。本文開展復(fù)合材料艙段零件數(shù)控定位技術(shù)研究，提出以數(shù)控設(shè)備結(jié)合噴墨設(shè)備完成復(fù)合材料回轉(zhuǎn)體殼體安裝零件定位工作，根據(jù)零件安裝位置確定數(shù)控定位程序，為避免零件安裝位置錯(cuò)誤，開展噴涂虛擬仿真研究，虛擬仿真后通過噴墨機(jī)在殼體表面畫出零件的外形輪廓線確定零件位置，以此取代人工劃線定位零件的裝配模式。

1 數(shù)控定位軌跡優(yōu)化方法

1.1 軌跡優(yōu)化理論分析

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多為回轉(zhuǎn)體，根據(jù)噴墨機(jī)的工作特點(diǎn)可知，噴涂墨線的粗細(xì)會隨著墨液出射口到被噴涂表面的距離而發(fā)生變化。并且，當(dāng)噴槍水平或傾斜噴射時(shí)，由于墨液自重的影響，噴射會導(dǎo)致噴涂點(diǎn)下沉于目標(biāo)點(diǎn)。若采用非等距噴涂，則必須量化墨液噴射軌跡下沉對精度影響的定量關(guān)系。此過程較為復(fù)雜，不適宜實(shí)際應(yīng)用。而解決這一問題的最簡單辦法，則是使噴涂出射點(diǎn)與噴射目標(biāo)點(diǎn)的空間距離保持不變。因此提出針對此類回轉(zhuǎn)類結(jié)構(gòu)內(nèi)廓工件進(jìn)行等距離噴涂，以圓錐體為例對等距噴涂的理論及方法進(jìn)行研究，以此來保證墨線的寬度和定位的精度，如圖1所示。圖中實(shí)線所表示的圓錐面為實(shí)際待噴涂表面，虛線所表示的圓錐面為實(shí)線圓錐面的等距面，即噴槍出射口所形成的等距噴涂面。

以噴涂yz面內(nèi)正方形輪廓線為例，在理論噴涂圓錐面與等距圓錐面上分別形成abcd、a'b'c'd'兩個(gè)空間封閉曲線。其中，曲線 ab，cd，a'b'，c'd'為圓弧面，ad、bc、a'd'、b'c'為二次拋物線。雖然通過理論計(jì)算可求得這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)，但若想在圓錐表面噴涂yz面內(nèi)的正方形輪廓線，不可以用簡單的四個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行直線進(jìn)給噴涂，例如G01指令。對于ab、cd段輪廓線，可通過圓弧插補(bǔ)來完成。但對于ad、bc段二次曲線，則只能通過密化采樣點(diǎn)的辦法，通過增加型值點(diǎn)來控制等距噴涂的程度。型值點(diǎn)選取的疏密程度，取決于對噴涂距離誤差的寬容度，可通過弦高差方法評定。圖1中點(diǎn)P1為初始控制點(diǎn)，可等同于點(diǎn)a。點(diǎn)Pi為當(dāng)前計(jì)算點(diǎn)的坐標(biāo)，Pc為P1與Pi的中間點(diǎn)。Pc到直線P1Pi的距離即弦高差為h。令ε為設(shè)定的逼近精度，若h＜ε，則i+1→i，按下一采樣點(diǎn)計(jì)算h值，直到h≥ε時(shí)，將 Pi－1點(diǎn)坐標(biāo)列入記錄，進(jìn)而獲得數(shù)據(jù)點(diǎn)集［P］。從而可根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)集進(jìn)行微小直線段運(yùn)動噴涂，或者進(jìn)行空間樣條插補(bǔ)方式進(jìn)行噴涂軌跡運(yùn)動，封閉曲線abcd與a'b'c'd'并不等同，因此必須根據(jù)曲線abcd作為等距噴涂的基準(zhǔn)，若選擇等距面上的封閉曲線a'b'c'd'進(jìn)行零件定位則會造成誤差。

1.2 回轉(zhuǎn)體數(shù)控定位軌跡方程

對于圓錐類回轉(zhuǎn)體表面等距噴涂的實(shí)現(xiàn)方式，可分為以下兩種形式:墨液噴射方向垂直于圓錐軸線或者墨液噴射方向垂直于噴射目標(biāo)點(diǎn)所在圓錐母線。采用如上兩種噴涂方式，均可實(shí)現(xiàn)等距噴涂的效果。考慮到部分復(fù)合材料殼體內(nèi)表面存在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，為減小噴涂設(shè)備與殼體發(fā)生碰撞干涉問題，本文采用對墨液噴射方向垂直于圓錐母線的方式，如圖2所示。

以采用墨液噴射方向垂直于圓錐母線的方式噴涂矩形為例。平行于母線的矩形向曲面垂直投影，兩條水平邊投影所得交線如圖3中兩條紅色曲線所示。

圓錐回轉(zhuǎn)體沿軸線剖視圖，R1為頂圓半徑，R2為底圓半徑，a和b分別為矩形的長和寬，(x1，－a/2，z1)，(x1，a/2，z1)分別為矩形兩頂點(diǎn)坐標(biāo)，(x1，0，z1)，(x2，0，z2)分別為矩形兩長邊中點(diǎn)坐標(biāo)，(m，0，n)為長邊中點(diǎn)圓錐梯形上投影，如圖4所示。

向xz面投影得:

與之相垂直直線f方程為:

該線與曲面交于點(diǎn)c(m，0，n)。

曲面于xz面上投影為直線g，該直線方程為:

直線f與直線g交于點(diǎn)c，可求m，n:

已知不共線三點(diǎn)(x1，－a/2，z1)，(x1，a/2，z1)，(m，0，n)，可確定平面:

該平面與曲面交線即為所求軌跡方程。兩條豎直邊投影所得交線求解方法與兩條水平邊投影所得交線求解方法相同，不再冗述。

1.3 等距噴涂機(jī)床坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

對于圓錐形艙鍛件內(nèi)表面上水平直線的噴涂，其噴涂線實(shí)際為一段圓弧，通過幾何變換，計(jì)算出水平線起始點(diǎn)Ps與終止Pe點(diǎn)所對應(yīng)的坐標(biāo)，即可通過機(jī)床的圓弧插補(bǔ)來實(shí)現(xiàn)水平直線的噴涂。由于實(shí)際噴涂方向是垂直于復(fù)合材料殼體表面的，且與噴涂點(diǎn)存在一定距離，故在NC代碼生產(chǎn)前根據(jù)噴涂起始點(diǎn)和終點(diǎn)分別計(jì)算出各點(diǎn)相對應(yīng)的機(jī)床中心點(diǎn)位置坐標(biāo)。

設(shè)定點(diǎn)P1和P2分別為對應(yīng)起始點(diǎn)Ps與終止Pe的機(jī)床中心點(diǎn)，其坐標(biāo)分別為(x1，y1，z1，b1，c1) 和(x2，y2，z2，b2，c2)，b 和 c分別表示繞 y 軸和 z軸的旋轉(zhuǎn)軸。設(shè)機(jī)床中心到噴槍初射點(diǎn)的距離為L，噴涂距離為m，如圖5所示，由復(fù)合材料殼體尺寸參數(shù)可得出，b軸的旋轉(zhuǎn)角度z軸坐標(biāo)分別為:

將點(diǎn)P1沿豎直方向投影到起始點(diǎn)Ps所在的水平截面時(shí)，即得到了P'1。由于沿z軸方向投影，P1與P'1在x軸與y軸方向上坐標(biāo)值相同，如圖5所示，由此得出x軸、y軸、c軸坐標(biāo):

噴涂終點(diǎn)Pe所對應(yīng)的機(jī)床中心點(diǎn)位置坐標(biāo)計(jì)算方法與起點(diǎn)Ps所對應(yīng)的機(jī)床中心點(diǎn)位置計(jì)算方法相同。

2 數(shù)控定位系統(tǒng)

2.1 數(shù)控定位系統(tǒng)硬件連接

若想實(shí)現(xiàn)數(shù)控定位功能，必須通過數(shù)控系統(tǒng)與噴墨機(jī)的聯(lián)動控制，才能實(shí)現(xiàn)定位過程快速高精度運(yùn)行。即可通過數(shù)控加工代碼，控制運(yùn)行軌跡，同時(shí)控制噴墨機(jī)是否噴涂，以及控制噴涂墨量的大小。因此，要求數(shù)控系統(tǒng)與噴墨機(jī)的信號連接至少具備一路開關(guān)量。若噴涂墨量大小可控，則還需要增加一路模擬量通訊接口。選擇西門子PLC作為數(shù)字控制系統(tǒng)與噴墨機(jī)連接的橋梁，如圖6所示。

通過NCU模塊執(zhí)行噴涂代碼，驅(qū)動伺服電機(jī)執(zhí)行插補(bǔ)動作。與此同時(shí)，NCU對PLC實(shí)時(shí)發(fā)送控制指令，包括噴涂使能信號與噴墨量大小。可編程邏輯控制單元PLC將指令發(fā)送給信號輸出模塊SM322與SM332，分別進(jìn)行單路數(shù)字量輸出與單路模擬量輸出。

2.2 數(shù)控軌跡虛擬仿真

為避免零件干涉以及零件安裝位置及其方向錯(cuò)誤，需要對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬仿真。為使系統(tǒng)準(zhǔn)確直觀的模擬劃線軌跡環(huán)境，采用Open GL技術(shù)作為仿真系統(tǒng)的底層工具，模擬在殼體表面數(shù)控運(yùn)行軌跡，仿真過程以動畫模擬具體繪制過程，首先在后臺內(nèi)存區(qū)繪制艙段裝配圖，其次將軌跡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Open GL數(shù)據(jù)，并計(jì)算劃線過程動畫速度以及噴頭位置，最后將指定動畫軌跡繪入后臺內(nèi)存區(qū)，將后臺內(nèi)存圖像顯示在前臺，重復(fù)上述步驟，完成動畫仿真過程。結(jié)果如圖7所示。

2.3 定位程序設(shè)計(jì)與生成

系統(tǒng)硬件連接、PLC及HMI操作界面程序規(guī)劃完成后，設(shè)備已經(jīng)具備所需的零件安裝位置定位功能，此時(shí)需要對設(shè)備運(yùn)行路徑進(jìn)行規(guī)劃，編寫控制機(jī)床運(yùn)動以及PLC工作的NC宏程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)噴涂畫線功能。本文選用西門子高級編程中的同步動作指令，實(shí)現(xiàn)位置輪廓線噴涂功能。

同步動作的執(zhí)行以實(shí)時(shí)方式進(jìn)行，西門子插補(bǔ)時(shí)間周期為1～2 ms，因此可完全滿足噴碼機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)調(diào)度與配合噴涂作業(yè)。以實(shí)例說明同步動作功能在噴涂系統(tǒng)中的實(shí)際使用方法:

ID=1 WHENEVER FA［X］=0 DO OUTD［1］=0

ID=1表示第一段同步動作程序;FA［X］表示當(dāng)前插補(bǔ)周期內(nèi)，x軸的速度為0，即x軸不動作;OUTD［1］對應(yīng)PLC數(shù)字量輸出模塊某一數(shù)字量輸出位地址;OUTD［1］=0表示當(dāng)前為低電平，即停止噴涂;則上述同步動作程序表示，只要當(dāng)x軸停止動作，則停止噴墨。

ID=2 WHENEVER FA［X］＞0 DO OUTA［1］=FA［X］*K

ID=2表示第二段同步動作程序;FA［X］表示當(dāng)前插補(bǔ)周期內(nèi)，x軸的速度;OUTA［1］對應(yīng)PLC模擬量輸出模塊某一模擬量輸出通道地址;則上述同步動作程序表示，OUTA［1］與FA［X］成線性關(guān)系，即噴涂過程中，軸的移動速度與噴墨量成正比，這樣即可保證噴涂墨線的粗細(xì)均勻，不會因?yàn)椴逖a(bǔ)程序的加減速控制帶來的速度變化，造成減速區(qū)域形成墨滴。

3 驗(yàn)證仿真效果

為驗(yàn)證數(shù)控定位效果，通過數(shù)控設(shè)備結(jié)合噴碼裝置構(gòu)建數(shù)控定位系統(tǒng)，在實(shí)際操作過程中，先將復(fù)合材料艙體裝配零件位置信息轉(zhuǎn)換為XML數(shù)據(jù)，然后XML數(shù)據(jù)通過數(shù)控定位系統(tǒng)嵌在西門子Simumerik 840D中的軟件部分，生成可用的MPF運(yùn)行文件，直接控制噴碼裝置噴涂，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料殼體表面零件輪廓位置的噴涂標(biāo)記，實(shí)際噴涂效果如圖8所示，經(jīng)測量零件定位精度可以達(dá)到±0.1 mm，滿足設(shè)計(jì)要求值，相對手動劃線精度行得到大幅提升。

4 結(jié)論

面向航天復(fù)合材料殼段裝配特點(diǎn)，提出結(jié)合數(shù)控設(shè)備及噴涂設(shè)備實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料部段零件數(shù)控定位方案，達(dá)到了對復(fù)合材料殼體裝配零件進(jìn)行準(zhǔn)確定位的目標(biāo)，提升了復(fù)合材料殼體裝配精度和一致性，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)數(shù)字化裝配奠定了基礎(chǔ)。

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