CN115111453B - 一种基于数字化制造的五通接头尺寸预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于数字化制造的五通接头尺寸预测方法，包括将五通组件底部大端套在底座工装上；构建测量坐标系；测量组合体分机法兰外端圆的代理模型圆矢量；将测量的理模型圆矢量转换为数字化模型，并进行虚拟装配；获取组合体分机法兰平面的实测角度与理论角度差值；对获取的角度差值中的最大值与设定的角度差值阈值进行判断；计算组合体分机法兰的实测尺寸与理论尺寸的模与极差值；对计算的极差值中的最大值与最小值的差值与设定的极差值阈值进行判断；预测五通接头尺寸。本发明能够有效预测接头尺寸，并且无需通过机器人复位与人工经验判别，极大提高了制造车间的生产效率，实现了数字化制造驱动的可靠性预测。

Description

一种基于数字化制造的五通接头尺寸预测方法
技术领域
本发明涉及航空航天先进装配制造技术领域，具体涉及一种基于数字化制造的五通接头尺寸预测方法。
背景技术
五通组件是火箭的关键输送管路***，需要将氧化剂箱中的燃料同时输送给4个发动机，对于飞行供给起决定性的作用。由于该组件的特殊结构组成，既要保证五通组件各大小端口的精准装配，又要控制各管路处于低应力装配状态，防止工作时的瞬时流量冲击造成管路破裂，导致发射失败。
目前该五通组件采用数字化取样制造的模式，即通过测量与虚拟装配技术手段构建箭体实际装配空间位置，并运用机器人平台模拟实际装配环境完成五通各子组合体取样的生产制造过程；该过程虽然解决了五通组件管路的并行制造问题，但与五通组件连接的接头尺寸取值仍然依赖人工确定，致使最终交付总装的产品稳定性还有待加强：具体表现在以下几个方面：
1、焊接变形随机性强。五通的各子组合体焊接、五通与组合体之间的全位置焊接、五通组件与接头焊接均存在不同程度的焊后变形，导致通过数字化取样制造的五通两端边界尺寸与理论尺寸有一定位置或角度偏差，具体表现为无法同时满足4个分机与相应发动机的法兰精准装配，增大了总装风险。
2、复位干扰因素大。将数字化取样制造的五通组件在机器人平台复位时，因底座工装与五通中心存在重定位(中心点偏移)、工件坐标系无法精确指向(坐标系X轴无法肉眼复位重现)、产品受重力影响(各分机目标位姿偏移)等多种干扰因素，增大了实际与理论判别的难度。
3、依赖人工经验复位判别接头尺寸。将数字化取样制造的五通组件在机器人平台近似复位时，采用人工测量并记录各分机法兰周向的实际与理论状态差值，最终靠人为经验确定接头长度尺寸。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于数字化制造的五通接头尺寸预测方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于数字化制造的五通接头尺寸预测方法，包括以下步骤：
S1、将五通组件底部大端套在底座工装上；
S2、运用六自由度关节臂设备对垂直放置的五通组件进行测量坐标系构建；
S3、分别测量1号、2号、3号、4号组合体分机法兰外端圆的代理模型圆矢量；
S4、将测量的理模型圆矢量转换为数字化模型，并进行虚拟装配，将实测模型与理论模型五通坐标系数据进行位姿对齐；
S5、获取1号、2号、3号、4号组合体分机法兰平面的实测角度与理论角度差值；
S6、判定获取的角度差值中的最大值是否大于或等于设定的角度差值阈值；若是，则重新焊接五通组件，并返回步骤S1；否则跳转至步骤S9；
S7、计算1号、2号、3号、4号组合体分机法兰的实测尺寸与理论尺寸的模与极差值；
S8；判定计算的极差值中的最大值与最小值的差值是否大于或等于设定的极差值阈值；若是，则重新焊接五通组件，并返回步骤S1；否则跳转至步骤S9；
S9、根据步骤S5中获取的角度差值中的最大值和步骤S7计算的极差值预测五通接头尺寸。
可选地，步骤S1中五通组件的中心轴线与底座工装对正且接触面贴合，整体垂直放置于光学测量平台。
可选地，步骤S2中构建测量坐标系的方法为：
在光学测量平台上测量不少于5个点构建坐标系XOY平面，其法线向上为Z轴正向；
测量五通底部大端圆不少于6个点构建圆心点并将其投影至XOY平面的点作为测量坐标系原点P1，测量五通小端圆不少于6个点构建圆心并将其投影至XOY平面的点为P2，将原点P1向P2的指向点在XOY平面上向2号分机组合体方向旋转45°作为测量坐标系X轴正向；
根据右手定则确立Y轴。
可选地，步骤S6中角度差值阈值设置为3°。
可选地，步骤S7中组合体分机法兰的实测尺寸与理论尺寸的极差值的计算方法为：
首先计算组合体分机法兰的实测长度L1，表示为
Figure BDA0003708252070000031
其中，x1,y1,z1为组合体分机法兰在测量坐标系中的坐标值；
然后计算计算组合体分机法兰的理论长度L2，表示为
Figure BDA0003708252070000032
其中，x1＇,y1＇,z1＇为组合体分机法兰在测量坐标系中的理论坐标值；
最后计算组合体分机法兰的实测尺寸与理论尺寸的极差值A1，表示为
A1＝L1-L2。
可选地，步骤S8中极差值阈值设置为5。
可选地，步骤S9中五通接头尺寸的预测公式为：
L＝56.5-MAX(A)-B
其中，L为五通接头的预测长度，A为步骤S7计算的极差值，B为步骤S5中获取的最大角度差值对应的预测常数。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用数字化测量数据为制造依据，能够直接量化五通组件的全过程制造质量，并直接得出需要适配的接头尺寸，规避了通过机器人复位与人工经验判别的不确定性，优化了制造工艺流程。
(2)本发明采用经验量化的预测方法，实现了对数字化取样制造的五通组件快速且高精度预测的目的，极大节约了产品制造时间，提升了生产效率与装配质量。
(3)本发明能够实现对任一3°以内五通组件制造误差的接头预测，几乎能全覆盖按当前工艺流程与制造精度的该类产品。
(4)本发明采用便携式六自由度关节臂等测量设备进行产品关键数据采集，测量精度高，数据转换快，提高了产品的数字化制造程度与精度。
附图说明
图1为本发明实施例中一种基于数字化制造的五通接头尺寸预测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中成品五通组件最终装配空间位置示意图；
图3为本发明实施例中五通组件数字化测量状态示意图；
图4为本发明实施例中成品五通组件结构组成示意图；
图中：1.贮箱侧与五通接头连接端 2.发动机侧与五通子组合体分机法兰连接端3.光学测量平台 4.底座工装 5.组合体分机法兰(1号) 6.组合体分机法兰(2号) 7.五通8.五通子组合体 9.五通接头。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于数字化制造的五通接头尺寸预测方法，包括以下步骤S1至S9：
S1、将五通组件底部大端套在底座工装上；
在本发明的一个可选实施例中，本发明预先完成五通组件中各子组合体焊接、五通与组合体之间全位置焊接，再将五通组件底部大端套在底座工装上，保证中心轴线对正且接触面贴合，整体垂直放置于光学测量平台。
S2、运用六自由度关节臂设备对垂直放置的五通组件进行测量坐标系构建；
在本发明的一个可选实施例中，本发明运用六自由度关节臂设备对垂直放置的五通组件进行测量坐标系构建，构建方法为：
在光学测量平台上测量不少于5个点构建坐标系XOY平面，其法线向上为Z轴正向；测量五通底部大端圆不少于6个点构建圆心点并将其投影至XOY平面的点作为测量坐标系原点P1，测量五通小端圆(连接1分机组合体)不少于6个点构建圆心并将其投影至XOY平面的点为P2，将原点P1向P2的指向点在XOY平面上向2分机组合体方向(顺时针)旋转45°作为测量坐标系X轴正向，根据右手定则确立Y轴。
S3、分别测量1号、2号、3号、4号组合体分机法兰外端圆的代理模型圆矢量；
在本发明的一个可选实施例中，本发明在构建测量坐标系后，基于测量坐标系测量1号组合体分机法兰外端圆，以代理模型圆Q1(x1,y1,z1,I1,J1,K1)矢量形式表示，同理可得2、3、4号组合体分机代理模型圆矢量Q2、Q3、Q4。
S4、将测量的理模型圆矢量转换为数字化模型，并进行虚拟装配，将实测模型与理论模型五通坐标系数据进行位姿对齐；
在本发明的一个可选实施例中，本发明将步骤S3测量的1号、2号、3号、4号组合体分机法兰外端圆的代理模型圆矢量Q1、Q2、Q3、Q4转换为数字化模型，并进行虚拟装配，将实测模型与理论模型五通坐标系数据进行位姿对齐，从而使得该实测模型数据坐标系与理论数据坐标系保持一致，能够直观反映制造误差(组合体焊接、全位置焊接、重力场)等影响因素。
S5、获取1号、2号、3号、4号组合体分机法兰平面的实测角度与理论角度差值；
在本发明的一个可选实施例中，本发明在数字化模型中可直接获得五通组件的1号组合体分机法兰平面的实测与理论角度差值，记为Δθ1，同理可得2、3、4号组合体分机法兰平面角度差值Δθ2、Δθ3、Δθ4。
S6、判定获取的角度差值中的最大值是否大于或等于设定的角度差值阈值；若是，则重新焊接五通组件，并返回步骤S1；否则跳转至步骤S9；
在本发明的一个可选实施例中，本发明设定角度差值阈值为3°，然后判断获取的角度差值中的最大值与角度差值阈值的关系：
当MAX(Δθ1,Δθ2,Δθ3,Δθ4)≥3°时，视为该产品不合格，应重新取样焊接，并返回步骤S1；
当MAX(Δθ1,Δθ2,Δθ3,Δθ4)＜3°时，视为该产品制造合格(补偿器具备适应能力)，可通过步骤S9计算合理的接头尺寸满足装配要求。
S7、计算1号、2号、3号、4号组合体分机法兰的实测尺寸与理论尺寸的模与极差值；
在本发明的一个可选实施例中，本发明根据组合体分机法兰中心位置到测量坐标系的距离，计算1号、2号、3号、4号组合体分机法兰的实测尺寸与理论尺寸的长度差与极差，实现空间差值精度控制。
具体而言，首先计算组合体分机法兰的实测长度L1，表示为
Figure BDA0003708252070000071
其中，x1,y1,z1为组合体分机法兰在测量坐标系中的坐标值；
然后计算计算组合体分机法兰的理论长度L2，表示为
Figure BDA0003708252070000072
其中，x1＇,y1＇,z1＇为组合体分机法兰在测量坐标系中的理论坐标值；
最后计算组合体分机法兰的实测尺寸与理论尺寸的极差值A1，表示为
A1＝L1-L2。
S8；判定计算的极差值中的最大值与最小值的差值是否大于或等于设定的极差值阈值；若是，则重新焊接五通组件，并返回步骤S1；否则跳转至步骤S9；
在本发明的一个可选实施例中，本发明设定极差值阈值为5mm，然后判断极差值中的最大值与最小值的差值与极差值阈值的关系：
当MAX(A1,A2,A3,A4)-MIN(A1,A2,A3,A4)≥5时，视为该产品不合格，应重新取样焊接，并返回步骤S1；
当MAX(A1,A2,A3,A4)-MIN(A1,A2,A3,A4)＜5时，可通过步骤S9计算合理的接头尺寸满足装配要求。
S9、根据步骤S5中获取的角度差值中的最大值和步骤S7计算的极差值预测五通接头尺寸。
在本发明的一个可选实施例中，本发明构建的五通接头尺寸的预测公式为：
L＝56.5-MAX(A)-B
其中，L为五通接头的预测长度，A为步骤S7计算的极差值，B为步骤S5中获取的最大角度差值对应的预测常数。其中步骤S5中获取的最大角度差值与预测常数的关系如表1所示。
表1端面最大角度差与预测常数关系
端面最大角度差°MAX(Δθ) B取值
(0,1) 0
[1,1.5) 0.5
[1.5,2) 0.7
[2,2.5) 1.0
[2.5,3) 1.5
本发明在预测五通接头尺寸后，可以将预测的五通接头与五通组件进行焊接，从而完成成品五通产品的数字化制造。
本发明利用数字化测量与数据分析技术对该类五通组件的实际形变边界空间进行模拟，建立一种基于理论差值的数理统计与数字化模型，提出了在数字化虚拟空间对目标点位置与角度差值的判别方法，从而有效预测接头尺寸，该方法无需通过机器人复位与人工经验判别，极大提高了制造车间的生产效率，实现了数字化制造驱动的可靠性预测。
本发明解决了多通道管路的适应性、低应力装配问题，且具有数据驱动、预测精准、操作简便、高效经济等特点，在同类方法中具备良好的推广与实用价值，广泛推广和应用后能产生良好的经济价值，在多通道管路连接装配领域有很好的借鉴作用。
下面结合具体实例对本发明作进一步详细说明：
数字化取样制造模式，无需通过实物将部段与发动机水平对接装配形成成品五通的两边边界条件，而是通过数字化测量构建数字孪生的虚拟模型，通过数据驱动产品实物制造：如图2，成品五通组件最终装配空间位置分别为贮箱侧与五通接头连接端1、发动机侧与五通子组合体分机法兰连接端2(四个)之间的区域，最终总装时，需要同时将成品五通组件的四个子组合体分机法兰5、6与发动机侧与五通子组合体分机法兰连接端2装配，五通接头9同贮箱侧与五通接头连接端1进行全位置焊接方式连接，并保证管路整体处于低应力状态。
通过上述虚拟模型构建，能够获得制造该五通组件两端的理论边界条件，如表2所示：
表2五通组件理论边界条件数据表
Figure BDA0003708252070000091
Figure BDA0003708252070000101
如图3，将五通组件(已完成四个五通子组合体8焊接、五通7与组合体8之间全位置焊接)底部大端套在底座工装4上，保证中心轴线对正且接触面贴合，整体垂直放置于光学测量平台3。
运用六自由度关节臂设备对垂直放置的五通组件进行测量坐标系VXYZ构建：在光学测量平台3上测量不少于5个点构建坐标系XOY平面，其法线向上为Z轴正向；测量五通7底部大端圆不少于6个点构建圆心点并将其投影至XOY平面的点作为测量坐标系原点P1，测量组合体分机法兰(1号)5外端圆不少于6个点构建圆心并将其投影至XOY平面的点为P2，将原点P1向P2的指向点在XOY平面上向组合体分机法兰(2号)6方向(顺时针)旋转45°作为测量坐标系X轴正向，根据右手定则确立Y轴。
测量组合体分机法兰(1号)5外端圆，以代理模型圆Q1(x1,y1,z1,I1,J1,K1)矢量形式表示，同理可得2、3、4号组合体分机代理模型圆矢量Q2、Q3、Q4。
根据上述测量可得如表3所示：
表3五通组件实测边界条件数据表
Figure BDA0003708252070000102
Figure BDA0003708252070000111
将上述实测数据转换为数字化模型，并进行虚拟装配，将实测与理论模型五通坐标系数据位姿对齐(该实测模型数据坐标系与理论数据坐标系保持一致)，能够直观反映制造误差(组合体焊接、全位置焊接、重力场)等影响因素。
端面角度差值计算：在虚拟模型中，直接能够获得组合体分机法兰(1号)5代理模型圆的实际与理论角度差值为Δθ1＝1.159°；同理可得2、3、4号组合体分机法兰平面角度差值Δθ2＝1.551°、Δθ3＝0.881°、Δθ4＝1.907°；因MAX(Δθ1,Δθ2,Δθ3,Δθ4)＜3°，视为该产品制造合格(补偿器具备适应能力)，可通过本发明计算合理的接头尺寸满足装配要求。
长度差与极差(空间差值精度控制)计算：
组合体分机法兰(1号)5实测长度：
Figure BDA0003708252070000112
组合体分机法兰(1号)5理论长度：
Figure BDA0003708252070000113
组合体分机法兰(1号)5实测与理论长度极差值：
A1＝L1-L2＝1105.5306-1107.3297＝-1.7991
同理，可得A2＝-2.4059、A3＝-3.1332、A4＝-0.9559。
因MAX(A1,A2,A3,A4)-MIN(A1,A2,A3,A4)＝2.1773＜5，可通过本专利计算合理的接头尺寸满足装配要求。
预测接头尺寸：可直接通过公式计算出合理的接头长度：
L＝56.5-MAX(A)-B＝56.5-(-0.9559)-0.7＝56.7559mm
如图4，将长度为56.7559mm的五通接头9与五通7进行焊接，完成成品五通产品的数字化制造。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于数字化制造的五通接头尺寸预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将五通组件底部大端套在底座工装上；
S2、运用六自由度关节臂设备对垂直放置的五通组件进行测量坐标系构建；构建测量坐标系的方法为：
在光学测量平台上测量不少于5个点构建坐标系XOY平面，其法线向上为Z轴正向，
测量五通底部大端圆不少于6个点构建圆心点并将其投影至XOY平面的点作为测量坐标系原点P1，测量五通小端圆不少于6个点构建圆心并将其投影至XOY平面的点为P2，将原点P1向P2的指向点在XOY平面上向2号分机组合体方向旋转45°作为测量坐标系X轴正向，
根据右手定则确立Y轴；
S3、分别测量1号、2号、3号、4号组合体分机法兰外端圆的代理模型圆矢量；
S4、将测量的代理模型圆矢量转换为数字化模型，并进行虚拟装配，将实测模型与理论模型五通坐标系数据进行位姿对齐；
S5、获取1号、2号、3号、4号组合体分机法兰平面的实测角度与理论角度差值；
S6、判定获取的角度差值中的最大值是否大于或等于设定的角度差值阈值；若是，则重新焊接五通组件，并返回步骤S1；否则，继续步骤S7、S8后跳转至步骤S9；
S7、计算1号、2号、3号、4号组合体分机法兰的实测尺寸与理论尺寸的模与极差值，计算方法为：
首先计算组合体分机法兰的实测长度L1，表示为
Figure FDA0004149766940000021
其中，x1,y1,z1为组合体分机法兰在测量坐标系中的坐标值，
然后计算组合体分机法兰的理论长度L2，表示为
Figure FDA0004149766940000022
其中，x1＇,y1＇,z1＇为组合体分机法兰在测量坐标系中的理论坐标值，
最后计算组合体分机法兰的实测尺寸与理论尺寸的极差值A1，表示为A1＝L1-L2；
S8；判定计算的极差值中的最大值与最小值的差值是否大于或等于设定的极差值阈值；若是，则重新焊接五通组件，并返回步骤S1；否则跳转至步骤S9；
S9、根据步骤S5中获取的角度差值中的最大值和步骤S7计算的极差值预测五通接头尺寸，预测公式为：
L＝56.5-MAX(A)-B
其中，L为五通接头的预测长度，A为步骤S7计算的极差值，B为步骤S5中获取的最大角度差值对应的预测常数。
2.根据权利要求1所述的基于数字化制造的五通接头尺寸预测方法，其特征在于，步骤S1中五通组件的中心轴线与底座工装对正且接触面贴合，整体垂直放置于光学测量平台。
3.根据权利要求1所述的基于数字化制造的五通接头尺寸预测方法，其特征在于，步骤S6中角度差值阈值设置为3°。
4.根据权利要求1所述的基于数字化制造的五通接头尺寸预测方法，其特征在于，步骤S8中极差值阈值设置为5。
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