一種雙步調節的航天器管路裝夾工裝設計

周 奇，趙 婕，趙 越，李 凱，趙長亮，樊福欣，宿 振，黃 鑫，韓 翠

(中國航天科技集團公司五院529廠，北京 100094)

航天器管路產品是推進分(子)系統、環控生保系統、熱控系統等關鍵分系統的核心部件，管路產品的質量直接決定了航天器的定位精度、運行穩定性和在軌壽命，各系統管路的空間走向復雜，幾何精度要求高。各系統的設備儀器布局復雜而緊促，管路需在設備儀器之間狹窄的縫隙中穿行，管路組件制作精度誤差較大時就會與設備儀器干涉，影響裝配進度[1]。

利用三維掃描方式對管路產品進行三維掃描，能夠實現基于三維模型的管路數據快速提取，以及彎曲角度、旋轉角度、直線段的長度及端到端距離和走向快速檢測。目前，在管路三維檢測過程中仍存在較多的亟需改進的環節，沿用現有工裝設備無法滿足型號數量增加及多型號并行發展趨勢。

因此，本文根據目前管路產品掃描測量過程中存在的固定困難、組卡搭建效率低等問題，提出設計一種管路裝夾輔助工裝，保護管路表面質量的同時，利用裝夾輔助工裝達到掃描測量過程的高效化，以使測量過程效率大幅提升，滿足后續管路的批量生產，確保型號任務的順利完成。

1 目前裝夾方案及存在的問題

管路產品一般為鋁合金制品，具有弱剛度、易變形等特點，因此跟蹤儀、關節臂等接觸式測量方式容易使管路產品因受力而引起位置及姿態的變化[2]。三維掃描檢測為非接觸測量，掃描測量時管路產品姿態保持不變，裝夾或放置后產品周圍有足夠的空間進行多方位的掃描。

目前三維掃描測量時管路產品裝夾方案包括如下2種：1)直接放置于虎鉗或平臺上；2)根據管路實際走向及長度現場搭建組夾工裝[3-4]。

直接放置于虎鉗或平臺上僅適用于單管，且此時無法采集所需要的全部三維數據信息。較長較復雜的管路組件由于管接頭位置多樣，方向各異，接口關系復雜(如柱塞接頭、三通、角通等)，管路組件需裝夾在組夾平臺上[5]，掃描檢測前組夾按需搭建，仍無法避免裝夾時與管連接件相互干涉，需改變裝夾位置進行補充掃描，操作繁瑣效率低，已成為制約管路產量的癥結所在。除此之外，現有組卡都是金屬材質，處理不當會影響管路表面質量。

2 管路三維掃描裝夾方案

針對管路三維掃描檢測過程中的裝夾問題，提出一種管路裝夾方案，即設計一種管路裝夾輔助工裝，通過輔助工裝可實現如下功能。

1)管路組件快速裝夾。根據管路組件的實際直徑、長度、走向、管接頭位置及角度快速搭建，管路裝夾輔助工裝可以實現φ4～φ30 mm直徑管路的裝夾，長度過長時可以使用多個工裝，根據現場情況手動優化并進行裝夾姿態調整，實現管路組件的無應力裝夾[6-7]。

2)管路組件裝夾高度靈活調節。通過在管路組件裝夾工裝下增加底部伸縮支撐桿，實現工裝高度靈活調節，支撐桿與裝夾工裝通過萬向球連接，實現裝夾位置及底部支撐位置的靈活調整，同時可以增加掃描活動范圍，避免遮擋[8]。

3)管路組件表面保護。采用非金屬材質，利用3D打印技術對裝夾工裝完成實物實現，3D打印材料為PLA，避免裝夾工裝與管路接觸時對管路表面造成破壞。

3 管路三維掃描裝夾輔助工裝設計

3.1 裝夾裝置的組成部分

管路三維掃描裝夾方案可以實現不同直徑、走向、長度的管路裝夾，管路三維掃描裝夾輔助工裝主要包括磁力底座、伸縮支撐立桿、裝夾頭等3個主要部分構成(見圖1)。磁力底座可以保證裝夾裝置在工作臺面上X、Y平面內任意位置的穩固安放，伸縮桿用于調節高度Z，裝夾頭與伸縮桿之間由萬向球連接，能夠實現裝夾頭的旋轉和擺動。

3.2 裝夾頭的結構設計

根據管路產品的直徑尺寸要求，裝夾裝置的裝夾范圍為φ4～φ30 mm，由于裝夾直徑跨度較大，采用單一調節裝置無法一次性滿足，因此設計雙步調節裝夾頭[9]。

將φ4～φ30 mm按管路產品的直徑尺寸分為φ16～φ30 mm大徑管和φ4～φ16 mm小徑管。對φ16～φ30 mm大徑管采用圖2a所示的大徑管裝夾方式，即滑動塊型面與上夾塊型面貼合，通過旋轉壓緊螺母上夾塊繞轉軸1(見圖1)旋轉，上夾塊與下夾塊發生相對運動將大徑管夾緊，壓緊螺母的擰緊力矩為9～11 N·m。對于φ4～φ16 mm小徑管采用圖2b)所示的小徑管裝夾方式，即壓緊螺母保持鎖緊狀態，旋轉調節螺栓2(見圖1)推動滑動塊向下運動，將小徑管夾緊。

圖1 裝夾裝置示意圖

圖2 不同管徑的裝夾方式

3.3 裝夾頭V形槽角度和尺寸計算

φ16～φ30 mm大徑管裝夾時，通過壓緊螺母和調節螺栓進行調節，其調節范圍較大，V形槽角度和尺寸對管徑上限限制較小。φ4～φ16 mm小徑管裝夾時，為滿足裝夾頭結構緊湊的要求，管徑下限為結構設計的邊界條件。

裝夾頭最小裝夾需要下夾頭V型槽與滑動塊能夠貼合φ4 mm管外徑(見圖3a)，當滑動塊升到最頂端時滑塊形面與上夾頭型面重合，此時能夠貼合φ16 mm外徑(見圖3b)。

圖3 不同管徑的裝夾示意圖

由圖3所示的幾何關系，可以建立方程組，求解后可得V型截面的尺寸參數：

(1)

4 裝夾裝置3D打印快速實現

裝夾頭與零件發生直接接觸，為了避免劃傷零件表面，材料需選用非金屬材料，并采用FDM 3D打印技術進行快速成型。

4.1 FDM 3D打印原理

FDM 3D打印是一種快速成型技術，所用材料一般是熱塑性材料，如PLA塑料、ABS塑料、尼龍、蠟或低熔點金屬絲等，材料在噴頭內被加熱熔化。以三維數字模型為基礎，應用特定軟件將三維數模沿厚度方向分割成若干個二維層面，噴頭沿每個二維層面輪廓運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結，通過逐層打印的方式來構造物體的三維結構。由于其特有的增材制造特性，具有響應迅速、生產周期短、價格低廉和成型能力極強等特點。

4.2 裝夾裝置3D打印實現

本文所述裝夾頭使用北京衛星制造廠有限公司生產的型號為XGM～5C的桌面3D打印機，該打印機最大打印范圍為200 mm×200 mm×200 mm，Gcode類型RepRap(Marlin/Sprinter)，出絲最小直徑為0.1 mm，具備較高的加工精度，常用的打印材料包括丙烯腈～丁二烯～苯乙烯共聚物(acrylonitrile～butadiene～styrene，ABS)或者聚乳酸(polylactic acid，PLA)。本文所述裝夾頭采用直徑1.75 mm的PLA線材進行3D打印。三維模型應用Cura軟件進行切片處理。

裝夾頭3D打印參數見表1，打印時在懸空位置添加網狀支撐結構。

表1 打印參數表

按照表1參數打印裝夾頭共耗時5.5 h。由于在上夾頭需要螺接壓緊螺母，采用PLA材料打印的內螺紋可靠性差，因此在3D打印后的螺紋孔中安裝鋼絲螺套，可有效解決3D打印零件的螺紋安裝問題。

5 管路三維掃描試驗驗證

圖4a所示為使用3D打印裝夾頭對管路的裝夾效果，圖4b所示為使用雙步管路裝夾工裝裝夾后管路產品的三維掃描試驗現場。現場試驗結果表明，通過使用管路三維掃描裝夾輔助工裝，可滿足φ4～φ30 mm直徑管路組件裝夾要求。此工裝裝夾不受行程限制，在測量儀器的范圍內可隨意擺放。很好地保證了管路組件在測量時方向的任意調整，夾緊后保證自然狀態下管路組件姿態保持不變，具有良好的穩定性。3D打印的塑料材質，避免了裝夾時對產品造成磕傷、劃傷現象，大大加強了對管路組件的測量時的保護，降低了操作風險的同時極大地提高了測量效率。

a)3D打印裝夾頭裝夾效果

b)雙步管路裝夾工裝裝夾現場

6 結語

通過測量實踐，在對管路傳統裝夾方案及問題分析的基礎上，提出了設計一種雙步調節工裝，對工裝裝置組成、結構設計、3D打印實現進行了闡述，對管路測量現場裝夾應用效果進行了介紹。目前該管路裝夾工裝已應用到多個型號管路產品的三維檢測中，具有很強的適用性和實用性。該管路裝夾工裝的應用能大幅降低操作者的工作強度，提高管路產品三維掃描檢測效率，使檢測過程簡便、快捷、高效，滿足后續管路產品批量化研制需求，同時也可以推廣至管路自動焊接時的姿態調整，具有較強的推廣價值。