CN101412122A

CN101412122A - 液体火箭发动机喷管冷却通道立式加工方法

Info

Publication number: CN101412122A
Application number: CNA2008102292259A
Authority: CN
Inventors: 王永青; 刘海波; 刘巍; 杜方平; 薛引慧; 李红丽; 陶冶; 郑德利; 田晓伟
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2009-04-22
Anticipated expiration: 2028-11-26
Also published as: CN101412122B

Abstract

本发明一种液体火箭发动机喷管冷却通道立式加工方法，属于液体火箭发动机喷管加工方法领域。本发明中，喷管采用立式装夹，单点式激光传感器逐条扫描母线，以获取喷管实际廓形，得到采样数据集，逐条重构喷管母线，对采样数据集逐条母线平滑处理，得到喷管平滑数据集，对所有母线的数据进行压缩处理，得到压缩数据集，利用三次样条插值逼近喷管的实际母线。并计算铣削刀位，由双铣头对称铣削，高速清根。本发明实现了测量、加工一体化，一次装卡下完成廓形测量、铣槽、清根处理，能够满足不同几何尺寸、不同母线线型的加工需求，加工效率高，一致性好，实现了液体火箭发动机喷管冷却通道高效、高精度数字化加工。

Description

液体火箭发动机喷管冷却通道立式加工方法

技术领域

本发明属于液体火箭发动机喷管加工方法领域，特别涉及一种喷管冷却通道立式加工方法。

背景技术

随着航天工业的发展，新型液体火箭对发动机的生产效率、生产质量的要求越来越高。火箭喷管是液体火箭发动机的主体部件，也是难加工的关键部件。喷管外表面均布有大量纵向直槽，在其上覆盖金属表皮后形成纵向液体燃料通道，起到冷却管壁和预热液态燃料的作用。火箭喷管具有如下几何特征：几何尺寸大(轴截面直径及轴向尺寸均为1～2m)、壁薄(5～6mm)、沟槽数量多(500条以上)、母线线型复杂(多为直线、圆弧、离散点等形式组合而成)、由钣金焊接或旋压成型的喷管毛坯件壁厚误差大、成型过程存在较大应力致使加工过程变形大。为了保证喷管的强度、均匀的热烧蚀性，要求喷管槽底剩余壁厚均匀。应用通用数控机床，按照喷管理想外表面或沟槽理想底面进行单纯数控加工，槽底剩余壁厚将无法达到设计要求。因此，火箭喷管冷却通道铣槽加工成为喷管制造过程中需要迫切解决的关键问题。

1998年，卢杰持等在《大连理工大学学报》第38卷第3期发表的文章《火箭大喷灌数控仿形铣槽控制系统》中介绍了一种喷管冷却通道的加工方法——卧式数控仿形法，即通过片铣刀外侧安装的传感滚轮感知切削部位喷管的实际廓形，并根据预先测得的喷管毛坯的厚度数据完成壁厚误差补偿以及轮廓变形误差补偿。该方法存在如下问题：传感滚轮“感知”的不是切削点而是被加工沟槽相邻部位的信息，会引入较大的偏移量误差；传感滚轮通过压力靠模实现仿形，仿形过程中易受喷管表面残留切屑影响而产生跳动，影响加工精度；传感滚轮预设压力设置不当将会导致传感器跟踪信号不稳定跳动情况出现；受传感滚轮尺寸约束，曲率变化大的型面将无法被准确检测。装夹方式为喷管水平安装，吊装耗费时间长，安装定位准确性差。工作台重量大且行程长，快速准确定位困难。现有设备的清根方式为手动式，效率低、重复性差。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是克服上述加工方法的不足，针对喷管卧式装夹吊装耗费时间长、安装定位准确性差难题，提出了一种火箭喷管立式装夹方法，将喷管大端开口朝下并借助于喷管胎膜和喷管端盖安装到回转工作台上；针对机械仿形法不能“感知”切削点、易产生不稳定信号、不能准确测量曲率大的曲线的不足，采用一种火箭喷管外廓激光扫描法，根据喷管理论母线规划测量轨迹、单点式激光传感器逐条母线扫描喷管获取实际廓形、逐条母线重构喷管外阔面及计算铣削刀位；针对手动清根效率低、重复性差的不足，采用高速清根方式。

本发明所采用的技术方案是：一种液体火箭发动机喷管冷却通道立式加工方法，将喷管立式装夹；采用单点式激光传感器逐条扫描母线，以获取喷管实际廓形；逐条重构喷管母线及计算铣削刀位，由双铣头对称铣削，高速清根；液体火箭发动机喷管冷却通道立式加工方法的具体步骤如下：

(1)喷管立式装夹

首先将喷管胎膜5安放到回转工作台台面e上，由台面和定位圆柱销13定位，八个带螺栓的压板6周向均布于回转工作台7上，压板6压紧喷管胎膜5；将喷管11大端开口朝下，套装在喷管胎膜5外表面上；旋紧螺钉14，使喷管端盖12压紧喷管11，并与喷管胎模5紧密固定，完成喷管11立式装夹；喷管11可在回转工作台7的驱动下作回转运动；

(2)单点式激光传感器逐条扫描母线获取喷管实际廓形

装夹完成后，调整铣削测量转换头9，使单点式激光传感器8对准喷管待测母线，按如下步骤逐条扫描母线获取喷管实际廓形：

①喷管理论母线a为喷管设计尺寸，将其沿Y轴朝远离喷管方向偏移距离d₀，d₀即为激光传感器的校准距离，将偏移后得到的轨迹线作为测量轨迹线c；

②调整单点式激光传感器8与喷管11外廓的Y向相对距离，确定零点，单点式激光传感器8在测量轨迹线c上的

点的显示值为Δ₀＝0，喷管11外廓面的实际母线b上的p₀点坐标为：

z_{0} = z_{0}^{'},

y_{0} = y_{0}^{'} + Δ_{0};

③单点式激光传感器8按照测量轨迹线c运动到

点，显示值为Δ₁＝d₁-d₀，得到p₁点坐标为：

z_{1} = z_{1}^{'},

y_{1} = y_{1}^{'} + Δ_{1};

依次扫描p_i(z_i，y_i)，i＝2，3，…，n点显示值为Δ_i＝d_i-d₀，对应点坐标为

z_{i} = z_{i}^{'},

y_{i} = y_{i}^{'} + Δ_{i},

i＝2，3，…，n，从而完成一条喷管外廓面实际母线b的扫描测量；

④完成单条母线扫描后，数控系统控制回转工作台旋转角度θ，θ＝2π/N，其中：N为喷管待加工母线数，重复第③步母线扫描测量过程，完成第二条母线的测量过程；

⑤循环③、④步，完成喷管11实际廓形的扫描测量，得到采样数据集Q⁰；

(3)逐条重构喷管母线及计算铣削刀位

①取采样数据集Q⁰中第i₀条母线的采样数据，

{Q_{i_{0}}^{0} | q_{j_{0}}, i_{0} = 1,2, \cdot \cdot \cdot, N, j_{0} = 1,2, \cdot \cdot \cdot, n_{i_{k}}};

设定平滑窗口宽度为m₀，取

中第k₀个采样点

为窗口中心，取值规则如下，

q_{k_{0} l} = \{\begin{matrix} q_{1_{0}} & 1 - m_{0} / 2 \leq l \leq 1 \\ q_{k_{0}} & 1 < l < n_{i_{0}} \\ q_{n_{i_{0}}} & n_{i_{0}} \leq l \leq n_{i_{0}} + m_{0} / 2 \end{matrix} \infty - - - (1)

得到有序数据点

取窗口内有序点的均值作为新的数据点

q_{k_{0}} = \frac{1}{m_{0}} Σ_{l = 1}^{m_{0}} q_{k_{0} l} - - - (2)

对采样数据集Q⁰逐条母线平滑处理，得到喷管平滑数据集Q¹；

②取平滑数据集Q¹中第i₁条喷管母线

进行如下处理，

h = | A (x_{k_{1}} - x_{i_{1}}) + B (y_{k_{1}} - y_{i_{1}}) | / {(A^{2} + B^{2})}^{1 / 2}

其中j₁>i₁，k₁∈(i₁，j₁) (3)

h为弦高差，即已录入点与当前待筛选点之间的中间采样点到该两点连线的距离，若h大于预设筛选精度ε₁则录入当前点的前一点，否则移向下一点；其中：

为已录点坐标，

当前点坐标，

为中间点坐标，

A = y_{j_{1}} - y_{i_{1}},

B = x_{j_{1}} - x_{i_{1}};

依次处理，完成喷管所有母线的数据压缩处理，得到压缩数据集Q²；

③取压缩数据集Q²中第i₂条喷管母线的压缩数据集

利用三次样条插值逼近喷管的实际母线，

y_{j_{2}} (x) = Σ_{k_{2} = 0}^{3} a_{k_{2}} {(x - x_{j_{2} - 1})}^{k_{2}}

其中：

x &Element; [x_{j_{2} - 1}, x_{j_{2}}]; j_{2} = 1,2, \cdot \cdot \cdot, n_{i_{2}}; k_{2} = 0,1,2,3 - - - (4)

式中：

为第j₂段样条曲线径向坐标，

为第j2个型值点轴向坐标，为样条曲线参数；

④首先利用小参数步长对第i₃条喷管母线进行密集离散：

Q_{i_{3}}^{3} {r_{0}, \cdot \cdot \cdot, r_{k_{3}}, \cdot \cdot \cdot, r_{m_{3}}, \cdot \cdot \cdot, r_{n_{3}}},

接着对于任一初始点

从

开始依此选取一离散点，取为

于

到

之间的任一点

(j₃＝k₃+1，…，m₃-1)，求取它到直线段

的距离，

d_{j_{3}} = | r_{j_{3}} - r_{k_{3}} - \frac{(r_{j_{3}} - r_{k_{3}}) \cdot (r_{m_{3}} - r_{k_{3}})}{{(r_{m_{3}} - r_{k_{3}})}^{2}} (r_{m_{3}} - r_{k_{3}}) | - - - (5)

若满足

d_{j_{3}} > ϵ_{3}

(j₃＝k₃+1，…，m₃-1)，则录入

为刀位点，否则移向

点，并重复上述过程，进而完成整条母线的刀位计算；逐条母线计算，得到喷管刀位数据集Q⁴；

(4)双铣头对称铣削

利用第(3)步得到的喷管冷却通道铣削刀位数据集Q⁴，双通道控制左片铣刀1、右片铣刀10对称铣削喷管沟槽；待一对沟槽铣削完毕后，回转工作台7驱动喷管11分度到下一沟槽位置，转动角度为θ＝2π/N，N为喷管待加工母线数；回转工作台7分度累计至180°，即完成整个喷管沟槽铣削加工；

(5)高速清根

喷管冷却通道铣削加工完成后，调整铣削清根转换头2旋转180°，使左片铣刀1与清根铣刀4位置互换；电主轴3拖动清根铣刀4高速旋转，通过手动方式对刀，使清根铣刀4的轴线对准待清根沟槽对称线，数控系统调用清根程序，驱动清根铣刀沿清根轨迹线一、二、三、四，即g1、g2、g3、g4分层依次铣削，完成沟槽根部f高速清除；

(6)完成加工

松开螺钉14，取下喷管端盖12，卸下喷管11，完成整个液体火箭发动机喷管冷却通道立式加工。

本发明的效果是：喷管立式装夹，定位准确、夹紧快速可靠、操作耗时短，为喷管廓形测量和沟槽加工提供了良好保证；双铣头对称铣削，有效提高了加工效率；实现了高速清根，操作简便，自动化程度高；单点式激光传感器逐条扫描喷管母线获取实际廓形，扫描速度快、采样精度高；结合均值平滑法、等弦高差法及三次样条插值技术逐条重构喷管母线，步长筛选法计算铣削刀位轨迹，算法简单，数据光顺性好，数据量小。本发明实现了测量加工一体化，一次装卡下完成廓形测量、铣槽、清根处理加工，能够满足不同几何尺寸、不同母线线型喷管的加工需求，加工效率高，加工一致性好，实现了液体火箭发动机喷管冷却通道高效、高精度数字化加工。

附图说明

附图1-喷管加工方法全貌示意图，附图2-喷管立式装夹主视图，附图3-喷管立式装夹俯视图，其中：1-左片铣刀，2-铣削清根转换头，3-电主轴，4-清根铣刀，5-喷管胎模，6-压板，7-回转工作台，8-单点式激光传感器，9-铣削测量转换头，10-右片铣刀，11-喷管，12-喷管端盖，13-定位圆柱销，14-螺钉，d-喷管胎模中心孔，e-回转工作台台面。

附图4-单点式激光传感器母线廓形测量示意图，其中：a-喷管理论母线，b-喷管实际母线，c-测量轨迹线，

-测量轨迹线上第0、1、i、n个点，P₀、P₁、P_i、P_n-喷管实际母线上第0、1、i、n个对应点，d₀、d₁、d_i、d_n-测量轨迹线相对于喷管实际母线在第0、1、i、n个点处的偏差值，Δ₁-激光传感器在第1点处的显示值。

附图5-清根示意图，其中：f-沟槽根部，g₁、g₂、g₃、g₄-清根轨迹线。

附图6-第206条母线采集数据集与平滑数据集

对应曲线图，其中：

对应曲线，

对应曲线。

附图7-第206条母线三次样条与刀位数据集

对应曲线图，其中：III-三次样条曲线，

对应曲线。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式。加工液体火箭某一型号喷管的冷却通道：

(1)喷管11吊装前首先保证铣削测量转换头9、铣削清根转换头2处于安全位置，防止吊装过程中发生碰撞；如图1、图2所示，通过吊装方式将喷管胎膜5安放到回转工作台台面e上，使位于回转工作台7中心处的定位圆柱销13与喷管胎膜5中心孔d间隙配合，实现喷管胎模5“一面一销”定位；通过均布于回转工作台7周向的八个带螺栓的压板6周向压紧喷管胎膜5；将喷管11大端开口朝下，吊装于喷管胎膜5上；旋紧螺钉14使喷管端盖12压紧喷管11，使喷管11与喷管胎模5紧密固定，完成喷管11立式装夹；喷管11可在回转工作台7的驱动下作回转运动。

(2)将单点式激光传感器8安装到铣削测量转换头9上，调整铣削测量转换头9到测量位置，使单点式激光传感器8对准喷管待测母线。如图3所示，将喷管理论母线a沿Y轴方向偏移距离d₀为5.6mm，从而得到测量轨迹线c。控制单点式激光传感器8至测量轨迹线c的初始位置P₀’，确定零点。机床控制单点式激光传感器8沿测量轨迹线c运动，测量获取第一条喷管母线采样数据

接着，回转工作台7驱动喷管11旋转分度到第二条母线位置，角度为θ＝0.6716°，N＝536条，测量获得第二条母线采样数据集

逐条测量喷管母线，进而获得整个喷管536条母线的采样数据集Q⁰。将测量信号传输到上位机中为进一步数据处理和刀位计算做准备。测量完毕后，将铣削测量转换头9移动到安全位置。

(3)在上位机中进行数据处理和刀位计算。以第206条母线的采样数据

为例说明本发明的数据处理过程。中包含711个原始采样点，如附图6中曲线I所示。

①取平滑窗口宽度为101，对第206条母线的采样数据

进行均值平滑处理得到平滑数据集

如附图6中曲线II所示。

②设定筛选精度ε₁＝0.005mm，对

进行数据压缩处理得到压缩数据集中包含230个数据点。

③利用三次样条曲线逼近第206条喷管母线，逼近曲线如附图7中曲线III所示。

④取刀位筛选精度ε₃＝0.01mm，利用步长筛选法计算第206条喷管母线铣削刀位，得到刀位数据集其包含17个刀位点，如附图7中曲线IV所示。

(4)根据第(3)步计算得到的喷管母线铣削刀位，标准数控系统双通道控制左片铣刀1、右片铣刀10在OYZ面内对称铣削喷管沟槽。待一对沟槽铣削完毕后，回转工作台7拖动喷管11分度到下一沟槽位置，转动角度为θ＝0.6716°。回转工作台7分度累加至180°，即完成整个喷管沟槽铣削加工。

(5)喷管铣槽加工完成后，首先移动铣削测量转换头9、铣削清根转换头2于安全位置，调整铣削清根转换头2旋转180°，使左片铣刀1与清根铣刀4位置互换。电主轴3拖动清根铣刀4高速旋转，数控系统调用清根程序，驱动清根铣刀沿清根轨迹线一、二、三、四，即g₁、g₂、g₃、g₄分层依次铣削，如图5所示，完成沟槽根部f高速清除，并保证整个环节有人工监测以免发生意外事故。

(6)松开螺钉14，取下喷管端盖12，卸下喷管11，完成整个液体火箭发动机喷管冷却通道立式加工过程。

本发明实现了测量加工一体化，一次装卡下完成廓形测量、铣槽、清根处理加工，能够满足不同几何尺寸、不同母线线型喷管的加工需求，加工效率高、加工一致性好，实现了液体火箭发动机喷管冷却通道高速、高精度数字化加工。

Claims

1.一种液体火箭发动机喷管冷却通道立式加工方法，其特征在于，喷管立式装夹，采用单点式激光传感器逐条扫描母线，以获取喷管实际廓形，逐条重构喷管母线及计算铣削刀位，由双铣头对称铣削，高速清根；液体火箭发动机喷管冷却通道立式加工方法的具体步骤如下：

(1)喷管立式装夹

首先将喷管胎膜(5)安放到回转工作台台面(e)上，由台面和定位圆柱销(13)定位，八个带螺栓的压板(6)周向均布于回转工作台(7)上，压板(6)压紧喷管胎膜(5)；将喷管(11)大端开口朝下，套装在喷管胎膜(5)外表面上；旋紧螺钉(14)，使喷管端盖(12)压紧喷管(11)，并与喷管胎模(5)紧密固定，完成喷管(11)立式装夹；喷管(11)可在回转工作台(7)的驱动下作回转运动；

(2)单点式激光传感器逐条扫描母线获取喷管实际廓形

装夹完成后，调整铣削测量转换头(9)，使单点式激光传感器(8)对准喷管待测母线，按如下步骤逐条扫描母线获取喷管实际廓形：

①喷管理论母线a为喷管设计尺寸，沿Y轴朝远离喷管方向将喷管理论母线a偏移一个距离d₀，d₀即为激光传感器的校准距离，将偏移后得到的轨迹线作为测量轨迹线c；

②调整单点式激光传感器(8)与喷管(11)外廓的Y向相对距离，使单点式激光传感器(8)在测量轨迹线c上的

点的显示值为Δ₀＝0，喷管(11)外廓面的实际母线b上的p₀点坐标为：

z_{0} = z_{0}^{'},

y_{0} = y_{0}^{'} + Δ_{0};

③单点式激光传感器(8)按照测量轨迹线c运动到

点，显示值为Δ₁＝d₁-d₀，得到p₁点坐标为：

z_{1} = z_{1}^{'},

y_{1} = y_{1}^{'} + Δ_{1};

依次扫描P_i(z_i，y_i)，i＝2，3，…，n点显示值为Δ_i＝d_l-d₀，对应点坐标为

z_{i} = z_{i}^{'},

y_{i} = y_{i}^{'} + Δ_{i},

i＝2，3，…，n，从而完成喷管外廓面一条实际母线b的扫描测量；

⑤循环③、④步，完成喷管(11)实际廓形的扫描测量，得到采样数据集Q⁰；(3)逐条重构喷管母线及计算铣削刀位；

①取采样数据集Q⁰中第i₀条母线的采样数据，

{Q_{i_{0}}^{0} | q_{j_{0}}, i_{0} = 1,2, \cdot \cdot \cdot, N, j_{0} = 1,2, \cdot \cdot \cdot, n_{i_{0}}};

设定平滑窗口宽度为m₀，取

中第k₀个采样点

为窗口中心，取值规则如下，

q_{k_{0} l} = \{\begin{matrix} q_{1_{0}} & 1 - m_{0} / 2 \leq l \leq 1 \\ q_{k_{0}} & 1 < l < n_{i_{0}} \\ q_{n_{i_{0}}} & n_{i_{0}} \leq l \leq n_{i_{0}} + m_{0} / 2 \end{matrix} - - - (1)

得到有序数据点

取窗口内有序点的均值作为新的数据点

q_{k_{0}} = \frac{1}{m_{0}} Σ_{l = 1}^{m_{0}} q_{k_{0} l} - - - (2)

②取平滑数据集Q¹中第i₁条喷管母线

进行如下处理，

h = | A (x_{k_{1}} - x_{i_{1}}) + B (y_{k_{1}} - y_{i_{1}}) | / {(A^{2} + B^{2})}^{1 / 2}

其中j₁>i₁，k₁∈(i₁，j₁) (3)

h为弦高差，即已录入点与当前待筛选点之间的中间采样点到该两点连线(弦)的距离，若h大于预设筛选精度ε₁则录入当前点的前一点，否则移向下一点；其中：为已录点坐标，

当前点坐标，

为中间点坐标，

A = y_{j_{1}} - y_{i_{1}},

B = x_{j_{1}} - x_{i_{1}};

③取压缩数据集Q²中第i₂条喷管母线的压缩数据集

利用三次样条插值逼近喷管的实际母线，

y_{j_{2}} (x) = Σ_{k_{2} = 0}^{3} a_{k_{2}} {(x - x_{j_{2} - 1})}^{k_{2}}

其中：

x &Element; [x_{j_{2} - 1}, x_{j_{2}}]; j_{2} = 1,2, \cdot \cdot \cdot, n_{i_{2}}; k_{2} = 0,1,2,3 - - - (4)

式中：为第j₂段样条曲线径向坐标，

为第j₂个型值点轴向坐标，

为样条曲线参数；

④首先利用小参数步长对第i₃条喷管母线进行密集离散：

Q_{i_{3}}^{3} {r_{0}, \cdot \cdot \cdot, r_{k_{0}}, \cdot \cdot \cdot {, r}_{m_{3}}, \cdot \cdot \cdot, r_{n_{3}}},

接着对于任一初始点

从

开始依此选取一离散点，取为

于

到

之间的任一点

(j₃＝k₃+1，…，m₃-1)，求取它到直线段

的距离，

d_{j_{3}} = | r_{j_{3}} - r_{k_{3}} - \frac{(r_{j_{3}} - r_{k_{3}}) \cdot (r_{m_{3}} - r_{k_{3}})}{{(r_{m_{3}} - r_{k_{3}})}^{2}} (r_{m_{3}} - r_{k_{3}}) | - - - (5)

若满足

d_{j_{3}} > ϵ_{3}

(j₃＝k₃+1，…，m₃-1)，则录入

为刀位点，否则移向

(4)双铣头对称铣削

利用第(3)步得到的喷管冷却通道铣削刀位数据集Q⁴，双通道控制左片铣刀(1)、右片铣刀(10)对称铣削喷管沟槽；待一对沟槽铣削完毕后，回转工作台(7)驱动喷管(11)分度到下一沟槽位置，转动角度为θ＝2π/N，N为喷管待加工母线数；回转工作台(7)分度累计至180°，即完成整个喷管沟槽铣削加工；

(5)高速清根

喷管冷却通道铣削加工完成后，调整铣削清根转换头(2)旋转180°，使左片铣刀(1)与清根铣刀(4)位置互换；电主轴(3)拖动清根铣刀(4)高速旋转，通过手动方式对刀，使清根铣刀(4)的轴线对准待清根沟槽对称线，数控系统调用清根程序，驱动清根铣刀沿清根轨迹线一、二、三、四，即(g1、g2、g3、g4)分层依次铣削，完成沟槽根部(f)高速清除；

(6)完成加工

松开螺钉(14)，取下喷管端盖(12)，卸下喷管(11)，完成整个液体火箭发动机喷管冷却通道立式加工。