基于機器人系統的拼焊型導管數字化取樣制造技術研究

李金全 劉景鐸 白景彬 肖長源 馬麗翠 潘建華

基于機器人系統的拼焊型導管數字化取樣制造技術研究

李金全 劉景鐸 白景彬 肖長源 馬麗翠 潘建華

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

在運載火箭中，由于箭體的制造誤差、發動機的制造和裝配誤差以及各組件的裝配累積誤差等原因，造成連接這些部位的導管必須根據箭上實際裝配空間開展產品制造方可保證其在箭體上的精確對接裝配。本文針對這種類型的拼焊型導管，開展了基于機器人系統的數字化取樣制造技術研究，通過掃描測量獲取導管在箭體上的實際裝配空間，并采用基于機器人的柔性裝配測量系統進行復現，基于此實現在導管制造車間內模擬箭體總裝現場的取樣制造，最后通過掃描導管三維實體模型進行導管在箭體三維模型中的模裝，實現導管制造精度的驗證，確保導管在箭體上的精確對接裝配。

拼焊型導管；數字化取樣；三維測量；精確對接裝配；柔性裝配

1 引言

運載火箭的研制水平及運載能力是國家開發和利用外太空能力的直接體現，是航天事業發展的基礎[1，2]。運載火箭的增壓輸送系統管路被稱為“血管”系統，主要起燃料輸送、增壓、測壓和吹除等作用，對型號的飛行成敗起決定性的作用[3，4]。其中，拼焊型導管多屬于中大直徑導管，制造周期較長、補償量較小，保障其在箭體上的精確對接裝配具有較大的難度[5～7]。因此，拼焊型導管分兩大類：一是根據圖紙理論尺寸制造能滿足箭上裝配要求的拼焊型導管，二是必須根據箭上實際裝配空間制造方可滿足箭上精確對接裝配的拼焊型導管。

由于運載火箭箭體的制造誤差、發動機的制造和裝配誤差以及各組件的裝配累積誤差等原因，導致部分拼焊型導管必須根據箭體上的實際裝配空間制造方可滿足精確對接裝配的要求[8，9]。在現役的運載火箭中，此類拼焊型導管通常采用現場實物取樣制造的生產模式，當總裝進行到相應部段后開展導管的現場實物取樣，然后返回制造車間進行導管制造，再到總裝車間試裝，能滿足裝配要求后再返回制造車間進行后續的性能檢測，最后交付總裝車間開展后續總裝。然而，CZ-5/CZ-7等新一代運載火箭的增壓輸送系統管路產品采取京津異地生產和總裝的生產組織模式，增加了現場實物取樣的執行難度和資源浪費；現役運載火箭的高密度發射，急需實現拼焊型導管的精確制造和高效制造，需要改變傳統現場實物取樣的“串行制造”模式而實現“并行制造”模式以縮短總裝等待時間。此外，隨著運載火箭的研制逐步進入數字化設計和數字化制造的新階段，通過人工的方式進行現場實物取樣已經不適應運載火箭數字化制造的發展趨勢；隨著重型運載火箭的研制進入關深階段，型號研制的技術儲備也正式進入實質性階段，箭體結構的顯著增大也造成不再具備現場實物取樣的條件。

因此，本文以運載火箭中的典型拼焊型導管為研究對象，開展基于機器人系統的拼焊型導管數字化取樣制造技術研究。通過掃描測量導管在箭體上的實際裝配空間，采用基于機器人的柔性裝配測量系統實現實際裝配空間的復現從而開展模擬現場的數字化取樣制造，取代現場實物取樣，實現拼焊型導管在相應連接部組件對接前即可提前開展并行制造，同時確保導管在箭體上的精確對接裝配，縮短總裝等待周期、提高總裝效率。

2 研究對象及總體方案

如圖1所示，煤油輸送管是連接煤油箱底法蘭和發動機啟動閥實現燃料輸送的管路，四根煤油輸送管供給四臺發動機，主要由法蘭、活套環、半邊管、傳感器接頭和補償器等部分組成，是最典型的拼焊型導管。導管在焊接部位的厚度為1.0～1.5mm，對接精度要求較高；同時，為了滿足煤油輸送管在飛行過程中的服役性能，需要實現低應力裝配，即要求導管具有較高的整體制造精度以防在箭體上裝配后存在較大的裝配預應力。

圖1 煤油輸送管的結構特點及其在箭體上的裝配空間

根據煤油輸送管的結構特點以及數字化取樣制造的特點，制定了拼焊型導管基于機器人系統的數字化取樣制造技術方案，如圖2所示。采用三維掃描測量的方式獲取導管在箭體上的實際裝配空間，通過基于機器人系統的導管柔性裝配測量系統復現導管在箭體上的實際裝配空間，從而實現在導管制造車間開展模擬現場取樣制造，然后在復現的空間上試裝導管并初步驗證導管的制造精度，最后掃描獲取完成制造和性能檢驗的導管的三維實體模型并在箭體及發動機的三維實體模型中進行模裝，最終驗證導管制造精度以確保導管的精確對接裝配。

圖2 典型拼焊型導管煤油輸送管的數字化取樣制造技術方案

3 拼焊型導管箭上實際裝配空間的獲取

為了實現煤油輸送管的并行制造，達到縮短總裝等待時間、提高總裝效率的目的，煤油輸送管的箭上實際裝配空間位置的測量是在箱體與發動機對接前進行。因此，根據煤油輸送管是連接煤油箱底法蘭和發動機啟動閥的特點，導管箭上實際裝配空間的測量可以分別掃描測量煤油輸送管在箱底安裝法蘭的空間坐標以及在發動機啟動閥處安裝法蘭的空間坐標，然后以發動機和箭體的對接面作為共同的基準面建立坐標系進行發動機與箭體的模擬對接，從而獲得導管在箭體上的實際裝配空間。由于導管在箭體上的實際裝配空間的獲取過程是基于箱體和發動機的實測，因而可以消除制造誤差及裝配誤差造成的影響，可以有效地保證導管在箭體上的精確對接裝配。如圖3所示，是導管在箭體上的實際裝配空間的獲取過程。

圖3 導管在箭體上的實際裝配空間的獲取過程

在測量過程中，采用便攜式三坐標與三維掃描相結合的方式。通過在箱底、對接面以及發動機機架上布置少量的定位標靶，通過大空間定位系統Maxshot建立測量場并形成高精度的定位框架，然后采用便攜式三坐標Handyprobe對發動機與箱體的對接面和對接孔、煤油輸送管在箱底的安裝法蘭的端面和內孔以及煤油輸送管在發動機啟動閥的安裝法蘭的端面和內孔進行幾何量的測量并獲得空間坐標，最后采用便攜式三維掃描儀MetraScan掃面安裝法蘭以及與安裝法蘭關聯的附近箱底和發動機以獲取三維實體模型。在空間坐標測量過程中，以發動機與箱體的對接面為基準面，以對接面的法向為軸正向，以對接安裝孔擬合的分度圓圓心為坐標原點，以貯箱的第Ⅰ象限指向為軸正向，建立坐標系，即可以獲得煤油貯箱所測要素的空間坐標系總圖以及發動機所測要素的空間坐標系總圖，從坐標系總圖中可以提取煤油箱底上裝配煤油輸送管的法蘭中心的空間坐標值和法向量值以及發動機啟動閥處裝配煤油輸送管的法蘭中心的空間坐標值和法向量值。由于測量過程以共同的安裝對接面為基準面，因而可以通過安裝法蘭中心的空間坐標值和法向量值進行坐標轉化計算出煤油輸送管在箭體上的實際裝配空間。同時，也可以根據測量過程中掃描獲取的箱體和發動機的三維實體模型，以對接面為基準面進行模擬對接裝配，以煤油輸送管的一端安裝法蘭的中心為坐標原點建立新的坐標系，在新坐標系下即可直接讀取另一端安裝法蘭的空間坐標?；诖?，即可以完成煤油輸送管基于空間坐標的數字化模擬取樣制造。如表1所示，是四個象限的煤油輸送管在箭體上的實際裝配空間坐標及法向量值。

表1 四個象限的煤油輸送管在箭體上的實際裝配空間坐標及法向量值

4 基于機器人系統的拼焊型導管數字化取樣制造

煤油輸送管的數字化取樣過程實際是以數字量傳遞的方式實現導管基于箭上實際裝配空間開展取樣制造的過程，因而導管在箭體上的實際裝配空間坐標的測量數據是開展導管制造的基礎，通過基于機器人系統的導管柔性裝配測量系統實現導管在箭體上的實際裝配空間的復現，從而開展煤油輸送管的模擬現場取樣制造和裝配驗證。

圖4 基于機器人系統的導管柔性裝配測量系統

如圖4所示，是基于機器人系統的導管柔性裝配系統。該系統以機器人系統為主體，并且設置工作平臺和小工作臺，其中，工作平臺用以操作和支撐等作用，而小工作臺則作為導管裝配的基準坐標。以小工作臺上的氣動卡盤端部夾持法蘭的端面中心為坐標原點形成工件坐標系，該氣動卡盤夾持煤油輸送管連接發動機啟動閥一端的安裝法蘭；機器人末端上氣動卡盤夾持法蘭的端面中心作為導管另一端的定位點，即定位煤油輸送管連接箱底法蘭一端的安裝法蘭。將表1中的空間坐標值輸入人機交互軟件界面，通過機器人手臂末端執行器即可以實現導管在箭體上的實際裝配空間的復現。完成導管在箭體上的實際裝配空間的復現以后，即可據此開展導管的模擬現場取樣制造。如圖5所示，是在基于機器人系統的導管柔性裝配測量系統上開展模擬現場取樣制造的過程。首先根據圖紙和裝焊工裝進行導管的制造并且留出最后需要取樣和修配的一段半邊管，然后在基于機器人系統的導管柔性裝配測量系統的小工作臺和機器人末端執行器上通過氣動卡盤分別裝卡導管的兩端法蘭盤，最后調整導管兩端的部位以及中間待取樣修配的半邊管以保證半邊管的兩端對接均滿足焊接的要求后實施定位點焊和整圈焊縫的連續焊接，從而完成煤油輸送管的模擬現場取樣制造。

圖5 基于導管柔性裝配測量系統開展導管模擬現場取樣的過程

為了初步驗證煤油輸送管的制造精度是否滿足箭上對接裝配的要求，可以在基于機器人系統的導管柔性裝配測量系統復現的導管箭上實際裝配空間上，試裝完成焊接形成整管的煤油輸送管，通過兩端法蘭與氣動卡盤的夾持端面是否存在間隙判斷是否滿足箭上裝配的要求。由于導管柔性裝配測量系統復現的導管箭上實際裝配空間是基于箭上空間實測值而復現，因而在復現空間能滿足對接裝配的需求則導管可以滿足在箭體上的對接裝配。

5 拼焊型導管數字化取樣制造精度的驗證

以煤油輸送管為代表的拼焊型導管，實現其數字化取樣制造的目的是實現此類拼焊型導管的并行制造從而縮短總裝等待時間，同時以數字信息傳遞的方式基于導管在箭體上的實際裝配空間開展導管制造從而避免導管在制造車間與總裝車間之間的多次往返。然而，拼焊型導管數字化取樣制造的最終目的是實現導管在箭體上的精確對接裝配和低應力裝配，若裝配預應力過大則容易影響導管產品在服役過程中的性能，甚至產品破壞而造成型號的飛行失敗。因此，進行拼焊型導管數字化取樣制造精度的驗證就至關重要。

如圖6所示，是煤油輸送管經數字化取樣制造后的制造精度驗證過程。在煤油輸送管的表面隨機布置定位標靶，采用便攜式三維掃描儀MetraScan掃面導管以獲得導管的三維實體模型，然后將導管三維實體模型導入箱體和發動機的三維實體模型進行三維模裝，根據模裝時煤油輸送管法蘭在法蘭安裝面處的間隙和干涉情況判定導管的箭上裝配匹配性，從而驗證煤油輸送管的制造精度。在進行三維模裝時，首先將煤油輸送管發動機一端的安裝法蘭與發動機啟動閥的安裝法蘭貼合并對中，然后將煤油輸送管箱底一端的安裝法蘭與箱底安裝法蘭對中，觀察煤油輸送管法蘭與箱底法蘭的對接狀況。從圖中可以看出，煤油輸送管法蘭與箱底法蘭的對接裝配情況良好，僅存在極小的制造誤差。經過測量，最大間隙為1.35mm，最大重疊量為0.99mm。由于煤油輸送管帶有兩個補償器，這種量級的制造誤差在其補償能力范圍之內，不影響煤油輸送管在箭體上的裝配。采用相同的方法，可以對四個分機的煤油輸送管進行裝配精度的三維模裝驗證。由此可見，煤油輸送管經數字化取樣制造、完成裝配焊接后，采用三維模裝的方式可以完成制造精度和裝配精度的驗證，實現產品的精準檢驗。

為了進一步直接驗證拼焊型導管數字化取樣制造的制造精度以及滿足其在箭體上精確對接裝配的相符性，將完成數字化取樣制造以及后續性能檢測的煤油輸送管在發動機與燃料貯箱完成對接的狀態下進行總裝現場實物裝配驗證。如圖7所示，是煤油輸送管在總裝現場進行對接裝配的情況。將煤油輸送管的兩端安裝法蘭均帶上螺栓，首先保證發動機啟動閥處安裝法蘭對中并擰緊固定，保證無間隙，然后觀察燃箱底安裝法蘭處的對中情況以及間隙情況，通過塞尺測量燃箱底安裝法蘭處的間隙，最后在對中的情況下擰緊燃箱底安裝法蘭的螺栓并觀察煤油輸送管的波紋管補償器是否存在裝配變形。從圖中可以看出，煤油輸送管能在箭體上實現精確對接裝配，通過塞尺測量的燃箱底安裝法蘭處的裝配間隙，均在2.0mm范圍內，符合設計文件±2.0mm的公差要求，四個分機具體數值如表2所示。并且，在擰緊安裝法蘭的緊固螺栓后，煤油輸送管的波紋管補償器并不存在肉眼可見變形。無論三維實體模型模裝的驗證還是總裝現場實物裝配的驗證，拼焊型導管基于在箭體上的實際裝配空間的測量開展導管的數字化取樣制造，能夠有效地滿足在箭體上精確對接裝配的要求。

圖6 煤油輸送管經數字化取樣制造后的制造精度驗證過程

圖7 煤油輸送管在總裝現場進行對接裝配的情況

表2 四個分機的煤油輸送管經數字化取樣制造后在箭體上對接裝配的情況

6 結束語

本文以運載火箭中典型的拼焊型導管煤油輸送管為研究對象，開展了拼焊型導管的數字化取樣制造技術研究，通過實測導管在箭體上的實際裝配空間并以數字量的形式傳遞，在基于機器人系統的導管柔性裝配測量系統上進行導管箭上裝配空間的復現，從而開展拼焊型導管在導管制造車間的模擬現場取樣，然后掃描導管三維實體模型進行三維模裝，驗證導管的制造精度，最后在總裝現場實物裝配，進行導管制造精度的最終驗證。通過拼焊型導管的數字化取樣制造技術，有效地解決此類導管因箭體制造誤差、發動機的制造和裝配誤差以及各組件的裝配累積誤差等因素而導致的導管按圖紙理論尺寸制造無法實現箭上精確對接裝配的問題。同時，通過數字化取樣制造可以在箱體和發動機制造完成以后即開展導管制造，以“并行制造”的模式取代現行的“串行制造”的模式，縮短總裝等待時間、減小導管在導管制造車間和總裝車間之間的周轉，實現拼焊型導管的精確制造和高效制造。

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Research on Digital Reconfiguration Manufacturing Technology of Tailor Welded Pipe Based on Robot System

Li Jinquan Liu Jingduo Bai Jingbin Xiao Changyuan Ma Licui Pan Jianhua

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

Because of the manufacturing error of the body structure, the manufacturing and assembly error of engine and the accumulating error during the assembly of different components in the carrier rocket, the manufacturing of connecting pipes at these locations must be conducted based on the actual assembly space of the rocket body. Only in this way, the precise docking assembly of pipes can be ensured. In this paper, the research on the digital reconfiguration manufacturing technology was conducted, aiming to realize the precise manufacturing of this kinds of tailor welded pipes. The actual assembly space of the pipe on the rocket body was obtained through the scanning measurement, and then this assembly space was replicated on the flexible assembly measurement system based on the robot. According to the replicated assembly space, the reconfiguration manufacturing of the pipe could be realized in the pipe manufacturing workshop, while traditionally this process must be conducted in the final assembly site of the carrier rocket. Finally, the 3-D solid model of pipe was obtained through the scanning measurement and then used to conduct the virtual assembly in 3-D solid model of the whole carrier rocket, aiming to verify the manufacturing accuracy of pipe and ensure its precise docking assembly on the rocket body.

tailor welded pipe；digital reconfiguration；3-D measurement；precise docking assembly；flexible assembly

2018-11-06

李金全（1984），博士，焊接專業；研究方向：膜盒類產品精密焊接技術、鋁合金攪拌摩擦焊接技術、導管全位置焊接技術以及導管三維數字化制造技術研究。