CN109408936B - 滑翔天线罩深盲型腔加工及在线测量方法 - Google Patents

滑翔天线罩深盲型腔加工及在线测量方法 Download PDF

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CN109408936B CN201811209096.7A CN201811209096A CN109408936B CN 109408936 B CN109408936 B CN 109408936B CN 201811209096 A CN201811209096 A CN 201811209096A CN 109408936 B CN109408936 B CN 109408936B
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Abstract

本发明公开了一种滑翔天线罩深盲型腔加工及在线测量方法，设计并定制刀具‑确定0°加工坐标系并确定加工部位‑旋转0°加工坐标系并确定旋转X°后的加工坐标系‑确定加工余量并建立0°加工坐标系‑加工内型腔‑利用测量装置在线检测内型腔典型点坐标值，对比零件理论模型数据，确定修正量，并分别在0°和X°下精修加工内型腔。解决了现有对滑翔天线罩深盲型腔加工的缺陷，且加工精度高；通过在线检测了解零件实时动态，检测效率高，便与对零件进行精确修正加工。

Description

滑翔天线罩深盲型腔加工及在线测量方法
技术领域
本发明涉及超高音速滑翔弹道导弹天线罩加工、测量技术领域，具体地指一种滑翔天线罩深盲型腔加工及在线测量方法。
背景技术
超高音速滑翔弹道导弹具有打击精度高、射程远、超高音速、突防性能高及抗干扰能力强的特点，近年国内非常重视此种类型导弹的发展。为提升导弹的突防能力、打击精度和抗干扰能力，新型导弹天线罩大量采用乘波体结构，并采用复合材料。
从其工作原理分析，在导弹再入大气层后，一二级发动机分离，滑翔弹头自带少量动力，通过内置信号发收器实时修正轨道，并在末段不断加速，速度可达几倍甚至几十倍音速。从其工作环境分析，其弹头天线罩部分需采用具有良好空气动力特性的乘波体外形，需承受与空气摩擦带来的高温冲击，并且需要良好的透波性。乘波体结构的型面精度对透波性和打击精度起到了关键性作用。
目前，滑翔天线罩的乘波体形状内型腔型面复杂、材料特性复杂(如图1)，如何实现高精度加工和快速在线检测是迫切需要攻克的问题。
发明内容
本发明的目的就是要针上述技术的不足，提供了一种加工精度高且能实现快速检测的滑翔天线罩深盲型腔加工及在线测量方法。
为实现上述目的，本发明所设计的滑翔天线罩深盲型腔加工及在线测量方法，包括如下步骤：
1)设计并定制刀具
刀具从左至右依次包括一个刀杆、一个
Figure BDA0001831975700000011
变径柄和至少一个
Figure BDA0001831975700000012
直柄、一个
Figure BDA0001831975700000013
变径柄和至少一个
Figure BDA0001831975700000014
直柄、……、一个
Figure BDA0001831975700000021
变径柄和至少一个
Figure BDA0001831975700000022
直柄，且
Figure BDA0001831975700000023
Figure BDA0001831975700000024
同时，刀杆的直径等于
Figure BDA0001831975700000025
n为自然数；
2)确定0°加工坐标系并确定加工部位
加工前，在UG三维软件上运用零件理论模型确定0°加工坐标系，并在0°加工坐标系下，运用零件理论模型和刀具生成程序，通过模拟加工，确定加工部位，剩余的为不可加工部位；
3)旋转0°加工坐标系并确定旋转X°后的加工坐标系
旋转角度X°找到步骤2)中的不可加工部位再并确定旋转X°后的加工坐标系，然后对不可加工部位进行加工，且根据模拟加工结果重新修正设计刀具外形；
4)确定加工余量并建立0°加工坐标系
通过三维激光扫描仪扫描毛坯件的毛坯型面，得到毛坯扫描型面数据；在PolyWorks三维软件上对比毛坯扫描型面数据和零件理论模型数据，确定天线罩型面各处的加工余量，根据加工余量在机床上建立0°加工坐标系；
5)加工内型腔
按预先设定的0°加工坐标系找正毛坯件，并在0°加工坐标系下加工毛坯件内型腔；旋转X°，采用专用坐标变换装置，找正旋转X°后的加工坐标系，加工剩余部分内型腔；
6)利用测量装置在线检测内型腔典型点坐标值，对比零件理论模型数据，确定修正量，并分别在0°和X°下精修加工内型腔。
进一步地，所述步骤3)中，通过模拟加工中的反复修改，设计出最大化的刀具，变径柄有三种：
Figure BDA0001831975700000026
变径柄、
Figure BDA0001831975700000027
Figure BDA0001831975700000028
变径柄、
Figure BDA0001831975700000029
变径柄，直柄有三种：
Figure BDA00018319757000000210
直柄、
Figure BDA00018319757000000211
直柄、
Figure BDA00018319757000000212
直柄，刀杆的直径为20mm，且所有直柄和所有变径柄的长度均为相等，其中
Figure BDA00018319757000000213
刀杆和
Figure BDA00018319757000000214
变径柄为必选项。
进一步地，所述步骤1)中，n小于等于20。
进一步地，所述步骤5)中所述专用坐标变换装置包括球销和固定在球销上的插杆，且插杆的中心线穿过球销的球心；
具体加工过程为：专用坐标变换装置的插杆固定安装在工件端面任意某个部位，通过机床找正球销的球心坐标，测量并记录球销的球心O2相对于机床坐标系的绝对坐标值(X2，Z2)，同时测量并记录工件坐标系起始点O1坐标值(X1，Z1)，然后计算工件坐标系起始点O1与球销的球心O2之间的坐标差值ΔX和ΔZ，ΔX＝X1-X2，ΔZ＝Z1-Z2，利用直角三角形勾股定理计算出O1到O2长度L和L相对于水平线的角度A，由于旋转过程坐标系Y值不变，故不计算；旋转工作平台旋转角度X°，重新找正球销的球心O4相对于机床坐标系的坐标值(X4，Z4)，此时工件坐标系为O3(X3，Z3)，无论旋转角度X°为多少，旋转后L为恒定值，旋转后角度C＝A-X°，利用勾股定理可算出X3＝X4+L×sinC，Z3＝Z4+L×cosC，得出工件旋转X°后的加工坐标系坐标值为(X3，Z3)。
进一步地，所述步骤6)中，所述测量装置包括直头测量装置和90°测量装置；
其中：所述直头测量装置包括金属直套筒、设置在所述金属直套筒内腔的第一电源、可滑动地从所述金属直套筒一端开口插入内腔的第一测针及一端通过导线与第一电源正极电连的第一二极管，所述第一二极管的另一端电连在所述金属直套筒上，且所述第一电源负极与所述金属直套筒内腔底面之间有间隙；
所述90°测量装置包括L型金属套筒、设置在入所述L型金属套筒竖杆内腔的第二电源、可滑动地从竖杆一端插入内腔的第二测针及一端通过导线与所述第二电源正极电连的第二二极管，所述第二二极管的另一端电连在所述竖杆上，且所述第二电源负极与所述竖杆内腔底面之间有间隙。
进一步地，所述步骤1)中，所有直柄和所有变径柄均设计为蜂窝结构。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明滑翔天线罩深盲型腔加工及在线测量方法，解决了现有对滑翔天线罩深盲型腔加工的缺陷，且加工精度高；通过在线检测了解零件实时动态，检测效率高，便与对零件进行精确修正加工；
2、采用模块化组合的刀具可以应对不同环境下零部件加工的需要，最大限度缩短定制减震刀杆周期，并节省刀具成本；
3、采用专用坐标变换装置把四轴联动加工改变为定B轴三轴加工，大大提升了加工效率，提升了找正精度。
附图说明
图1为滑翔天线罩的乘波体形状结构示意图；
图2为本发明刀具结构示意图；
图3为本发明在0°加工坐标系下示意图。
图4为本发明在X°加工坐标系下示意图；
图5为本发明直头测量装置结构示意图；
图6为本发明90°测量装置结构示意图；
图7本发明测量装置检测示意图；
图8为实施例中刀具结构示意图。
图中各部件标号如下：
球销1、插杆2、直头测量装置3、
Figure BDA0001831975700000041
直柄4、
Figure BDA0001831975700000042
变径柄5、
Figure BDA0001831975700000043
直柄6、
Figure BDA0001831975700000044
变径柄7、
Figure BDA0001831975700000045
直柄8、
Figure BDA0001831975700000046
变径柄9、刀杆10、刀具11、90°测量装置12、第一测针13、金属直套筒14、第一电源15、第一二极管16、L型金属套筒17、第二二极管18、第二测针19、第二电源20。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
一种滑翔天线罩深盲型腔加工及在线测量方法，包括如下步骤：
1)设计并定制刀具
刀具从左至右(按照图2的视图方位)依次包括一个刀杆、一个
Figure BDA0001831975700000047
变径柄和至少一个
Figure BDA0001831975700000048
直柄、一个
Figure BDA0001831975700000049
变径柄和至少一个
Figure BDA00018319757000000410
直柄、……、一个
Figure BDA00018319757000000411
变径柄和至少一个
Figure BDA00018319757000000412
直柄，且
Figure BDA0001831975700000051
同时，刀杆的直径等于
Figure BDA0001831975700000052
n为自然数且不大于20，变径柄的设计实现了两种不同直径直柄的光滑过渡，避免两种直径直柄直接过渡产生较大应力集中，从而引起大的震动，降低刀杆精度，变径柄的设计也有利于刀杆的最大化设计；变径柄用于两种不同直柄之间的转换，相同直径的变径柄在一件刀具里只能选用一次，而直柄用于刀具加长，相同直径的直柄在一件刀具里可以多次选用；另外，为了减轻刀具重量，所有直柄和所有变径柄均设计为蜂窝结构；
2)确定0°加工坐标系并确定加工部位
加工前，在UG三维软件上运用零件理论模型确定0°加工坐标系，并在0°加工坐标系下，运用零件理论模型和刀具生成程序，通过模拟加工，确定加工部位和不可加工部位；
为了获得最大刚性，模拟加工时，刀具各部分(包括刀杆、所有直柄和所有变径柄)不能与零件内表面碰撞，并将刀具各部分设计到最大化；
3)旋转0°加工坐标系并确定旋转X°后的加工坐标系
旋转角度X°找到步骤2)中的不可加工部位再并确定旋转X°后的加工坐标系，然后对不可加工部位进行加工，必要时根据模拟加工结果重新修正设计刀具外形；通过模拟加工中的反复修改，设计出最大化的刀具，如图2所示，变径柄有三种：
Figure BDA0001831975700000053
变径柄5、
Figure BDA0001831975700000054
变径柄7、
Figure BDA0001831975700000055
变径柄9，直柄有三种：
Figure BDA0001831975700000056
直柄4、
Figure BDA0001831975700000057
直柄6、
Figure BDA0001831975700000058
直柄8，刀杆10的直径为20mm，且所有直柄和所有变径柄的长度均为100mm，其中
Figure BDA0001831975700000059
刀杆10和
Figure BDA00018319757000000510
变径柄9为必选；
旋转角度X°后，为了能够找到零件0°加工坐标的原定位置，设计了一种专用坐标变换装置(见图3)，该专用坐标变换装置包括球销1和固定在球销1上的插杆2，且插杆2的中心线穿过球销1的球心，本实施例中，球销1为
Figure BDA00018319757000000511
球销、插杆2为
Figure BDA00018319757000000512
插杆；
4)确定加工余量并建立0°加工坐标系
通过三维激光扫描仪扫描毛坯件的毛坯型面，得到毛坯扫描型面数据；在PolyWorks三维软件上对比毛坯扫描型面数据和零件理论模型数据，确定天线罩型面各处的加工余量，根据加工余量在机床上建立0°加工坐标系；
5)加工内型腔
如图3、4所示，按预先设定的0°加工坐标系找正毛坯件，并在0°加工坐标系下加工毛坯件内型腔；旋转X°，采用步骤3)中的专用坐标变换装置，找正旋转X°后的加工坐标系，加工剩余部分内型腔，具体过程如下：
结合图3所示，专用坐标变换装置的插杆1固定安装在工件端面任意某个部位，通过机床找正球销的球心坐标，测量并记录球销的球心O2相对于机床坐标系的绝对坐标值(X2，Z2)，同时测量并记录工件坐标系起始点O1坐标值(X1，Z1)，然后计算工件坐标系起始点O1与球销的球心O2之间的坐标差值ΔX和ΔZ，ΔX＝X1-X2，ΔZ＝Z1-Z2，利用直角三角形勾股定理计算出O1到O2长度L和L相对于水平线的角度A，由于旋转过程坐标系Y值不变，故不计算；旋转工作平台旋转角度X°，结合图4所示，重新找正球销的球心O4相对于机床坐标系的坐标值(X4，Z4)，此时工件坐标系为O3(X3，Z3)，无论旋转角度X°为多少，旋转后L为恒定值，旋转后角度C＝A-X°，利用勾股定理可算出X3＝X4+L×sinC，Z3＝Z4+L×cosC，得出工件旋转X°后的加工坐标系坐标值为(X3，Z3)；
6)利用测量装置在线检测内型腔典型点坐标值，对比零件理论模型数据，确定修正量，并分别在0°和X°下精修加工内型腔。
由于天线罩内型腔空间狭窄，容易产生干涉，测量装置包括直头测量装置(如图5所示)和90°测量装置(如图6所示)。直头测量装置用于测量头部狭小空间典型点，90°测量装置用于测量开口端及中部侧面典型点；并且直头测量装置和90°测量装置均安装在上述定制刀具上使用。
结合图5所示，直头测量装置3包括金属直套筒14、设置在金属直套筒14内腔的第一电源15、可滑动地从金属直套筒14一端开口插入内腔的第一测针13及一端通过导线与第一电源15正极电连的第一二极管16，第一二极管16的另一端电连在金属直套筒上，且第一电源负极与金属直套筒内腔底面之间有间隙。使用时，金属直套筒另一端固定在刀具上，即刀具的刀杆换成直头测量装置；当第一测针接触到零件时，推动第一测针和第一电源向后移动(即金属直套筒内腔底面方向)，当第一电源负极接触金属直套筒内腔底面时，第一二极管亮起，停止移动，记录坐标值。
结合图6所示，90°测量装置12包括L型金属套筒17、设置在入L型金属套筒17竖杆内腔的第二电源20、可滑动地从竖杆一端插入内腔的第二测针19及一端通过导线与第二电源20正极电连的第二二极管18，第二二极管18的另一端电连在竖杆上，且第二电源负极与竖杆内腔底面之间有间隙。使用时，L型金属套筒17的横杆固定在刀具上，即刀具的刀杆换成90°测量装置；当第二测针接触到零件时，推动第二测针和第二电源向后移动(即竖杆内腔底面方向)，当第二电源负极接触竖杆内腔底面时，第二二极管亮起，停止移动，记录坐标值。
如图7所示，两种测量装置的工作过程为：机床驱动刀具带着测量装置靠近专用坐标变换装置时，二极管亮起，停止移动，此时将机床坐标归零；手动拉出测针和电源离开套筒底部，再次用同样方式测量零件内部的典型测量点，二极管亮起时记录坐标值，计算此坐标值和理论模型对应点的坐标值的差值即可得出零件和理论模型偏差。
实施例
针对某型深度为1029mm的天线罩进行详细说明
1)设计并定制刀具
为了获得最大刚性，模拟加工时，刀具各部分(包括刀杆、所有直柄和所有变径柄)不能与零件内表面碰撞，并将刀具各部分设计到最大化，经过反复模拟，初步确定了刀杆11的初步形状，即变径柄有三种：
Figure BDA0001831975700000081
变径柄5、
Figure BDA0001831975700000082
变径柄7、
Figure BDA0001831975700000083
变径柄9，直柄有三种：
Figure BDA0001831975700000084
直柄4、
Figure BDA0001831975700000085
直柄6、
Figure BDA0001831975700000086
直柄8，刀杆10的直径为20mm；
2)确定0°加工坐标系并确定加工部位
加工前，在UG三维软件上运用零件理论模型确定0°加工坐标系，并在0°加工坐标系下，运用零件理论模型和刀具生成程序，通过模拟加工，确定加工部位和不可加工部位；
3)旋转0°加工坐标系并确定旋转X°后的加工坐标系
旋转角度X°找到步骤2)中的不可加工部位再并确定旋转X°后的加工坐标系，然后对不可加工部位进行加工，并根据模拟加工结果重新修正设计刀具外形，设计出最大化的刀具，如图8所示，刀具11由一个
Figure BDA0001831975700000087
刀杆、一个
Figure BDA0001831975700000088
变径柄、两个
Figure BDA0001831975700000089
直柄、一个
Figure BDA00018319757000000810
变径柄、两件
Figure BDA00018319757000000811
直柄、一件
Figure BDA00018319757000000812
变径柄、两件
Figure BDA00018319757000000813
直柄，总长度1000mm，按此制造组装刀具；
4)确定加工余量并建立0°加工坐标系
通过三维激光扫描仪扫描毛坯件的毛坯型面，得到毛坯扫描型面数据；在PolyWorks三维软件上对比毛坯扫描型面数据和零件理论模型数据，确定天线罩型面各处的加工余量，根据加工余量在机床上建立0°加工坐标系，加工余量平均值为5mm；
5)加工内型腔
按预先设定的0°加工坐标系找正毛坯件，并在0°加工坐标系下加工毛坯件内型腔；旋转5°，采用步骤3)中的专用坐标变换装置，找正旋转5°后的加工坐标系，加工剩余部分内型腔，具体过程如下：
专用坐标变换装置的插杆固定安装在工件端面任意某个部位，通过机床找正球销的球心坐标，测量并记录球销的球心O2相对于机床坐标系的绝对坐标值(-79.6，-297.2)，同时测量并记录工件坐标系起始点O1坐标值(11.9，-368.6)，然后计算工件坐标系起始点O1与球销的球心O2之间的坐标差值ΔX＝91.5，ΔZ＝71.4，利用直角三角形勾股定理计算出O1到O2长度L＝116.1和L相对与水平线角度A＝52°，由于旋转过程坐标系Y值不变，故不计算，在0°状态下完成零件内型腔可加工部分的加工；旋转工作平台旋转角度X°，重新找正球销的球心O4相对于机床坐标系的坐标值(-60.2，-290)，此时工件坐标系为O3(X3，Z3)，旋转后L为恒定值，旋转后角度C＝A-5°＝47°，利用勾股定理可算出X3＝X4+L×sinC＝24.8，Z3＝Z4+L×cosC＝369.2，得出工件旋转5°后的加工坐标系坐标值为(24.8，369.2)，由此编制加工程序加工零件在0°下未加工部分的内型腔；
6)利用测量装置在线检测内型腔典型点坐标值，对比零件理论模型数据，确定修正量为0.35mm，并分别在0°和5°下精修加工内型腔；
7)精修内型腔后，利用测量装置重新测量零件典型点对比理论模型，差值均为0.03mm，加工符合要求即加工完成。

Claims (6)

1.一种滑翔天线罩深盲型腔加工及在线测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)设计并定制刀具
刀具从左至右依次包括一个刀杆、一个
Figure FDA0001831975690000011
变径柄和至少一个
Figure FDA0001831975690000012
直柄、一个
Figure FDA0001831975690000013
变径柄和至少一个
Figure FDA0001831975690000014
直柄、……、一个
Figure FDA0001831975690000015
变径柄和至少一个
Figure FDA0001831975690000016
直柄，且
Figure FDA0001831975690000017
Figure FDA0001831975690000018
同时，刀杆的直径等于
Figure FDA0001831975690000019
n为自然数；
2)确定0°加工坐标系并确定加工部位
加工前，在UG三维软件上运用零件理论模型确定0°加工坐标系，并在0°加工坐标系下，运用零件理论模型和刀具生成程序，通过模拟加工，确定加工部位，剩余的为不可加工部位；
3)旋转0°加工坐标系并确定旋转X°后的加工坐标系
旋转角度X°找到步骤2)中的不可加工部位再并确定旋转X°后的加工坐标系，然后对不可加工部位进行加工，且根据模拟加工结果重新修正设计刀具外形；
4)确定加工余量并建立0°加工坐标系
通过三维激光扫描仪扫描毛坯件的毛坯型面，得到毛坯扫描型面数据；在PolyWorks三维软件上对比毛坯扫描型面数据和零件理论模型数据，确定天线罩型面各处的加工余量，根据加工余量在机床上建立0°加工坐标系；
5)加工内型腔
按预先设定的0°加工坐标系找正毛坯件，并在0°加工坐标系下加工毛坯件内型腔；旋转X°，采用专用坐标变换装置，找正旋转X°后的加工坐标系，加工剩余部分内型腔；
6)利用测量装置在线检测内型腔典型点坐标值，对比零件理论模型数据，确定修正量，并分别在0°和X°下精修加工内型腔。
2.根据权利要求1所述滑翔天线罩深盲型腔加工及在线测量方法，其特征在于：所述步骤1)中，n小于等于20。
3.根据权利要求1所述滑翔天线罩深盲型腔加工及在线测量方法，其特征在于：所述步骤3)中，通过模拟加工中的反复修改，设计出最大化的刀具，变径柄有三种：
Figure FDA0001831975690000021
变径柄(5)、
Figure FDA0001831975690000022
变径柄(7)、
Figure FDA0001831975690000023
变径柄(9)，直柄有三种：
Figure FDA0001831975690000024
直柄(4)、
Figure FDA0001831975690000025
直柄(6)、
Figure FDA0001831975690000026
直柄(8)，刀杆(10)的直径为20mm，且所有直柄和所有变径柄的长度均为相等，其中
Figure FDA0001831975690000027
刀杆(10)和
Figure FDA0001831975690000028
变径柄(9)为必选项。
4.根据权利要求1所述滑翔天线罩深盲型腔加工及在线测量方法，其特征在于：所述步骤5)中所述专用坐标变换装置包括球销(1)和固定在球销(1)上的插杆(2)，且插杆(2)的中心线穿过球销(1)的球心；
具体加工过程为：专用坐标变换装置的插杆(1)固定安装在工件端面任意某个部位，通过机床找正球销的球心坐标，测量并记录球销的球心O2相对于机床坐标系的绝对坐标值(X2，Z2)，同时测量并记录工件坐标系起始点O1坐标值(X1，Z1)，然后计算工件坐标系起始点O1与球销的球心O2之间的坐标差值ΔX和ΔZ，ΔX＝X1-X2，ΔZ＝Z1-Z2，利用直角三角形勾股定理计算出O1到O2长度L和L相对于水平线的角度A，由于旋转过程坐标系Y值不变，故不计算；旋转工作平台旋转角度X°，重新找正球销的球心O4相对于机床坐标系的坐标值(X4，Z4)，此时工件坐标系为O3(X3，Z3)，无论旋转角度X°为多少，旋转后L为恒定值，旋转后角度C＝A-X°，利用勾股定理可算出X3＝X4+L×sinC，Z3＝Z4+L×cosC，得出工件旋转X°后的加工坐标系坐标值为(X3，Z3)。
5.根据权利要求1所述滑翔天线罩深盲型腔加工及在线测量方法，其特征在于：所述步骤6)中，所述测量装置包括直头测量装置(3)和90°测量装置(12)；
其中：所述直头测量装置(3)包括金属直套筒(14)、设置在所述金属直套筒(14)内腔的第一电源(15)、可滑动地从所述金属直套筒(14)一端开口插入内腔的第一测针(13)及一端通过导线与第一电源(15)正极电连的第一二极管(16)，所述第一二极管(16)的另一端电连在所述金属直套筒(14)上，且所述第一电源(15)负极与所述金属直套筒(14)内腔底面之间有间隙；
所述90°测量装置(12)包括L型金属套筒(17)、设置在入所述L型金属套筒(17)竖杆内腔的第二电源(20)、可滑动地从竖杆一端插入内腔的第二测针(19)及一端通过导线与所述第二电源(20)正极电连的第二二极管(18)，所述第二二极管(18)的另一端电连在所述竖杆上，且所述第二电源(20)负极与所述竖杆内腔底面之间有间隙。
6.根据权利要求1所述滑翔天线罩深盲型腔加工及在线测量方法，其特征在于：所述步骤1)中，所有直柄和所有变径柄均设计为蜂窝结构。
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