CN117733644B - 一种火箭贮箱箱底焊接前的铣削余量测量设备及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及运载火箭贮箱焊接技术领域，具体涉及一种火箭贮箱箱底焊接前的铣削余量测量设备及测量方法。其包括环缝工装和测距仪，环缝工装用于支撑并定位火箭贮箱箱底，测距仪用于测量火箭贮箱箱底的待切削区域直径；环缝工装包括内支撑及压紧机构，内支撑贴合支撑于火箭贮箱箱底的内表面，压紧机构罩设于火箭贮箱箱底的外表面且用于固定限位火箭贮箱箱底；内支撑包括铣削内支撑及焊接内支撑，铣削内支撑用于在铣削时支撑火箭贮箱箱底的内型面，焊接内支撑为刚性伸缩式结构且用于在焊接时支撑火箭贮箱箱底的内型面。该火箭贮箱箱底焊接前的铣削余量测量设备及铣削方法的目的是解决火箭贮箱箱底铣削时反复试切而导致加工效率较低的问题。

Description

一种火箭贮箱箱底焊接前的铣削余量测量设备及测量方法

技术领域

本发明涉及运载火箭贮箱焊接技术领域，具体涉及一种火箭贮箱箱底焊接前的铣削余量测量设备及测量方法。

背景技术

现有箱底焊接工艺流程，需要设备对箱底工件进行反复配铣。其目的在于，箱底的叉型环为精加工件，圆环为焊接工件或旋压工件，端部尺寸不规整，在焊接前要以叉形环为基准，即将叉形环上端直径作为目标值，铣削圆环大端侧的直径。

现有方法是先依靠手工测量圆环直径，大致确定目标位置，预留较大切削余量，大致切削后，将叉形环与圆环搭接，使用简易量具测量直径差值，并预留更小的切削量，切削后再反复上一步骤，预留切削余量依次预留量，10mm-5mm-2mm-1mm-0.5mm-0.2mm-0.1mm-0.05mm。以此往复一般需要切削8～9次铣削，为保证最终匹配尺寸，越到最后加工量越小，多次的铣削加工，每次加工时间都很长。

另外箱底铣削使用搅拌摩擦焊主轴，切削转速一般在300rpm一下，转速低进给慢，加工效率很低。

随着航天领域的不断发展，高效并且可靠的火箭贮箱需求量快速提升，对箱底加工设备的需求也提出更高要求，箱底设备需要较高自动化，实现高效率加工。要提高加工效率，必须解决以下三个主要问题：

第一、如何实现箱底待切削区域直径值的准确测量；

第二、如何提高箱底铣削余量的自动判断；

第三、如何提高搅拌摩擦焊接过程中铣削设备的切削参数。

因此，发明人提供了一种火箭贮箱箱底焊接前的铣削余量测量设备及测量方法。

发明内容

（1）要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种火箭贮箱箱底焊接前的铣削余量测量设备及测量方法，解决了火箭贮箱箱底铣削时反复试切而导致加工效率较低的技术问题。

（2）技术方案

本发明提供了一种火箭贮箱箱底焊接前的铣削余量测量设备，包括环缝工装和测距仪，所述环缝工装用于支撑并定位所述火箭贮箱箱底，所述测距仪用于测量火箭贮箱箱底的待切削区域直径；其中，

所述环缝工装包括内支撑及压紧机构，所述内支撑贴合支撑于所述火箭贮箱箱底的内表面，所述压紧机构罩设于所述火箭贮箱箱底的外表面且用于固定限位所述火箭贮箱箱底；

所述内支撑包括铣削内支撑及焊接内支撑，所述铣削内支撑用于在铣削时支撑所述火箭贮箱箱底的内型面，所述焊接内支撑为刚性伸缩式结构，多组所述焊接内支撑用于在焊接时支撑所述火箭贮箱箱底的内型面。

进一步地，每组所述焊接内支撑均包括限位板、连杆机构、径向定位块、驱动气缸、第一支撑垫板、第二支撑垫板及弧形焊接垫板，所述限位板、所述连杆机构、所述第一支撑垫板及所述第二支撑垫板均安装于内撑机构平台的上端面，所述限位板位于所述连杆机构的上端面且用于进行竖向限位；

所述连杆机构的一端与所述径向定位块连接且用于带动所述径向定位块进行径向运动以实现对应的所述第一支撑垫板、所述第二支撑垫板的径向运动，所述连杆机构的另一端铰接于所述内撑机构平台，所述驱动气缸的输出端与所述连杆机构连接且用于驱动所述连杆机构沿竖向转动；

所述第一支撑垫板与所述第二支撑垫板依次间隔设置以拼接形成圆环状结构，所述弧形焊接垫板贴合设置于所述圆环状结构的外环侧且用于与火箭贮箱箱底的内表面贴合接触。

进一步地，所述焊接内支撑还包括直线导轨，所述直线导轨安装于所述内撑机构平台的上端面，所述第一支撑垫板与所述第二支撑垫板通过对应的所述直线导轨沿径向运动。

进一步地，所述直线导轨为滚柱直线导轨。

进一步地，所述第一支撑垫板与所述第二支撑垫板的接触面为楔形面。

进一步地，所述铣削内支撑为环状固定垫板，所述环状固定垫板位于所述圆环状结构的上端面。

进一步地，多组焊接内支撑为圆周阵列式分布。

本发明还提供了一种利用火箭贮箱箱底焊接前的铣削余量测量设备的铣削方法，包括以下步骤：

将火箭贮箱箱底放置于内支撑并通过压紧机构定位，利用测距仪测量火箭贮箱箱底任一截面上的多个半径值；

通过所述多个半径值，确定最优半径值；

将所述最优半径值减去火箭贮箱箱底的厚度的数值代入到箱底曲线方程中，得到所述最优半径值与目标值在轴向位置的差值，确定切削余量；

依据所述铣削余量，对火箭贮箱箱底进行铣削。

进一步地，所述通过所述多个半径值，确定最优半径值，具体为：

依据所述多个半径值，采用平均周长法确定所述最优半径值；或，

依据所述多个半径值，采用近似弧形叠加法确定所述最优半径值；或，

当相邻的两个半径趋于相等时，依据所述多个半径值，采用弧形积分法确定所述最优半径值；或，

当相邻的两个半径之间的夹角大于预设角度时，依据所述多个半径值，采用弧长计算法确定所述最优半径值。

进一步地，同一截面上至少采集360个半径值。

（3）有益效果

综上，本发明通过刚性内撑式的环缝工装，使火箭贮箱箱底与工装模胎紧密贴合，从而使火箭贮箱箱底与理论曲线方程数值更为接近，保证测量和公式代入的准确性。同时，通过高精度自动测量仪器（测距仪）实现自动检测，对检测数据进行算法计算，准确得出目标直径的位置坐标，达到自动测量和铣削的能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种火箭贮箱箱底焊接前的铣削余量测量设备的局部结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种环缝工装的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种铣削内支撑与焊接内支撑的装配结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种焊接内支撑的第一局部结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种焊接内支撑的第二局部结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种焊接内支撑的第三局部结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种焊接内支撑的剖切结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种焊接内支撑的整体结构示意图；

图9是本发明实施例提供的一种火箭贮箱箱底铣削余量测量方法的流程示意图；

图10是本发明实施例提供的一种火箭贮箱箱底铣削余量测量方法中的设定范围内任一点的测量示意图；

图11是本发明实施例提供的一种火箭贮箱箱底铣削余量测量方法中的椭圆外距椭圆定值为d的点Q的轨迹图。

图中：

100-铣削内支撑；200-焊接内支撑；201-限位板；202-连接机构；203-径向定位块；204-驱动气缸；205-第一支撑垫板；206-第二支撑垫板；207-弧形焊接垫板；208-内撑机构平台；209-直线导轨；300-压紧机构；400-测距仪；500-铣削机构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1是本发明实施例提供的一种火箭贮箱箱底焊接前的铣削余量测量设备的结构示意图，如图1-3所示，该铣削设备可以包括环缝工装和测距仪400，环缝工装用于支撑并定位火箭贮箱箱底，测距仪400用于测量火箭贮箱箱底的待切削区域直径。环缝工装包括内支撑及压紧机构300，内支撑贴合支撑于火箭贮箱箱底的内表面，压紧机构300罩设于火箭贮箱箱底的外表面且用于固定限位火箭贮箱箱底；内支撑包括铣削内支撑100及焊接内支撑200，铣削内支撑100用于在铣削时支撑火箭贮箱箱底的内型面，焊接内支撑200为刚性伸缩式结构，多组焊接内支撑200用于在焊接时支撑火箭贮箱箱底的内型面。

在上述实施方式中，在铣削机构500的铣削头固定位置安装测距仪400，已知测距仪400与箱底的直线距离，减去箱底被测量点位置的数值，即该测量点的直径值。刚性伸缩式的焊接内支撑，使火箭贮箱箱底与工装模胎紧密贴合，从而使火箭贮箱箱底与理论曲线方程数值更为接近，保证测量和公式代入的准确性。焊接内支撑200为伸缩式结构，铣削时缩回，定位和焊接时伸出。

为保证测量的高效与准确性，对被测箱底有以下约束条件：

被测量位置在目标值100mm范围内即可，此段弦线形状接近，可近似认为是直线，对测距仪精度影响可忽略；被测箱底圆度要足够高，此时就要依靠工装保证，内撑型面直径略大于箱底公差，并使用很大的内撑力使工件完全贴合模胎，保证箱底圆度。

在一些可选的实施方式中，如图4-8所示，每组焊接内支撑200均包括限位板201、连杆机构202、径向定位块203、驱动气缸204、第一支撑垫板205、第二支撑垫板206及弧形焊接垫板207，限位板201、连杆机构202、第一支撑垫板205及第二支撑垫板206均安装于内撑机构平台208的上端面，限位板201位于连杆机构202的上端面且用于进行竖向限位。连杆机构202的一端与径向定位块203连接且用于带动径向定位块203进行径向运动以实现对应的第一支撑垫板205、第二支撑垫板206的径向运动，连杆机构202的另一端铰接于内撑机构平台208，驱动气缸204的输出端与连杆机构202连接且用于驱动连杆机构202沿竖向转动。第一支撑垫板205与第二支撑垫板206依次间隔设置以拼接形成圆环状结构，弧形焊接垫板207贴合设置于圆环状结构的外环侧且用于与火箭贮箱箱底的内表面贴合接触。

具体地，因火箭贮箱箱底圆环圆度存在变形和尺寸偏差等因素，焊接内支撑200采用高刚性连杆结构，依靠高压的驱动气缸204推动连杆机构202实现焊接垫板径向运动。当驱动气缸204伸出时，连杆机构202将无限接近于水平状态，其径向分力将接近于无穷大。直至将推杆推至限位，此时焊接内支撑200将工件（即火箭贮箱箱底的内型面）完全撑开至与弧形焊接垫板207相同尺寸。此状态下径向力直接由连杆机构202传递到尾部固定的径向定位块203，不仅使箱底与模胎完全贴胎，也为焊接时的顶锻力提供可靠支撑。工件定位后，焊接内支撑200伸出将箱底固定，在外侧安装圆环状的压紧机构300，对压紧机构300的气缸通气，使琴键压紧，从而实现高效压紧。

其中，压紧机构300与火箭贮箱箱底的外型面相适配，具体可以是网格状的球面结构，通过内支撑对火箭贮箱箱底的内型面支撑、压紧机构300对火箭贮箱箱底的外型面的挤压，从而实现对火箭贮箱箱底的固定定位。

在一些可选的实施方式中，如图6所示，焊接内支撑还包括直线导轨209，直线导轨209安装于内撑机构平台208的上端面，第一支撑垫板205与第二支撑垫板206通过对应的直线导轨209沿径向运动。优选地，直线导轨209为滚柱直线导轨，滚柱直线导轨引导支撑方向，并承受侧向倾覆力矩。如图5所示，第一支撑垫板205与第二支撑垫板206的接触面为楔形面，楔形面的设计能够便于第一支撑垫板205与第二支撑垫板206沿径向运动时相互间的干涉阻力较小。

如图3所示，铣削内支撑100为环状固定垫板，环状固定垫板位于圆环状结构的上端面。铣削内支撑100为固定形式，高于焊缝位置约50mm。

图9是本发明实施例提供的一种火箭贮箱箱底铣削余量测量方法的流程示意图，该方法可以包括以下步骤：

S100、将火箭贮箱箱底放置于内支撑并通过压紧机构定位，利用测距仪测量火箭贮箱箱底任一截面上的多个半径值。

具体地，在100mm测量范围内，得到的360个半径值，针对这些数值进行不同方法的计算，进而得到接近于真实数值的半径值，从而得到该截面的直径值D。将D带入到箱底内型面曲线方程（D/2为其中一个x值，x为箱底内型面曲线上任一点的横坐标，y为箱底内型面曲线上任一点的纵坐标）。

S200、通过多个半径值，确定最优半径值。

具体地，方法1、弧形积分公式（前提条件：相邻两个半径无限趋近相等）。

单段弧长积分公式：

；

其中，r ₁为第一次测量点的半径值，r ₂为第二次测量点的半径值，θ为两次测量点的夹角，测量圆形表达式为，则/>。

单段弧长积分公式：

；

总弧长：

；

其中，m代表圆周平均切分的个数。

方法2、平均周长

取均值方法：

。

方法3、近似弧形叠加（有误差）

分段弧长公式：

，其中θ为单个弧形对应的圆心角，r为测量圆弧半径。

所有分段弧形近似叠加：

。

方法4、弦长计算（前提条件相邻两个半径角度相差很大）

；式中，r ₁为第一次测量点的半径值，r ₂为第二次测量点的半径值，θ为两次测量点的夹角；

；

；

实际数值等分数差值：

弦长与圆周数值对比：2πr=2×3.14×3350/2=10524.335；

圆周18等分：L×m₁₈=581.7214×18=10470.9852—差值53.3498mm；

圆周180等分：L×m₁₈₀=58.4567×180=10522.206—差值2.219mm；

圆周360等分：L×m₃₆₀=29.2339×360=10524.204—差值0.131mm。

以上四种方法最终得到的数值是箱底外径的数值，而我们要带入的公式使是箱底“内型面”曲线方程，所以得到的数值还要减去工件厚度，才能得到公式数值。

S300、将最优半径值减去火箭贮箱箱底的厚度的数值代入到箱底曲线方程中，得到最优半径值与目标值在轴向位置的差值，确定切削余量。

具体方法如下：

求：椭圆外一点到椭圆距离为定值的曲线方程。

解：假设椭圆方程为，（a为椭圆的半长轴的长度，b为椭圆的半短轴的长度，x为椭圆上任一点的横坐标，y为椭圆上任一点的纵坐标），则椭圆上点P坐标可写为(acosθ，bsinθ)，θ为椭圆上任一点与椭圆圆心之间的夹角。

过点P的椭圆切线方程为：

（式1）

点P的椭圆切线斜率：

（式2）

则过点P的法线斜率：

（式3）

过点P的法线方程为：

（式4）

椭圆外一点Q(x ₀，y ₀)到点P的距离为d（即火箭贮箱箱底厚度）时，

（式5）

因点Q同在过点P的法线上，则式4可写作：

（式6）

设y ₀-bsinθ=p*asinθ，x ₀-acosθ=p*bcosθ，则式5可写作：

（式7）

变换可得：

（式8）

其中，p取负值时，为椭圆内距离椭圆曲线为定值的点的轨迹。该点是否有意义取决于这点到切点的距离是否小于这个点到椭圆上任意一点的距离，即以此点为圆心，以到切点的距离为半径所做的圆是否完全落在椭圆内。

本发明中瓜瓣曲线在模胎椭圆曲线外，因此p取正值。a为1669，b为1043.125。由式6可知Q点坐标为：

（式9）

如图11所示，通过公式9可以得到Q点轨迹图。

其中，箱底内模胎坐标如下表1所示：

表1

在此需要说明的是，表1中的数据并未完全列举，只是作为部分展示。根据测量出的各个坐标点，通过比值对应方法，针对不同位置高度数值，在程序内存储的表1中自动寻求对应的最接近的x、y数值，从而将寻求到的x、y代入箱底“内型面”曲线方程，得到目标直径的具体位置。

在一些可选的实施方式中，在步骤S300，确定铣削余量之后，还包括S400：依据铣削余量，对火箭贮箱箱底进行铣削。在此需要说明的是，铣削机构500为高转速五轴铣削机构。铣削主轴主要参数：铣削机构电主轴额定功率30KW，额定转速6000rpm，最大转速13000rpm，无极连续调速，满足高速铣削需求，最大铣削进给速度1200mm/min。铣削系统配备涡流管冷却系统，对刀具进行冷却，防止铣削过程出现粘刀。刀具安装：铣削主轴接口配置HSK63A标准刀柄，可加持直柄端面立铣刀，对工件进行破铣和余量铣削，主轴端面安装刀具轴向跳动量0.02mm，径向跳动0.02mm。上述设置的搅拌摩擦焊接过程中铣削设备的切削参数，能够进一步提高火箭贮箱箱底的加工效率。

本发明通过高精度自动测量仪器（测距仪）实现自动检测，对检测数据进行算法计算，准确得出目标直径的位置坐标，达到自动测量和铣削的能力。同时单独配置铣削系统，大大提升铣削主轴性能，使设备效率得到明显提升。

本发明提供了更为高效准确的测量方法和设备，使测量过程自动化，生产效率提升约50%，检测精度也得到明显提升。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种利用火箭贮箱箱底焊接前的铣削余量测量设备的铣削余量测量方法，其特征在于，所述火箭贮箱箱底焊接前的铣削余量测量设备包括环缝工装和测距仪（400），所述环缝工装用于支撑及定位所述火箭贮箱箱底，所述测距仪（400）用于测量火箭贮箱箱底的待切削区域直径；所述环缝工装包括内支撑及压紧机构（300），所述内支撑贴合支撑于所述火箭贮箱箱底的内表面，所述压紧机构（300）罩设于所述火箭贮箱箱底的外表面且用于固定限位所述火箭贮箱箱底；所述内支撑包括铣削内支撑（100）及焊接内支撑（200），所述铣削内支撑（100）用于在铣削时支撑所述火箭贮箱箱底的内型面，所述焊接内支撑（200）为刚性伸缩式结构，多组所述焊接内支撑（200）用于在焊接时支撑所述火箭贮箱箱底的内型面；

其中，该方法包括以下步骤：

将火箭贮箱箱底放置于内支撑并通过压紧机构定位，利用测距仪测量火箭贮箱箱底任一截面上的多个半径值；

通过所述多个半径值，确定最优半径值；

将所述最优半径值减去火箭贮箱箱底的厚度的数值代入到箱底曲线方程中，得到所述最优半径值与目标值在轴向位置的差值，确定切削余量。

2.根据权利要求1所述的铣削余量测量方法，其特征在于，所述通过所述多个半径值，确定最优半径值，具体为：

依据所述多个半径值，采用平均周长法确定所述最优半径值；或，

依据所述多个半径值，采用近似弧形叠加法确定所述最优半径值；或，

当相邻的两个半径趋于相等时，依据所述多个半径值，采用弧形积分法确定所述最优半径值；或，

当相邻的两个半径之间的夹角大于预设角度时，依据所述多个半径值，采用弧长计算法确定所述最优半径值。

3.根据权利要求1所述的铣削余量测量方法，其特征在于，所述将所述最优半径值减去火箭贮箱箱底的厚度的数值代入到箱底曲线方程中，得到所述最优半径值与目标值在轴向位置的差值，确定切削余量，具体包括如下步骤：

将所述最优半径值与程序内的多组设定半径值做比对，确定与所述最优半径值最接近的设定半径值为内型面半径值；

将所述内型面半径值代入到所述箱底曲线方程中，得到所述最优半径值与目标值在轴向位置的差值，确定切削余量。

4.根据权利要求1所述的铣削余量测量方法，其特征在于，每组所述焊接内支撑（200）均包括限位板（201）、连杆机构（202）、径向定位块（203）、驱动气缸（204）、第一支撑垫板（205）、第二支撑垫板（206）及弧形焊接垫板（207），所述限位板（201）、所述连杆机构（202）、所述第一支撑垫板（205）及所述第二支撑垫板（206）均安装于内撑机构平台（208）的上端面，所述限位板（201）位于所述连杆机构（202）的上端面且用于进行竖向限位；

所述连杆机构（202）的一端与所述径向定位块（203）连接且用于带动所述径向定位块（203）进行径向运动以实现对应的所述第一支撑垫板（205）、所述第二支撑垫板（206）的径向运动，所述连杆机构（202）的另一端铰接于所述内撑机构平台（208），所述驱动气缸（204）的输出端与所述连杆机构（202）连接且用于驱动所述连杆机构（202）沿竖向转动；

所述第一支撑垫板（205）与所述第二支撑垫板（206）依次间隔设置以拼接形成圆环状结构，所述弧形焊接垫板（207）贴合设置于所述圆环状结构的外环侧且用于与火箭贮箱箱底的内表面贴合接触。

5.根据权利要求4所述的铣削余量测量方法，其特征在于，所述焊接内支撑还包括直线导轨（209），所述直线导轨（209）安装于所述内撑机构平台（208）的上端面，所述第一支撑垫板（205）与所述第二支撑垫板（206）通过对应的所述直线导轨（209）沿径向运动。

6.根据权利要求5所述的铣削余量测量方法，其特征在于，所述直线导轨（209）为滚柱直线导轨。

7.根据权利要求4所述的铣削余量测量方法，其特征在于，所述第一支撑垫板（205）与所述第二支撑垫板（206）的接触面为楔形面。

8.根据权利要求4所述的铣削余量测量方法，其特征在于，所述铣削内支撑（100）为环状固定垫板，所述环状固定垫板位于所述圆环状结构的上端面。

9.根据权利要求1所述的铣削余量测量方法，其特征在于，多组所述焊接内支撑（200）为圆周阵列式分布。