趙一搏 許小強 仵 劍 申雄剛 吳 亮 劉 淼

(703所，北京 100076))

在航天領(lǐng)域的大直徑薄壁金屬貯箱的主要制造工序包括：金屬箱體焊接加工、泡沫塑料噴涂、涂層等厚加工等。貯箱柱段表面凹陷情況加劇達到一定程度將對涂層的等厚加工質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，因此，提出采用激光傳感測距方法，對箱體柱段外表面的形貌特征進行測量，依據(jù)測量數(shù)據(jù)對箱體表面變形程度進行描述、分析，等厚加工模擬仿真，為等厚加工工藝參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化工藝參數(shù)。

1 貯箱圓柱段表面形貌數(shù)據(jù)測量

針對貯箱圓柱段尺寸比較大的特點，利用現(xiàn)有等厚數(shù)控加工設(shè)備，選用激光傳感測距方式采集貯箱圓柱段徑向形貌數(shù)據(jù)[1]。

測量系統(tǒng)裝置整體布置如圖1所示。其中，測量裝置固定在等厚加工機床設(shè)備上，激光傳感器安裝在裝置的前端。測量裝置的絲杠可以帶動激光傳感器沿W軸移動，即沿圓柱箱體的徑向移動，機床U軸移動可帶動傳感器沿圓柱箱體的軸向移動，機床V軸移動可帶動傳感器豎直方向移動，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動設(shè)備可實現(xiàn)箱體繞O軸轉(zhuǎn)動。各軸配合可實現(xiàn)傳感檢測系統(tǒng)對箱體表面形貌數(shù)據(jù)的測量。

測量方法如圖2所示：首先移動V軸和W軸,使激光傳感器測量點移到箱體半徑高度以及到圓柱表面合適的距離s，如圖2a,此后W軸不再移動之后；如圖2b所示，先移動U軸和O軸，使激光測點打在測量起始位置A，然后勻速移動U軸，激光測點從A點移動至B點，完成一條母線的測量，此時O軸旋轉(zhuǎn)，使激光點打到C點，再移動U軸使激光點由C點移動至D點，完成下一條母線的測量。綜合整個型面數(shù)據(jù)，可得箱體圓柱段表面徑向形貌數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對箱體柱段金屬表面形貌數(shù)據(jù)的采集。

測量過程中，激光傳感器在不同測點的測量值即為箱體表面的變形情況。經(jīng)實際工程驗證表明，該測量方法和設(shè)計的測量裝置是可行的。

2 貯箱圓柱表面變形分析

2.1 貯箱圓柱表面凹陷度的提出

為了更好地描述貯箱表面的變形情況，采用截面圓周凹陷度理論來進行表面的變形程度分析。如圖3所示，截面圓周相鄰最高點間的距離稱為截面圓周凹陷長度[2]，用L表示，單位為rad；波谷至兩波峰連線的最大距離定義為波幅，用h表示，單位為mm；將h1/x1和h2/x2兩者中較大的定義為截面圓周凹陷斜率，單位為mm/rad，其中x1和x2為截面圓周展開后的相鄰兩波峰到波谷的水平距離，h1和h2為波谷至兩波峰的豎直距離單位為rad。凹陷度可由波幅和凹陷斜率兩個參數(shù)來表示，波幅能夠描述變形量的大小，凹陷斜率能夠描述變形劇烈程度的大小。

2.2 貯箱圓柱截面變形分析

計算各截面凹陷斜率和波幅，首先，將采集到的數(shù)據(jù)由圓周量轉(zhuǎn)換成一條直線上的量；按照直角坐標曲線的斜率變化來確定波峰和波谷的相位[3]；最后依據(jù)凹陷度的定義，計算各截面的最大凹陷斜率和波幅，并找出其所在曲線的位置。綜合各截面變形情況，可得在軸向測量位置-2 000 mm截面處，曲線的凹陷斜率最大，在該測量位置的變形最劇烈。該位置的直角坐標曲線和極坐標曲線如圖4和5所示。

2.3 柱段箱體表面整體變形分析

綜合計算的各截面最大凹陷度，每隔一定距離選取一個截面最大凹陷度，繪制凹陷度與測量位置的關(guān)系圖如圖6和7所示，各截面波幅隨軸向的測量位置變化呈馬鞍形，在位置5和9有兩個峰值，但圓周曲線凹陷斜率在軸向位置5截面處最大，綜合波幅和凹陷斜率，得到位置5，即測量位置-2 000 mm時變形最劇烈。

如圖8所示，通過反求工程，可以得到貯箱圓拉段表面變形的曲面圖。圖中較粗線位置的圓周曲線為兩個波幅峰值處的截面圓周曲線。其中-2000 mm位置黑點標記處為最大凹陷度的位置。

3 圓柱段表面等厚加工工藝參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)采集的圓柱段表面數(shù)據(jù)，對等厚加工工藝參數(shù)優(yōu)化分析，以及對不同的工藝參數(shù)進行圓柱段表面等厚加工的模擬仿真和分析，對于實際等厚加工的工藝參數(shù)選取和實際加工安全以及加工精度的提高是非常有必要的。

3.1 加工工藝參數(shù)優(yōu)化分析

自動進、退刀量是實時等厚加工的重要工藝參數(shù)，即貯箱每轉(zhuǎn)過一定角度，刀具沿箱體軸向或徑向自動移動的距離。進退刀量的選取，與圓周相鄰兩測量點間的半徑變化量有關(guān)。當(dāng)進退刀量小于相鄰點間的半徑變化量時，會因進退刀不及時，造成過切或欠切，無法完成等厚加工。

分析采集到的貯箱表面的數(shù)據(jù)，計算貯箱截面圓周每隔0.3°數(shù)據(jù)點之間的變化量，找出正、反向的變化量最大值。正向最大變化量為等厚加工最大退刀量的臨界值，負向最大變化量為等厚加工最大進刀量的臨界值。當(dāng)最大進退刀量大于或等于這兩個值時，已加工表面軌跡與箱體表面變形軌跡相契合，實現(xiàn)了等厚加工；當(dāng)最大進退刀量小于這兩個值時，由于進退刀不及時，已加工表面凹陷部分變厚，凸起部分變薄。

選取貯箱變形最大的截面進行加工工藝參數(shù)的優(yōu)化選取分析。由上文的變形分析可知，在測量位置-2000 mm時，貯箱截面曲線變形最劇烈，該截面兩點間半徑變化量曲線如圖9所示。通過計算，該截面曲線兩點間正向最大變化量為0.501 mm，即最大退刀量的臨界值為0.501 mm；該截面曲線兩點間負向最大變化量為-0.692 mm，即最大進刀量的臨界值為0.692 mm。這兩個值可以為實際等厚加工的參數(shù)優(yōu)化選取提供依據(jù)。

3.2 等厚加工仿真分析

選取貯箱變形最大的截面進行模擬等厚加工仿真和分析，不同的工藝參數(shù)下，得到了不同的仿真結(jié)果，如圖10和11所示，圖中虛線為貯箱截面圓周原始曲線，實線為仿真加工曲線。

將最大進刀量和最大退刀量都設(shè)為0.1 mm時(小于上文計算的臨界值)的仿真加工結(jié)果如圖10所示，由于控制了進、退刀量，加工后的泡沫表面圓度較好，但遇到凹陷較大的區(qū)域進刀不及時，會出現(xiàn)泡沫偏厚的現(xiàn)象，遇到凸起較大的區(qū)域時退刀不及時，會出現(xiàn)泡沫偏薄現(xiàn)象，且有可能發(fā)生刀具與貯箱底面金屬支座碰撞的潛在危險。

如圖11所示，由于進、退刀量設(shè)為臨界值，加工曲線能夠很好地跟隨箱體變形，加工后泡沫厚度比較均勻，提高了貯箱表面涂層的等厚加工質(zhì)量。

表1 加工仿真結(jié)果參數(shù)

不同加工工藝參數(shù)下的仿真結(jié)果參數(shù)如表1所示，當(dāng)最大進、退刀量為上文分析的臨界值時，加工最薄最厚偏差接近于0，加工曲線能夠很好地跟隨貯箱變形，完成等厚加工。在實際工程中，工藝人員可以結(jié)合每一個貯箱的具體特征，通過不同工藝參數(shù)下的仿真加工結(jié)果選擇適合本貯箱的實時加工工藝參數(shù)。

4 結(jié)語

本文提出了一種非接觸式激光測量貯箱表面形貌數(shù)據(jù)的方法，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，分析規(guī)律并且提出采用凹陷度的理論描述貯箱圓柱段表面變形的程度，包括凹陷度的計算與分析，貯箱表面整體變形的分析描述；提出了等厚加工工藝參數(shù)的優(yōu)化方法，通過開展等厚加工模擬仿真分析研究。實際工程結(jié)果表明，本文的貯箱表面變形分析描述、等厚加工工藝參數(shù)的優(yōu)化方法以及模擬仿真加工結(jié)果，為貯箱柱段面的涂層質(zhì)量檢驗提供了參考；同時也為實際工程貯箱表面的等厚加工工藝參數(shù)的選取、加工安全以及加工精度質(zhì)量提供了可靠保障。

[1]金鼎,吳劍.基于三維測量技術(shù)的飛機表面波紋度數(shù)字化分析方法[J].航空工程進展,2013,4(1):85-89.

[2]趙小輝,丁玲,王磊.三維光學(xué)形貌測量系統(tǒng)在飛機研制中的應(yīng)用前景[J].民用飛機設(shè)計與研究,2012(S1):11-15.

[3]馬明,曹喜鋒,李啟明,等.基于小波濾波的民用飛機蒙皮表面波紋度分析方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013,13(35):10750-10754.