本发明公开了一种拼焊型管路数字化装配制造方法，通过激光跟踪仪测量获得数字化采样的基础数据，建模完成管路虚拟边界条件的解算，依据模型数据完成零件的制造。与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明采用激光跟踪仪测量系统进行数据测量，测量精度高、实时快速、操作简便，能快速准确地进行管路边界特征测量；本发明复制了管路装配空间到零件生产车间，操作环境单一、空间大，避免了损伤仪器的风险；消除了航天器总装因拼焊管路制造需等待的时间；本发明通过测量获得管路两端实际装配空间位置的数据，进行生产制造，有数据支撑消除了过分依赖人工经验，提高了管路生产质量与装配精度。
1.一种拼焊型管路数字化装配制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、用激光跟踪仪测量箱体对接面的几何特征，建立基础坐标系M0XYZ，描述箱体侧接口法兰盘的空间位置信息；其中：所述建立基础坐标系M0XYZ的方法为：以箱体对接面外圆为基准测量对接面圆周上至少
8个特征点构建平面P1；测量箱体对接面上III象限孔点M1；测量箱体对接面上所有对接孔，构建圆心M2，M2点到平面P1的投影为圆心M0，平面P1的法线为X轴方向，指向箱体尾部为正；
M1在P1平面的投影与M0的连线为Y轴方向，指向III象限为正，根据右手定则确立Z轴，指向II象限为正；
描述箱体侧接口法兰盘的空间位置信息的方法为：以法兰内圆为基准，测量其端面圆周上至少8个点构建平面P20和圆心点M20，平面P20上以M20为中心，直径为法兰实际尺寸的圆即为代理模型圆；至此，箱体侧接口法兰盘的代理模型构建完毕，其圆心表示法兰的中心位置，其所在平面的法线方向表示法兰的方向；
步骤二、用激光跟踪仪测量发动机对接面的几何特征，建立基础坐标系F1XYZ，描述发动机侧接口法兰盘的空间位置信息；其中：所述建立基础坐标系F1XYZ的方法为：测量发动机对接面的对接孔，构建对接平面R1与圆心F1；测量发动机对接面上III象限孔点F2；构建以F1为圆心，平面R1法线为X轴方向，指向航天器尾部为正；F2在R1平面的投影与F1的连线为Y轴方向，指向III象限为正，根据右手定则确立Z轴，指向II象限为正；
描述发动机侧接口法兰盘的空间位置信息的方法为：以其中一个发动机侧接口法兰盘内圆为基准，测量其端面圆周上至少8个点构建平面FP21和圆心点F21，平面FP21上以F21为中心，直径为法兰实际尺寸的圆即为代理模型圆，其圆心表示其中一个发动机侧接口法兰盘的中心位置，其所在平面的法线方向表示法兰的方向；按同样方法完成其余接口法兰的代理模型圆建模；
步骤三、将步骤一和二所得激光跟踪仪测量数据向建模数据转换，建立法兰代理模型：(1)将激光跟踪仪测量数据向建模数据转换：由激光跟踪仪提供的方向描述格式向基于CREO中基于“RPY角”的方向描述格式转换；
(2)在CREO软件中，从基础坐标系出发，依据激光跟踪仪测量数据记录中的中心坐标对坐标系原点进行偏置，并依据代理模型圆RPY旋转角依次旋转坐标系“XYZ”坐标轴，得到新坐标系原点即为代理模型圆的位置，新坐标系的X轴即为代理模型圆的方向；
步骤四、将箱体及接口法兰和发动机及接口法兰的代理模型进行虚拟装配；
步骤五、在CREO三维模型中将坐标系转换成机器人坐标系；
步骤六、利用箱体侧接口法兰盘和发动机侧接口法兰盘坐标系，解算出管路两端相对空间位置边界条件，得到各相对位置的变换矩阵；
步骤七、将测量得到的变换矩阵均转化为机器人系统识别的数据形式；
步骤八、利用工业机器人平台复现管路两端相对位置边界条件，并在此基础上制造管路实物。
2.根据权利要求1所述的一种拼焊型管路数字化装配制造方法，其特征在于：步骤四所述将测量对象进行虚拟装配的方法为：在CREO中将箱体对接面与发动机对接面对齐，并将与箱体侧接口法兰盘连接的未装配零件按图纸尺寸进行偏移，得到管路连接处中心位置坐标。
3.根据权利要求1所述的一种拼焊型管路数字化装配制造方法，其特征在于：步骤五所述在CREO三维模型中将坐标系转换成机器人坐标系的方法为：(1)将与箱体侧接口法兰盘连接的未装配的零件基于测量坐标数据按厚度尺寸分别偏移，得到管路连接处的中心位置，并将坐标系变换为机器人系统坐标系：X指向其中一个法兰盘，Z指向航天器尾部；
(2)发动机侧接口法兰盘直接与管路连接，然后将发动机侧接口法兰盘坐标系变换为机器人系统坐标系：X指向中心轴线，Z指向航天器头部。
4.根据权利要求1所述的一种拼焊型管路数字化装配制造方法，其特征在于：步骤八所述利用工业机器人复现管路边界条件的方法为：将管路一端夹持在机器人系统的工件坐标卡盘上，用机器人三爪卡盘夹住管路另一端法兰盘，按数据复现出空间相对位置。
一种拼焊型管路数字化装配制造方法
技术领域
[0001] 本发明涉及管路装配制造技术领域，主要应用于拼焊型管路边界条件精确测量并进行数字化装配制造的方法。
背景技术
[0002] 由于航天器零部件和装配误差以及各组件的装配累积误差等因素，导致部分管路不能根据图纸理论尺寸生产，必须等总装将相应部段或管路对接之后，根据实际装配空间进行拼焊制造才能满足装配需求。因此，在航天器中，拼焊型管路通常采用现场实物采样制造的生产模式，当总装进行到相应部段后开展管路的现场实物采样，然后返回制造车间进行管路制造，再到总装车间试装，能满足装配要求后再返回制造车间进行后续的性能检测，最后交付总装车间开展后续总装。
[0003] 目前航天器产品采取异地生产和总装的生产组织模式，管路采样不仅耗时长，且与总装为串行工作模式，成为进一步提升总装效率的瓶颈；由于加工条件的限制，采样质量的好坏主要依赖于采样航天器的装配质量和操作者的技能水平，整个采样过程为手工操作，没有对应的数据支持，随意性过大，再现性和一致性均无法保证，为管路后期使用埋下隐患。
[0004] 本发明针对拼焊型管路制造过程繁琐、尺寸精度低、生产效率低等问题，运用管路数字化装配制造技术，消除总装不必要的等待时间，提高管路装配精度。
发明内容
[0005] 为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种拼焊型管路数字化装配制造方法，有效解决了航天器因零部件生产和装配误差及累计误差和变形等因素导致的部分输送管路必须通过实际装配空间进行现场采样装配制造，来保证装配精度的难题，不仅实现了管路低应力装配和精准对接，而且有助于提升产能，消除总装等待时间，提高生产效率。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种拼焊型管路数字化装配制造方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤一、用激光跟踪仪测量箱体对接面的几何特征，建立基础坐标系M0XYZ，描述箱体侧接口法兰盘的空间位置信息；
[0008] 步骤二、用激光跟踪仪测量发动机对接面的几何特征，建立基础坐标系F1XYZ，描述发动机侧接口法兰盘的空间位置信息；
[0009] 步骤三、将步骤一和二所得激光跟踪仪测量数据向建模数据转换，建立法兰代理模型；
[0010] 步骤四、将箱体及接口法兰和发动机及接口法兰的代理模型进行虚拟装配；
[0011] 步骤五、在三维模型中将坐标系转换成机器人坐标系；
[0012] 步骤六、利用箱体法兰盘和发动机法兰盘坐标系，解算出管路两端相对空间位置边界条件，得到各相对位置的变换矩阵；
[0013] 步骤七、将测量得到的变换矩阵均转化为机器人系统识别的数据形式；
[0014] 步骤八、利用工业机器人平台复现管路两端相对位置边界条件，并在此基础上制造管路实物。
[0015] 与现有技术相比，本发明的积极效果是：
[0016] 1、本发明采用激光跟踪仪测量系统进行数据测量，测量精度高、实时快速、操作简便，能快速准确地进行管路边界特征测量，对操作人员技能水平和劳动强度要求低；
[0017] 2、传统生产模式需要操作人员到总装现场航天器上进行管路采样，作业空间狭小复杂、作业场地较高，易造成其他仪器损伤的风险。本发明复制了管路装配空间到零件生产车间，操作环境单一、空间大，避免了损伤仪器的风险；
[0018] 3、消除了航天器总装因拼焊管路制造需等待的时间。传统生产模式需在航天器总装达到装配条件时，再进行管路的采样、制造，然后进行装配，总装等待时间长；本发明在航天器达到装配条件前就能进行管路生产，能消除总装等待时间，提升生产效率；
[0019] 4、本发明通过测量获得管路两端实际装配空间位置的数据，进行生产制造，有数据支撑，消除了原手工采样的随意性和经验性埋下的隐患风险，提高了管路生产质量与装配精度。
附图说明
[0020] 本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0021] 图1为五通组焊件拼焊管路结构示意图；
[0022] 图2为箱体底部五通连接口空间位置示意图；
[0023] 图3为发动机接口空间位置示意图；
[0024] 图4为机器人复现五通组焊件空间位置示意图；
[0025] 图5为五通组焊件制造完成示意图；
[0026] 图6为五通组焊件实际安装示意图；
[0027] 其中，附图标记包括：五通1、补偿器40组合件2、半边管3、补偿器80组合件4、法兰盘5、隧道法兰(箱体侧接口)6、箱体后短壳端面(与发动机的对接面)7、发动机对接平面8、法兰盘接口9、机器人第六轴三爪卡盘10、工件坐标卡盘11。
具体实施方式
[0028] 本发明提供的拼焊型管路数字化装配制造工艺方法可概括为“测量”、“建模”、“制造”三个主要环节。即测量获得数字化采样的基础数据，建模完成管路虚拟边界条件的解算，依据模型数据完成零件的制造。
[0029] 具体地，在部段、箱体和发动机等产品齐套后，总装车间具备测量条件后，用激光跟踪仪完成管路两端边界条件的关键几何特征测量，并在SA(Spatial Analyzer)三维测量软件中，依据获得的数据完成坐标系的建立，从而实现管路两端关键特征空间几何信息的描述。包括选择测量基准，在测量坐标系下分别测量管路两端的各个连接部位几何信息，通过点与向量描述其在测量坐标系中的位置。关键特征的选择与测量数据的准确性是重点工作。
[0030] 进一步，将从总装车间通过激光跟踪仪测量到的几何数据中获取管路两端的特征边界信息，建立代理模型简化零件特征，利用虚拟装配模拟实物对接，依据装配模型获得管路两端的边界条件参数。多种数据格式的快速准确转换是建模过程的关键。
[0031] 进一步，依据建模获得的管路两端边界条件参数，在零件车间利用工业机器人实现边界条件的复现，并完成管路的定位与拼焊制造。
[0032] 最后，对制造成形的管路两端装配的相对空间位置进行测量，计算制造精度是否满足要求。
[0033] 以下结合附图对本发明的具体方法详细描述如下：
[0034] 以五通组焊件拼焊管路为具体实施实例，其结构如图1所示，由五通1、补偿器40组合件2、半边管3、补偿器80组合件4、法兰盘5组成。装配时，组焊件的五通1大端与箱体侧接口隧道法兰6连接，法兰盘5与发动机侧接口9连接，如图2、图3和图6所示。因航天器装配累积误差等因素导致箱体侧接口6与发动机接口9空间相对位置一致性差，故制造五通组焊件时需要挫修半边管3达到相应长短和角度后进行拼焊。此外，完整的五通组焊件在装配时还需要补偿器组合件2和4对制造误差进行补偿，如果制造误差超出了补偿器补偿范围，则五通组焊件制造不合格。数字化装配制造方法除了转变现有生产模式为“并行生产”，消除了总装时间；更重要的是能控制五通组焊件的制造误差，提高产品质量。
[0035] 具体地，实施步骤如下：
[0036] 激光跟踪仪坐标系由仪器自身决定，所有利用激光跟踪仪采集到的原始坐标数据都在激光跟踪仪自身的仪器坐标系下描述，该描述运用SA(Spatial Analyzer)三维测量软件。
[0037] 1、测量箱体对接面7的几何特征，建立基础坐标系M0XYZ，描述箱体侧接口隧道法兰盘6的空间位置信息。
[0038] 具体地，以箱体后短壳端面7(即与发动机的对接面)外圆为基准测量4组Φ20.5mm(共8个)对接孔之间的3个(共12个)端面圆周点构建平面P1；测量后短壳端面上III象限孔点M1；测量后短壳端面上4组Φ20.5mm(共8个)对接孔，构建圆心M2，M2点到平面P1的投影为圆心M0，平面P1的法线为X轴方向，指向箱体尾部为正；M1在P1平面的投影与M0的连线为Y轴方向，指向III象限为正，根据右手定则确立Z轴(指向II象限)。至此，基础坐标系M0XYZ建立完成。
[0039] 进一步，描述箱体侧接口隧道法兰盘6空间位置信息。具体地，以位于隧道法兰6端面上直径为Φ366mm的圆作为该法兰6的代理模型，以法兰内圆为基准，测量其端面上12个点(每个点位于端面上相邻的M12螺纹孔中间区域)构建平面P20和圆心点M20，平面P20上以M20为中心，直径为Φ366mm的圆即为代理模型圆；至此，中心隧道法兰盘6的代理模型构建完毕，其圆心表示法兰的中心位置，其所在平面的法线方向表示法兰的方向。
[0040] 2、测量发动机对接面8几何特征，建立基础坐标系F1XYZ，描述发动机侧接口9(4个法兰盘)的空间位置信息。
[0041] 具体地，测量发动机机架对接端面8的4组Φ20.5mm(共8个)对接孔，构建对接平面R1与圆心F1；测量发动机机架端面上III象限Φ40孔点F2；构建以F1为圆心，平面R1法线为X轴方向，指向航天器尾部为正；F2在R1平面的投影与F1的连线为Y轴方向，指向III象限为正，根据右手定则确立Z轴(指向II象限)。至此，针对发动机的基础坐标系F1XYZ建立完毕。
[0042] 进一步，描述法兰盘接口9空间位置信息，以直径Φ158mm，位于发动机接口法兰端面上的圆作为该法兰的代理模型。具体地，以发动机接口法兰内圆为基准，测量其端面上8个点(每个点均布于法兰端面圆周上)构建平面FP21和圆心点F21，平面FP21上以F21为中心，直径为Φ158mm的圆即为代理模型圆。其圆心表示发动机接口法兰的中心位置，其所在平面的法线方向表示法兰的方向；按同样方法可完成其余3个接口法兰的代理模型圆建模。至此，4个发动机接口法兰的代理模型构建完毕，位置信息采集完毕。
[0043] 3、完成激光跟踪仪测量数据向建模数据转换。具体地，由激光跟踪仪提供的方向描述格式向基于CREO中基于“RPY角”的方向描述格式的转换，转换数据如下：
[0044] 表1激光跟踪仪测试数据记录
[0045]
[0046]
[0047] 表2代理模型圆RPY旋转角
[0048]
[0049] 4、建立法兰代理模型。具体地，在CREO软件中，从基础坐标系出发，依据表1中的“中心坐标”对坐标系原点进行偏置，并依据表2中的数据依次旋转坐标系“XYZ”坐标轴，得到新坐标系原点即为代理模型圆的位置，新坐标系的X轴即为代理模型圆的方向。
[0050] 5、将测量对象进行虚拟装配。在三维模型CREO中将箱体后短壳端面7与发动机对接平面8对齐，并将与隧道法兰盘6连接的未装配零件按图纸尺寸进行偏移，得到五通大端连接处中心位置坐标。
[0051] 6、三维模型中将坐标系转换成机器人坐标系。具体地，将与箱体隧道法兰6连接的未装配的零件基于测量坐标数据按厚度尺寸分别偏移，得到五通大端连接处的中心位置，并将坐标系变换为机器人系统坐标系(X指向1号法兰盘，Y指向4号法兰盘，Z指向航天器尾部)；发动机法兰直接与管路连接，因此无需再坐标偏移，将发动机端法兰盘坐标系变换为机器人系统坐标系(X指向中心轴线，Z指向航天器头部)。
[0052] 7、依据机器人平台制造方便程度，先选取箱体法兰盘6，后选取发动机法兰盘9坐标系，测量发动机法兰相对于箱体侧五通大端的空间位置，得到各相对位置的变换矩阵。
[0053] 8、将测量得到的变换矩阵均转化为机器人系统识别的数值。
[0054] 9、利用工业机器人复现管路边界条件，并在此基础上制造管路实物。具体地，将五通大端夹持在机器人系统的工件坐标卡盘11上，用机器人三爪卡盘10夹住法兰盘5，按数据复现出空间相对位置，然后进行五通组焊件拼焊制造，如图4和图5所示。
[0055] 10、验证制造精度。具体地，用激光跟踪仪测量制造好的五通组焊件管路的两端法兰端面，将该测量数据以代理模型圆的形式在三维模型里进行虚拟装配，根据装配面的距离和间隙情况对管路可装配性进行判别，从而验证输送管路的制造精度。
