CN110539162B - 一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，属于运载火箭先进制造技术领域；步骤一、在燃料箱的底部安装4个燃料箱导管安装法兰；步骤二、安装4个发动机启动阀导管安装法兰；步骤三、将燃料箱安装对接环与发动机安装对接环对接；步骤四、测量对应的燃料箱导管安装法兰在基准坐标系o3x3y3z3中的坐标和3个方向的矢量；步骤五、模拟发动机启动阀导管安装法兰和燃料箱导管安装法兰的相对位置；步骤六、安装第一根待安装导管；步骤七、重复步骤四至步骤六3次，获得其它3根待安装导管；步骤八、对装配间隙进行判断；本发明解决了必须根据箭上实际装配空间开展导管生产才能满足其最终在箭体上精确对接装配要求的难题。

Description

一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法

技术领域

本发明属于运载火箭先进制造技术领域，涉及一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法。

背景技术

由于运载火箭箭体的制造误差、发动机的制造和装配误差以及各组件的装配累积误差等原因，导致部分拼焊型导管必须根据箭体上的实际装配空间制造方可满足精确对接装配的要求。在现役运载火箭中，此类拼焊型导管通常采用现场实物取样制造的生产模式，当总装进行到相应部段后开展导管的现场实物取样，然后返回制造车间进行导管制造，再到总装车间进行试装，能满足装配要求后再返回制造车间进行后续的性能检测，最后交付总装车间完成装配后开展后续的总装。因此，在型号总装过程中该部分始终为“串行制造”的状态，无法开展其它相关的总装工作，需要完成导管的取样制造以及箭上装配后方可开展后续的总装工作，导致出现较多的总装等待时间、影响型号的总装效率。此外，CZ-5/CZ-7等新一代运载火箭的增压输送系统管路产品采取京津异地生产和总装的生产组织模式，增加了现场实物取样的执行难度和资源浪费，现场实物取样将需要设计人员、工艺人员、操作人员以及检验人员在京津两地多次往返，对总装效率的影响更加凸显，对时间资源和人力资源的浪费更加凸显。因此，无论从现役运载型号高密度发射对管路产品精确制造和高效制造的需求而言，还是从新一代运载火箭的管路产品实现京津异地制造和总装对精确制造和高效制造的需求而言，都需要改变传统现场实物取样的“串行制造”模式而实现“并行制造”模式以缩短甚至消除总装等待时间。此外，随着运载火箭的研制逐步进入数字化设计和数字化制造的新阶段，通过人工的方式进行现场实物取样已经不适应运载火箭数字化制造的发展趋势；随着重型运载火箭的研制进入关深阶段，型号研制的技术贮备也正式进入实质性阶段，箭体结构的显著增大也造成不再具备导管制造的现场实物取样的条件。

综上所述，在运载火箭增压输送管路系统中，尤其是中大直径的拼焊型导管，由于运载火箭箭体的制造误差、发动机的制造和装配误差以及各组件的装配累积误差等原因，部分导管需要根据箭体上的实际装配空间开展生产方可确保其在箭体上的对接装配。传统的现场实物取样制造的“串行制造”造成的总装等待时间已严重影响型号的总装效率，已不适应运载火箭数字化制造的发展趋势，已不能满足重型运载等新型号研制的需求，这种“串行制造”模式的弊端日益凸显，急需采取有效的方法实现此类取样导管的精确制造和高效制造。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，解决了必须根据箭上实际装配空间开展导管生产才能满足其最终在箭体上精确对接装配要求的难题。

本发明解决技术的方案是：

一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，包括如下步骤：

步骤一、燃料箱轴向竖直放置，在燃料箱的底部环绕中心安装4个燃料箱导管安装法兰；燃料箱的底部外圈设置有燃料箱安装对接环；

步骤二、将发动机安装板水平放置；将发动机安装对接环通过机架水平固定安装在发动机安装板的上方；将4个发动机启动阀导管安装法兰固定安装在发动机安装板的上表面；

步骤三、将燃料箱安装对接环与发动机安装对接环对接；获得待安装导管的安装空间；

步骤四、在其中1个发动机启动阀导管安装法兰的上表面建立基准坐标系o3x3y3z3，测量得到该发动机启动阀导管安装法兰对应的燃料箱导管安装法兰在基准坐标系o3x3y3z3中的坐标和在基准坐标系3个方向的矢量；

步骤五、在固定平台轴向水平固定安装第一三爪卡盘；六自由度机器人的输出端连接第二三爪卡盘；通过第一三爪卡盘和第二三爪卡盘模拟发动机启动阀导管安装法兰和燃料箱导管安装法兰的相对位置；

步骤六、在第一三爪卡盘与第二三爪卡盘之间安装第一根待安装导管；

步骤七、重复步骤四至步骤六3次，获得其它3根待安装导管；

步骤八、将4根待安装导管分别安装在4个燃料箱导管安装法兰与4个发动机启动阀导管安装法兰之间，对每根待安装导管装配后与燃料箱导管安装法兰的间隙进行判断；当合格时，制造完成；当不合格时，重复步骤四至步骤六，重新制造。

在上述的一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，所述步骤一中，4个燃料箱导管安装法兰的安装方法为：

S1、建立第一测量坐标系o1x1y1z1；

S2、根据4个燃料箱导管安装法兰在第一测量坐标系o1x1y1z1的坐标和3个方向的矢量，进行安装。

在上述的一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，所述S1中，第一测量坐标系o1x1y1z1的建立方法为：原点o1为燃料箱安装对接环的中心；y1方向为水平向右，且y1方向指向燃料箱安装对接环的径向；z1方向竖直向上，x1方向由右手定则确定。

在上述的一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，所述步骤二中，4个发动机启动阀导管安装法兰的安装方法为：

S1、建立第二测量坐标系o2x2y2z2；

S2、根据4个发动机启动阀导管安装法兰在第二测量坐标系o2x2y2z2的坐标和3个方向的矢量，进行安装。

在上述的一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，所述S1中，第二测量坐标系o2x2y2z2的建立方法为：原点o2为发动机安装对接环的中心；y2方向与y1方向相同，且y2方向指向发动机安装对接环的径向；z2方向与z1方向相反，x2方向由右手定则确定。

在上述的一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，所述步骤三中，燃料箱安装对接环与发动机安装对接环对接时，第一测量坐标系与第二测量坐标系重合，且4个发动机启动阀导管安装法兰分别与4个燃料箱导管安装法兰对应。

在上述的一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，所述步骤四中，基准坐标系o3x3y3z3的建立方法为：原点o3为发动机启动阀导管安装法兰上表面的中心；y3轴位于发动机启动阀导管安装法兰轴线，且指向向上；x3轴为燃料箱导管安装法兰与发动机启动阀导管安装法兰连线在发动机启动阀导管安装法兰上表面的投影方向，且指向外侧；z3轴由右手定则确定。

在上述的一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，所述步骤五中，模拟发动机启动阀导管安装法兰和燃料箱导管安装法兰相对位置的具体方法为：第一三爪卡盘固定不动，第一三爪卡盘模拟发动机启动阀导管安装法兰；通过六自由度机器人调整第二三爪卡盘的位置和角度，以第二三爪卡盘模拟燃料箱导管安装法兰；实现第二三爪卡盘相对于第一三爪卡盘的坐标和3个方向矢量，与步骤四中的燃料箱导管安装法兰相对于发动机启动阀导管安装法兰的坐标和3个方向矢量相同。

在上述的一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，所述步骤六中，安装第一根待安装导管的方法为：待安装导管包括半成品导管段、半边管和连接管法兰；

S1、将半成品导管段的一端与第一三爪卡盘对接；将连接管法兰与第二三爪卡盘对接；将半成品导管段的另一端指向连接管法兰；

S2、对半边管的两端进行修配，将半边管安装在半成品导管段与连接管法兰之间；实现半成品导管段与连接管法兰吻合连接。

在上述的一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，所述步骤八中，对待安装导管装配后与燃料箱导管安装法兰的间隙判断的具体方法：当待安装导管装配后与燃料箱导管安装法兰的间隙在-2.0mm～2.0mm之间时，认为待安装导管合格；否则，认为不合格。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用了基于空间坐标测量并以数量传递的方式进行中大直径拼焊型导管的制造，以数字化的制造手段代替了传统的现场实物取样制造，提高了导管制造的数字化水平，实现了取样导管的精确制造和高效制造，使导管能够满足箭上精确对接装配的要求；

(2)本发明采用了基于空间坐标测量和实体模型对接装配的方法进行导管在箭体上的实际装配空间的获取，使得在燃料箱和发动机进行实际对接装配前的分体状态下即可以开展测量工作，基于测量数据开展导管制造，实现了导管制造与总装进程的“串行制造”模式向“并行制造”模式的转变，甚至可以提前开展生产并按照成品导管提前交付，实现了取样导管的高效制造，缩短甚至消除了总装等待时间，提高了型号的总装效率；

(3)本发明取代了现场实物取样时通过人工装配和肉眼比对的方法确认装配精度；同时，通过基于机器人的系统复现导管在箭体上的实际装配空间，从而开展导管的模拟现场取样。基于测量数据的导管制造，提高了取样导管的制造精度，实现了中大直径拼焊型导管的精确制造；

(4)本发明通过导管的装配间隙判断其在箭体上满足精确对接装配要求的程度，为中大直径取样导管的制造精度提供了有效的检验手段，实现了取样导管制造精度的精准检验，确保基于运载火箭实际装配空间进行数字取样制造的导管在箭体上的一次装配合格率。

附图说明

图1为本发明燃料箱底部导管安装法兰空间位置图；

图2为本发明发动机安装板导管安装法兰空间位置图；

图3为本发明发动机安装对接环与燃料箱安装对接环对接示意图；

图4为本发明模拟2个导管安装法兰对应位置示意图；

图5为本发明半成品导管段、半边管和连接管法兰示意图；

图6为本发明待安装导管成型示意图；

图7为本发明4根待安装导管实际装配示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

在发动机与燃料箱1还未进行对接的分体状态下，进行箱体法兰的空间位置的测量；首先要建立燃料箱1的模型，如图1，燃料箱1为轴向竖直放置的柱体结构；在燃料箱1的底部环绕中心安装4个燃料箱导管安装法兰3；燃料箱1的底部外圈设置有燃料箱安装对接环2；然后建立发动机安装板与发动机安装对接环模型，如图2，发动机安装板5为环形板状结构；将发动机安装板5水平放置；发动机安装对接环6同样为环状结构；机架7为多根杆状结构；机架7设置在发动机安装对接环6与发动机安装板5之间，起固定连接作用；多根杆沿发动机安装板5周向均匀分布；发动机安装对接环6通过机架7水平固定安装在发动机安装板5的上方；将4个发动机启动阀导管安装法兰4固定安装在发动机安装板5的上表面；

其中，4个燃料箱导管安装法兰3的安装方法为：建立第一测量坐标系o1x1y1z1；原点o1为燃料箱安装对接环2的中心；y1方向为水平向右，且y1方向指向燃料箱安装对接环2的径向；z1方向竖直向上，x1方向由右手定则确定；预设4个燃料箱导管安装法兰3在第一测量坐标系o1x1y1z1的坐标和3个方向的矢量；根据4个燃料箱导管安装法兰3在第一测量坐标系o1x1y1z1的坐标和3个方向的矢量，进行安装；本实施例中，4个燃料箱导管安装法兰3的坐标和3个方向的矢量分别为：

燃料箱1底部第一导管安装法兰3的法兰中心在第一测量坐标系o1x1y1z1中的坐标为(354.68，355.37，6.37)；且第一导管安装法兰3在3个方向的矢量分别为(0.984，0.159，0.073)；

燃料箱1底部第二导管安装法兰3的法兰中心在第一测量坐标系o1x1y1z1中的坐标为(-351.81，355.14，6.52)；且第一导管安装法兰3在3个方向的矢量分别为(0.985，0.075，-0.155)；

燃料箱1底部第三导管安装法兰3的法兰中心在第一测量坐标系o1x1y1z1中的坐标为(-353.54，-352.77，7.32)；且第一导管安装法兰3在3个方向的矢量分别为(0.986，-0.150，-0.076)；

燃料箱1底部第四导管安装法兰3的法兰中心在第一测量坐标系o1x1y1z1中的坐标为(355.04，-352.93，7.43)；且第一导管安装法兰3在3个方向的矢量分别为(0.985，-0.072，0.156)。

同样，4个发动机启动阀导管安装法兰4的安装方法为：首先，建立第二测量坐标系o2x2y2z2；原点o2为发动机安装对接环6的中心；y2方向与y1方向相同，且y2方向指向发动机安装对接环6的径向；z2方向与z1方向相反，x2方向由右手定则确定。随后根据预设的4个发动机启动阀导管安装法兰4在第二测量坐标系o2x2y2z2的坐标和3个方向的矢量，进行安装；本实施例中，4个发动机启动阀导管安装法兰4在第二测量坐标系o2x2y2z2的坐标和3个方向的矢量分别为：

第一发动机启动阀的导管安装法兰4的法兰中心在第二测量坐标系o2x2y2z2中的坐标为(532.92，535.97，629.05)；且第一发动机启动阀的导管安装法兰4在3个方向的矢量分别为(-0.999，-0.045，0)；

第二发动机启动阀的导管安装法兰4的法兰中心在第二测量坐标系o2x2y2z2中的坐标为(-528.32，531.08，626.15)；且第二发动机启动阀的导管安装法兰4在3个方向的矢量分别为(-0.998，0，0.056)；

第三发动机启动阀的导管安装法兰4的法兰中心在第二测量坐标系o2x2y2z2中的坐标为(-530.49，-531.64，628.47)；且第三发动机启动阀的导管安装法兰4在3个方向的矢量分别为(-0.999，0.050，0)；

第四发动机启动阀的导管安装法兰4的法兰中心在第二测量坐标系o2x2y2z2中的坐标为(524.13，-528.89，625.79)；且第一发动机启动阀的导管安装法兰4在3个方向的矢量分别为(-0.998，0，-0.058)。

然后将燃料箱安装对接环2与发动机安装对接环6对接，如图3，获得待安装导管的安装空间；燃料箱安装对接环2与发动机安装对接环6对接时，第一测量坐标系与第二测量坐标系重合，且4个发动机启动阀导管安装法兰4分别与4个燃料箱导管安装法兰3对应。

在其中1个发动机启动阀导管安装法兰4的上表面建立基准坐标系o3x3y3z3，测量得到该发动机启动阀导管安装法兰4对应的燃料箱导管安装法兰3在基准坐标系o3x3y3z3中的坐标和在基准坐标系3个方向的矢量；基准坐标系o3x3y3z3的建立方法为：原点o3为发动机启动阀导管安装法兰4上表面的中心；y3轴位于发动机启动阀导管安装法兰4轴线，且指向向上；x3轴为燃料箱导管安装法兰3与发动机启动阀导管安装法兰4连线在发动机启动阀导管安装法兰4上表面的投影方向，且指向外侧；z3轴由右手定则确定。

在固定平台8轴向水平固定安装第一三爪卡盘9；六自由度机器人10的输出端连接第二三爪卡盘11；通过第一三爪卡盘9和第二三爪卡盘11模拟发动机启动阀导管安装法兰4和燃料箱导管安装法兰3的相对位置，如图4所示。模拟发动机启动阀导管安装法兰4和燃料箱导管安装法兰3相对位置的具体方法为：第一三爪卡盘9固定不动，第一三爪卡盘9模拟发动机启动阀导管安装法兰4；通过六自由度机器人10调整第二三爪卡盘11的位置和角度，以第二三爪卡盘11模拟燃料箱导管安装法兰3；实现第二三爪卡盘11相对于第一三爪卡盘9的坐标和3个方向矢量，与步骤四中的燃料箱导管安装法兰3相对于发动机启动阀导管安装法兰4的坐标和3个方向矢量相同。

本实施例中，四个燃料箱导管安装法兰3分别在对应的基准坐标系o3x3y3z3中的坐标及方向矢量如表1所示：

表1

在第一三爪卡盘9与第二三爪卡盘11之间安装第一根待安装导管，如图5所示，其中待安装导管包括半成品导管段12、半边管13和连接管法兰14；首先将半成品导管段12的一端与第一三爪卡盘9对接；将连接管法兰14与第二三爪卡盘11对接；将半成品导管段12的另一端指向连接管法兰14；然后对半边管13的两端进行修配，将半边管13安装在半成品导管段12与连接管法兰14之间；实现半成品导管段12与连接管法兰14吻合连接，如图6所示。重复步骤四至步骤六3次，获得其它3根待安装导管；

将4根待安装导管分别安装在4个燃料箱导管安装法兰3与4个发动机启动阀导管安装法兰4之间，如图7所示。对每根待安装导管装配后与燃料箱导管安装法兰3的间隙进行判断；当待安装导管装配后与燃料箱导管安装法兰3的间隙在-2.0mm～2.0mm之间时，认为待安装导管合格；否则，认为不合格。重复步骤四至步骤六，重新制造。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、燃料箱(1)轴向竖直放置，在燃料箱(1)的底部环绕中心安装4个燃料箱导管安装法兰(3)；燃料箱(1)的底部外圈设置有燃料箱安装对接环(2)；

步骤二、将发动机安装板(5)水平放置；将发动机安装对接环(6)通过机架(7)水平固定安装在发动机安装板(5)的上方；将4个发动机启动阀导管安装法兰(4)固定安装在发动机安装板(5)的上表面；

步骤三、将燃料箱安装对接环(2)与发动机安装对接环(6)对接；获得待安装导管的安装空间；

步骤四、在其中1个发动机启动阀导管安装法兰(4)的上表面建立基准坐标系o3x3y3z3，测量得到该发动机启动阀导管安装法兰(4)对应的燃料箱导管安装法兰(3)在基准坐标系o3x3y3z3中的坐标和在基准坐标系3个方向的矢量；

步骤五、在固定平台(8)轴向水平固定安装第一三爪卡盘(9)；六自由度机器人(10)的输出端连接第二三爪卡盘(11)；通过第一三爪卡盘(9)和第二三爪卡盘(11)模拟发动机启动阀导管安装法兰(4)和燃料箱导管安装法兰(3)的相对位置；

步骤六、在第一三爪卡盘(9)与第二三爪卡盘(11)之间安装第一根待安装导管；

步骤七、重复步骤四至步骤六3次，获得其它3根待安装导管；

步骤八、将4根待安装导管分别安装在4个燃料箱导管安装法兰(3)与4个发动机启动阀导管安装法兰(4)之间，对每根待安装导管装配后与燃料箱导管安装法兰(3)的间隙进行判断；当合格时，制造完成；当不合格时，重复步骤四至步骤六，重新制造。

2.根据权利要求1所述的一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，其特征在于：所述步骤一中，4个燃料箱导管安装法兰(3)的安装方法为：

S1、建立第一测量坐标系o1x1y1z1；

S2、根据4个燃料箱导管安装法兰(3)在第一测量坐标系o1x1y1z1的坐标和3个方向的矢量，进行安装。

3.根据权利要求2所述的一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，其特征在于：所述S1中，第一测量坐标系o1x1y1z1的建立方法为：原点o1为燃料箱安装对接环(2)的中心；y1方向为水平向右，且y1方向指向燃料箱安装对接环(2)的径向；z1方向竖直向上，x1方向由右手定则确定。

4.根据权利要求3所述的一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，其特征在于：所述步骤二中，4个发动机启动阀导管安装法兰(4)的安装方法为：

S1、建立第二测量坐标系o2x2y2z2；

S2、根据4个发动机启动阀导管安装法兰(4)在第二测量坐标系o2x2y2z2的坐标和3个方向的矢量，进行安装。

5.根据权利要求4所述的一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，其特征在于：所述S1中，第二测量坐标系o2x2y2z2的建立方法为：原点o2为发动机安装对接环(6)的中心；y2方向与y1方向相同，且y2方向指向发动机安装对接环(6)的径向；z2方向与z1方向相反，x2方向由右手定则确定。

6.根据权利要求5所述的一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，其特征在于：所述步骤三中，燃料箱安装对接环(2)与发动机安装对接环(6)对接时，第一测量坐标系与第二测量坐标系重合，且4个发动机启动阀导管安装法兰(4)分别与4个燃料箱导管安装法兰(3)对应。

7.根据权利要求1所述的一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，其特征在于：所述步骤四中，基准坐标系o3x3y3z3的建立方法为：原点o3为发动机启动阀导管安装法兰(4)上表面的中心；y3轴位于发动机启动阀导管安装法兰(4)轴线，且指向向上；x3轴为燃料箱导管安装法兰(3)与发动机启动阀导管安装法兰(4)连线在发动机启动阀导管安装法兰(4)上表面的投影方向，且指向外侧；z3轴由右手定则确定。

8.根据权利要求1所述的一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，其特征在于：所述步骤五中，模拟发动机启动阀导管安装法兰(4)和燃料箱导管安装法兰(3)相对位置的具体方法为：第一三爪卡盘(9)固定不动，第一三爪卡盘(9)模拟发动机启动阀导管安装法兰(4)；通过六自由度机器人(10)调整第二三爪卡盘(11)的位置和角度，以第二三爪卡盘(11)模拟燃料箱导管安装法兰(3)；实现第二三爪卡盘(11)相对于第一三爪卡盘(9)的坐标和3个方向矢量，与步骤四中的燃料箱导管安装法兰(3)相对于发动机启动阀导管安装法兰(4)的坐标和3个方向矢量相同。

9.根据权利要求1所述的一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，其特征在于：所述步骤六中，安装第一根待安装导管的方法为：待安装导管包括半成品导管段(12)、半边管(13)和连接管法兰(14)；

S1、将半成品导管段(12)的一端与第一三爪卡盘(9)对接；将连接管法兰(14)与第二三爪卡盘(11)对接；将半成品导管段(12)的另一端指向连接管法兰(14)；

S2、对半边管(13)的两端进行修配，将半边管(13)安装在半成品导管段(12)与连接管法兰(14)之间；实现半成品导管段(12)与连接管法兰(14)吻合连接。

10.根据权利要求1-9之一所述的一种基于箭上实际装配空间的导管数字化取样制造方法，其特征在于：所述步骤八中，对待安装导管装配后与燃料箱导管安装法兰(3)的间隙判断的具体方法：当待安装导管装配后与燃料箱导管安装法兰(3)的间隙在-2.0mm～2.0mm之间时，认为待安装导管合格；否则，认为不合格。

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