CN113210688B - 一种喷管零件钎身喉部流道槽的铣槽轨迹确定方法 - Google Patents

一种喷管零件钎身喉部流道槽的铣槽轨迹确定方法 Download PDF

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CN113210688B CN202110541893.0A CN202110541893A CN113210688B CN 113210688 B CN113210688 B CN 113210688B CN 202110541893 A CN202110541893 A CN 202110541893A CN 113210688 B CN113210688 B CN 113210688B
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    • Y02E10/20—Hydro energy

Abstract

本发明公开了一种喷管零件钎身喉部流道槽的铣槽轨迹确定方法，包括以下步骤：步骤1、测量流道槽处壁厚，确定铣削的走刀轨迹；步骤2、计算铣削加工的起点和终点；步骤3、根据铣削的走刀轨迹和起始点拟合铣削曲线。本发明通过铣削加工将对应流道槽铣通，铣通区域和铣削厚度精确，且产品铣削剩余壁厚一致满足加工要求；克服了现有技术中人工操作边铣削边测量过程中效率低、精度差、表面粗糙、一致性差等问题。

Description

一种喷管零件钎身喉部流道槽的铣槽轨迹确定方法
技术领域
本发明属液位燃料火箭发动机喷管加工技术领域，具体涉及一种喷管零件钎身喉部流道槽的铣槽轨迹确定方法。
背景技术
液体燃料火箭发动机喷管零件为低刚度、复杂母线回转体，外形图见图1。喷管零件的钎身喉部由中段和尾喷管人工找正后焊接而成，焊接前如图2所示，由于钎焊毛坯件壁厚分布不均匀，焊接误差较大，导致中段和尾喷管上对应的两部分流道槽存在位置偏差，流道槽焊缝处加工前处于如图3所示的堵塞状态。
铣通中段和尾喷管上对应流道槽的传统加工过程是人工利用仪表和工装辅助，一边测量一边记录，再将喷管零件装卡在铣床上，人工操作机械手轮拟合出流道槽的加工轨迹。这种加工方法对工人的操作要求非常高，容易出现失误导致加工超差，同时加工精度也很低，加工表面粗糙。即使是数控机床按图纸设计数据加工也无法解决上述铣槽工序造成喷管零件形变实际尺寸与图纸尺寸偏差的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种喷管零件钎身喉部流道槽的铣槽轨迹确定方法，解决了现有技术中人工操作边铣削边测量过程中效率低、精度差以及一致性差的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种喷管零件钎身喉部流道槽的铣槽轨迹确定方法，按照以下步骤实施：
步骤1、测量流道槽处壁厚，确定铣削的走刀轨迹
步骤1.1、以喷管零件轴线方向为X轴，有尾喷管指向中段方向为X轴正方向，以喷管零件径向方向为Z轴，X轴和Z轴交点为原点O，建立二维直角坐标系，并设定喷管零件的回转方向为旋转轴A轴；
步骤1.2、测量流道槽处不同点位的零件壁厚、零件外表面轮廓和零件内表面轮廓；
步骤1.3、计算铣削的走刀轨迹；
步骤2、计算铣削加工的起点和终点
步骤2.1、确定Z轴位置的下刀起点；
步骤2.2、确定X轴位置的加工起点和终点；
步骤2.3、在原坐标系OXZ的基础上，以喷管零件径向方向为Y轴，建立三维直角坐标系，Y轴分别与X轴、Z轴垂直，确定A轴位置的加工起点和终点；
步骤3、根据铣削的走刀轨迹和起始点拟合铣削曲线
步骤3.1、根据步骤1的铣削走刀轨迹和步骤2确定的起始点获得铣削的轮廓点位；
步骤3.2、兼顾衔接的平滑性以及喷管零件的弧度要求拟合曲线，得到最终铣槽的铣削轨迹曲线。
本发明的特点还在于，
步骤1在立式测量工位完成，喷管零件立式设置，喷管零件的尾喷管在下、中段在上；步骤2在加工工位完成，喷管零件卧式设置。
坐标系OXZ的原点O位于喷管零件的轴线上，且距焊缝待铣削处约1-5mm。
步骤1.2具体为，
测量出钎身喉部流道槽多个点位的厚度Labth数集D，数集D的数值为d11、d12、d13、...d1(j-2)、d1(j-1)、d1j，d21、d22、d23、...d2(j-2)、d2(j-1)、d2j，...di1、di2、di3、...di(j-2)、d1(j-1)、dij，dij表示第i个槽的第j个点位的厚度值，数集D对应外表面轮廓Labup的数集U，数集U的数值为u11、u12、u13、...u1(j-2)、u1(j-1)、u1j，u21、u22、u23、...u2(j-2)、u2(j-1)、u2j，...ui1、ui2、ui3、...ui(j-2)、u1(j-1)、uij，uij表示第i个槽的第j个点位外表面Z轴坐标值；
定义内表面轮廓Labdn的数集Q，数值为q11、q12、q13、...q1(j-2)、q1(j-1)、q1j，q21、q22、q23、...q2(j-2)、q2(j-1)、q2j，...qi1、qi2、qi3、...qi(j-2)、q1(j-1)、qij，qij表示第i个槽的第j个点位内表面Z轴坐标值；
数集U需要进行坐标偏移Δz以得到XZ平面内O为原点的坐标值u＇ij,Δz为测量系统的坐标系与测量工位的坐标系的零位之间的偏差，则
u＇ij＝uij–Δz (1)
即内表面轮廓Labdn的数集Q中，
qij＝u＇ij-dij (2)；
步骤1.3具体为，
已知di1为流道槽处壁厚理论值Hgroove，则各流道槽的外表面在XZ平面走刀轨迹Labmill为，
Labmill＝Labdn+Hgroove (3)。
步骤2.1具体为，
先将Z轴定位到一个已知位置，该已知位置位于位移计测量范围之外，沿Z轴负方向等间隔移动，每次移动后停顿进行激光测量Z轴坐标，计算Z轴坐标有效值的均值，即为Z轴位置的下刀起点Zm，
式(4)中，t为所取Z轴坐标有效值的个数。
步骤2.2具体为：
在X轴方向使得测量的起点位于待铣削物一侧，终点在待铣削物另一侧，目测使激光停在待铣削物测量起始参考点的位置，然后执行如下自动程序，
事先设定好测量输出结果模式，假设测量位置X为0时，Y截面廓形高低差为3-4mm，如果出现廓形高低差小于2mm，则判断当前区域为焊缝待铣削物区域，按照这种判断方式多次沿X轴移动相同距离，每次移动后测量Y截面廓形特征，根据各点的测量结果可知加工起始位置的大致X轴坐标XmA，和加工终点位置的X轴坐标XmB；
设定：Y截面廓形特征符合流道槽时，测量系统输出结果为1，Y截面廓形特征符合焊缝待铣削物区域特征时，输出结果为0，那么不同X轴位置时的测量结果为1、1、0、0、0、0、1...，在第一个“1、0”对应点位之间取坐标
式(5)中，l表示第i个槽输出第一个“1、0”中“1”对应的所测点位序号，l+1即为第i个槽输出第一个“1、0”中“0”对应的所测点位序号，l是不为0的自然数；在第一个“0、1”对应点位之间取坐标
式(5)中，p表示第i个槽输出第一个“0、1”中“0”对应的所测点位序号，p+1即为第i个槽输出第一个“0、1”中“1”对应的所测点位序号，p是不为0的自然数；
步骤2.3具体为：
将铣刀Z轴位置移动到Zm，X轴位置移动到XmA，将A轴旋转刀第一条流道槽内，测量此时槽底是否平行于Y轴，如果不平行，将A轴偏移至槽底与Y轴平行，槽底与Y轴平行时A轴的位置即为A轴位置的加工起点；将X轴位置移动到XmB，测量此时槽底是否平行于Y轴，如果不平行，将A轴偏移至槽底与Y轴平行，槽底与Y轴平行时A轴的位置即为A轴位置的加工终点。
步骤3.2、具体为，
将步骤1得到的走刀轨迹点位与加工起点和终点的点位使用NURBS曲线进行拟合计算，
B样条曲线的总方程为：
其中Pi是控制曲线的特征点，Fi,k(u)则是K阶B样条基函数；
三次B样条曲线方程中基函数为：
三次B样条曲线为：
P(t)＝P0×F0,3(t)+P1×F1,3(t)+P2×F2,3(t)+P3×F3,3(t) (9)
三次B样条曲线即为最终铣槽的铣削轨迹曲线。
本发明的有益效果是：
本发明一种喷管零件钎身喉部流道槽的铣槽轨迹确定方法，通过铣削加工将对应流道槽铣通，铣通区域和铣削厚度精确，且产品铣削剩余壁厚一致满足加工要求；克服了现有技术中人工操作边铣削边测量过程中效率低、精度差、表面粗糙、一致性差等问题。
附图说明
图1是火箭发动机喷管零件的结构示意图；
图2是喷管零件中段和尾喷管焊接前的局部示意图；
图3是喷管零件中段和尾喷管焊接后钎身喉部的局部示意图；
图4是喷管零件立式设置状态图；
图5是喷管零件立式设置钎身喉部建立坐标系OXZ的示意图；
图6是使用点激光双头位移计测量流道槽处不同点位的零件壁厚的示意图；
图7是确定Z轴位置的下刀起点的流程图；
图8是确定X轴位置的加工起点和终点的流程图；
图9是确定A轴位置的加工起点和终点的流程图；
图10是校准A轴前后的示意图，图10(a)为校准A轴前的示意图，图10(b)是校准A轴后的示意图；
图11是钎身喉部铣槽走刀轨迹的示意图；
图12是NURBS曲线图。
图中，10.中段，11.尾喷管，12.流道槽，13.焊缝待铣削区域，14.喷管零件外表面轮廓，15.喷管零件内表面轮廓，16.点激光双头位移计。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种喷管零件钎身喉部流道槽的铣槽轨迹确定方法，按照以下步骤实施：
步骤1、使用点激光双头位移计在立式测量工位测量流道槽处壁厚，确定铣削的走刀轨迹
步骤1.1、如图4所示喷管零件立式设置，喷管零件的尾喷管在下、中段在上；如图5所示，以喷管零件轴线方向为X轴，有尾喷管指向中段方向为X轴正方向，以喷管零件径向方向为Z轴，X轴和Z轴交点为原点O，坐标系OXZ的原点O位于喷管零件的轴线上，且距焊缝待铣削处约1-5mm，建立二维直角坐标系，并设定喷管零件的回转方向为旋转轴A轴；
步骤1.2、如图6所示，使用点激光双头位移计测量流道槽处不同点位的零件壁厚、零件外表面轮廓和零件内表面轮廓；
步骤1.2具体为，
测量出钎身喉部流道槽多个点位的厚度Labth数集D，数集D的数值为d11、d12、d13、...d1(j-2)、d1(j-1)、d1j，d21、d22、d23、...d2(j-2)、d2(j-1)、d2j，...di1、di2、di3、...di(j-2)、d1(j-1)、dij，dij表示第i个槽的第j个点位的厚度值，数集D对应外表面轮廓Labup的数集U，数集U的数值为u11、u12、u13、...u1(j-2)、u1(j-1)、u1j，u21、u22、u23、...u2(j-2)、u2(j-1)、u2j，...ui1、ui2、ui3、...ui(j-2)、u1(j-1)、uij，uij表示第i个槽的第j个点位外表面Z轴坐标值；
定义内表面轮廓Labdn的数集Q，数值为q11、q12、q13、...q1(j-2)、q1(j-1)、q1j，q21、q22、q23、...q2(j-2)、q2(j-1)、q2j，...qi1、qi2、qi3、...qi(j-2)、q1(j-1)、qij，qij表示第i个槽的第j个点位内表面Z轴坐标值；
数集U需要进行坐标偏移Δz以得到XZ平面内O为原点的坐标值u＇ij,Δz为测量系统的坐标系与测量工位的坐标系的零位之间的偏差，则
u＇ij＝uij–Δz (1)
即内表面轮廓Labdn的数集Q中，
qij＝u＇ij-dij (2)；
步骤1.3、计算铣削的走刀轨迹；
步骤1.3具体为，
已知di1为流道槽处壁厚理论值Hgroove，则各流道槽的外表面在XZ平面走刀轨迹Labmill为，
Labmill＝Labdn+Hgroove (3)。
步骤2、在加工工位喷管零件卧式设置，并且喷管零件内腔两侧采用专用工装胀紧，计算铣削加工的起点和终点
步骤2.1、确定Z轴位置的下刀起点；
步骤2.1具体为，
如图7所示，先将Z轴定位到一个已知位置，该已知位置位于线激光位移计测量范围之外，沿Z轴负方向等间隔移动，每次移动后停顿进行激光测量Z轴坐标，由于线激光位移计高精度测量范围为15mm，因此每次下降3mm，直到测得5组有效数据，计算Z轴坐标有效值的均值，即为Z轴位置的下刀起点Zm，
式(4)中，t为所取Z轴坐标有效值的个数，t＝5；
步骤2.2、确定X轴位置的加工起点和终点；
步骤2.2具体为：
如图8所示，在X轴方向使得测量的起点位于待铣削物一侧，终点在待铣削物另一侧，目测使激光停在待铣削物测量起始参考点的位置，然后执行如下自动程序，
事先设定好测量输出结果模式，假设测量位置X为0时，Y截面廓形高低差为3-4mm，如果出现廓形高低差小于2mm，则判断当前区域为焊缝待铣削物区域，按照这种判断方式多次沿X轴移动相同距离，每次移动后测量Y截面廓形特征，根据各点的测量结果可知加工起始位置的大致X轴坐标XmA，和加工终点位置的X轴坐标XmB；
设定：Y截面廓形特征符合流道槽时，测量系统输出结果为1，Y截面廓形特征符合焊缝待铣削物区域特征时，输出结果为0，那么不同X轴位置时的测量结果为1、1、0、0、0、0、1、1...，在第一个“1、0”对应点位之间取坐标
式(5)中，l表示第i个槽输出第一个“1、0”中“1”对应的所测点位序号，l+1即为第i个槽输出第一个“1、0”中“0”对应的所测点位序号，l是不为0的自然数；
在第一个“0、1”对应点位之间取坐标
式(6)中，p表示第i个槽输出第一个“0、1”中“0”对应的所测点位序号，p+1即为第i个槽输出第一个“0、1”中“1”对应的所测点位序号，p是不为0的自然数；
步骤2.3、在原坐标系OXZ的基础上，以喷管零件径向方向为Y轴，建立三维直角坐标系，Y轴分别与X轴、Z轴垂直，确定A轴位置的加工起点和终点；
步骤2.3具体为：
如图9所示，将铣刀Z轴位置移动到Zm，X轴位置移动到XmA，将A轴旋转刀第一条流道槽内，测量此时槽底是否平行于Y轴，如果不平行，将A轴偏移至槽底与Y轴平行，槽底与Y轴平行时A轴的位置即为A轴位置的加工起点；将X轴位置移动到XmB，测量此时槽底是否平行于Y轴，如果不平行，将A轴偏移至槽底与Y轴平行，槽底与Y轴平行时A轴的位置即为A轴位置的加工终点。校准A轴前后对比示意图如图10(a)和图10(b)所示。
步骤3、根据铣削的走刀轨迹和起始点拟合铣削曲线
步骤3.1、如图11所示，根据步骤1的铣削走刀轨迹和步骤2确定的起始点获得铣削的轮廓点位；
步骤3.2、兼顾衔接的平滑性以及喷管零件的弧度要求拟合曲线，得到最终铣槽的铣削轨迹曲线；
步骤3.2、具体为，
将步骤1得到的走刀轨迹点位与加工起点和终点的点位使用NURBS曲线进行拟合计算，如图12所示，
B样条曲线的总方程为：
其中Pi是控制曲线的特征点，Fi,k(u)则是K阶B样条基函数；
三次B样条曲线方程中基函数为：
三次B样条曲线为：
P(t)＝P0×F0,3(t)+P1×F1,3(t)+P2×F2,3(t)+P3×F3,3(t) (9)
三次B样条曲线即为最终铣槽的铣削轨迹曲线。

Claims (8)

1.一种喷管零件钎身喉部流道槽的铣槽轨迹确定方法，其特征在于，按照以下步骤实施：
步骤1、测量流道槽处壁厚，确定铣削的走刀轨迹
步骤1.1、以喷管零件轴线方向为X轴，有尾喷管指向中段方向为X轴正方向，以喷管零件径向方向为Z轴，X轴和Z轴交点为原点O，建立二维直角坐标系，并设定喷管零件的回转方向为旋转轴A轴；
步骤1.2、测量流道槽处不同点位的零件壁厚、零件外表面轮廓和零件内表面轮廓；
步骤1.3、计算铣削的走刀轨迹；
步骤2、计算铣削加工的起点和终点
步骤2.1、确定Z轴位置的下刀起点；
步骤2.2、确定X轴位置的加工起点和终点；
步骤2.3、在原坐标系OXZ的基础上，以喷管零件径向方向为Y轴，建立三维直角坐标系，Y轴分别与X轴、Z轴垂直，确定A轴位置的加工起点和终点；
步骤3、根据铣削的走刀轨迹和起始点拟合铣削曲线
步骤3.1、根据步骤1的铣削走刀轨迹和步骤2确定的起始点获得铣削的轮廓点位；
步骤3.2、兼顾衔接的平滑性以及喷管零件的弧度要求拟合曲线，得到最终铣槽的铣削轨迹曲线。
2.根据权利要求1所述的一种喷管零件钎身喉部流道槽的铣槽轨迹确定方法，其特征在于，所述步骤1在立式测量工位完成，所述喷管零件立式设置，所述喷管零件的尾喷管在下、中段在上；所述步骤2在加工工位完成，所述喷管零件卧式设置。
3.根据权利要求1所述的一种喷管零件钎身喉部流道槽的铣槽轨迹确定方法，其特征在于，所述坐标系OXZ的原点O位于喷管零件的轴线上，且距焊缝待铣削处1-5mm。
4.根据权利要求1所述的一种喷管零件钎身喉部流道槽的铣槽轨迹确定方法，其特征在于，所述步骤1.2具体为，
测量出钎身喉部流道槽多个点位的厚度Labth数集D，数集D的数值为d11、d12、d13、...d1(j-2)、d1(j-1)、d1j，d21、d22、d23、...d2(j-2)、d2(j-1)、d2j，...di1、di2、di3、...di(j-2)、d1(j-1)、dij，dij表示第i个槽的第j个点位的厚度值，数集D对应外表面轮廓Labup的数集U，数集U的数值为u11、u12、u13、...u1(j-2)、u1(j-1)、u1j，u21、u22、u23、...u2(j-2)、u2(j-1)、u2j，...ui1、ui2、ui3、...ui(j-2)、u1(j-1)、uij，uij表示第i个槽的第j个点位外表面Z轴坐标值；
定义内表面轮廓Labdn的数集Q，数值为q11、q12、q13、...q1(j-2)、q1(j-1)、q1j，q21、q22、q23、...q2(j-2)、q2(j-1)、q2j，...qi1、qi2、qi3、...qi(j-2)、q1(j-1)、qij，qij表示第i个槽的第j个点位内表面Z轴坐标值；
数集U需要进行坐标偏移Δz以得到XZ平面内O为原点的坐标值u＇ij,Δz为测量系统的坐标系与测量工位的坐标系的零位之间的偏差，则
u＇ij＝uij–Δz (1)
即内表面轮廓Labdn的数集Q中，
qij＝u＇ij-dij (2)；
所述步骤1.3具体为，
已知di1为流道槽处壁厚理论值Hgroove，则各流道槽的外表面在XZ平面走刀轨迹Labmill为，
Labmill＝Labdn+Hgroove (3)。
5.根据权利要求1所述的一种喷管零件钎身喉部流道槽的铣槽轨迹确定方法，其特征在于，步骤2.1具体为，
先将Z轴定位到一个已知位置，该已知位置位于位移计测量范围之外，沿Z轴负方向等间隔移动，每次移动后停顿进行激光测量Z轴坐标，计算Z轴坐标有效值的均值，即为Z轴位置的下刀起点Zm，
式(4)中，t为所取Z轴坐标有效值的个数。
6.根据权利要求5所述的一种喷管零件钎身喉部流道槽的铣槽轨迹确定方法，其特征在于，所述步骤2.2具体为：
在X轴方向使得测量的起点位于待铣削物一侧，终点在待铣削物另一侧，目测使激光停在待铣削物测量起始参考点的位置，然后执行如下自动程序，
事先设定好测量输出结果模式，假设测量位置X为0时，Y截面廓形高低差为3-4mm，如果出现廓形高低差小于2mm，则判断当前区域为焊缝待铣削物区域，按照这种判断方式多次沿X轴移动相同距离，每次移动后测量Y截面廓形特征，根据各点的测量结果可知加工起始位置的大致X轴坐标XmA，和加工终点位置的X轴坐标XmB；
设定：Y截面廓形特征符合流道槽时，测量系统输出结果为1，Y截面廓形特征符合焊缝待铣削物区域特征时，输出结果为0，那么不同X轴位置时的测量结果为1、1、0、0、0、0、1、1...，在第一个“1、0”对应点位之间取坐标
式(5)中，l表示第i个槽输出第一个“1、0”中“1”对应的所测点位序号，l+1即为第i个槽输出第一个“1、0”中“0”对应的所测点位序号，l是不为0的自然数；
在第一个“0、1”对应点位之间取坐标
p表示第i个槽输出第一个“0、1”中“0”对应的所测点位序号，p+1即为第i个槽输出第一个“0、1”中“1”对应的所测点位序号，p是不为0的自然数。
7.根据权利要求6所述的一种喷管零件钎身喉部流道槽的铣槽轨迹确定方法，其特征在于，所述步骤2.3具体为：
将铣刀Z轴位置移动到Zm，X轴位置移动到XmA，将A轴旋转刀第一条流道槽内，测量此时槽底是否平行于Y轴，如果不平行，将A轴偏移至槽底与Y轴平行，槽底与Y轴平行时A轴的位置即为A轴位置的加工起点；将X轴位置移动到XmB，测量此时槽底是否平行于Y轴，如果不平行，将A轴偏移至槽底与Y轴平行，槽底与Y轴平行时A轴的位置即为A轴位置的加工终点。
8.根据权利要求1所述的一种喷管零件钎身喉部流道槽的铣槽轨迹确定方法，其特征在于，所述步骤3.2、具体为，
将步骤1得到的走刀轨迹点位与加工起点和终点的点位使用NURBS曲线进行拟合计算，
B样条曲线的总方程为：
其中Pi是控制曲线的特征点，Fi,k(u)则是K阶B样条基函数；
三次B样条曲线方程中基函数为：
三次B样条曲线为：
P(t)＝P0×F0，3(t)+P1×F1，3(t)+P2×F2，3(t)+P3×F3，3(t) (9)
三次B样条曲线即为最终铣槽的铣削轨迹曲线。
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