楊 凱 劉漢良 胡興平 馮常喜 王 鵬 吳 迪

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

探月工程三期嫦娥五號(hào)由軌道器、返回器、著陸器和上升器4個(gè)部分的組成，奠基嫦娥五號(hào)偉大勝利的最后一關(guān)則是第二宇宙速度高速半彈道跳躍式再入返回。返回器艙內(nèi)空間狹小，加工難度高，為了保證返回器的順利返回，返回器艙體的組合加工精度至關(guān)重要。

嫦娥五號(hào)返回器和大家熟悉的神舟飛船返回艙外形相似，都采用大鈍頭球冠倒錐構(gòu)型，但個(gè)頭兒較小，只有神舟飛船返回艙體積的1/8，無法采用與神舟返回艙相同的方式在機(jī)床上直接進(jìn)行組合加工，必須采用直角銑頭對(duì)艙內(nèi)狹小部位進(jìn)行組合加工，完成嫦娥五號(hào)返回器的加工。

直角銑頭是使用最多的一種機(jī)床附件，安裝后刀具旋轉(zhuǎn)中心與機(jī)床主軸中心成直角，可以擴(kuò)大機(jī)床的加工范圍和適應(yīng)性，特別適用于精密工件，一次裝夾固定，同一基準(zhǔn)多個(gè)面加工；同時(shí)直角銑頭尺寸小適用于加工中心無法加工的狹窄區(qū)域安裝面、安裝孔等結(jié)構(gòu)的加工；可以有效避免常規(guī)加工方式機(jī)床擺角超行程問題。

直角銑頭的刀具旋轉(zhuǎn)中心與機(jī)床主軸中心成為直角，傳統(tǒng)五軸數(shù)控加工中的刀尖點(diǎn)補(bǔ)償方式已不適用于直角銑頭，同時(shí)直角銑頭應(yīng)用于五軸加工時(shí)，存在控制器參數(shù)設(shè)置復(fù)雜，數(shù)控編程難度大，過程操作繁瑣等問題，嚴(yán)重影響了直角銑頭的利用率和加工效率，需要探索新的途徑來實(shí)現(xiàn)直角銑頭的五軸加工。

1 產(chǎn)品加工特點(diǎn)分析

返回器側(cè)壁金屬殼體由球段和錐段兩部分組成，在球段蒙皮和錐段蒙皮上分布著尺寸規(guī)格不等的14個(gè)法蘭艙體，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 返回器側(cè)壁金屬殼體結(jié)構(gòu)圖

返回器側(cè)壁金屬殼體法蘭外形復(fù)雜，法蘭安裝面及孔位尺寸精度較高，因此為保證法蘭安裝面及孔位的精度，法蘭安裝面及孔位均需在整艙下組合加工。艙體薄壁剛性弱、內(nèi)部空間小以及艙體法蘭零件異型的情況下，法蘭的組合加工難度較大，主要體現(xiàn)以下兩個(gè)方面。

（1）為保證產(chǎn)品加工精度要求，法蘭艙體上安裝面及孔位需在側(cè)壁下組合加工，艙體存在發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭等5個(gè)法蘭的安裝面位于艙內(nèi)，法蘭間距小于?880 mm,而機(jī)床主軸頭的尺寸為860 mm×550 mm，機(jī)床主軸頭在艙內(nèi)無法移動(dòng)，無法在艙內(nèi)進(jìn)行支架組合加工。

（2）俯仰發(fā)動(dòng)機(jī)艙體安裝面位于艙體外直徑為?230 mm的半圓封閉空間內(nèi)，空間更加狹小，常規(guī)機(jī)械加工無法滿足加工要求。

2 直角銑頭組合加工技術(shù)研究

直角銑頭(angle head)是數(shù)控加工中連接數(shù)控機(jī)床主軸和刀具的一種特殊刀柄，與多軸數(shù)控加工中心配合使用能夠增加機(jī)床的加工范圍，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的一次性裝夾多工序加工。機(jī)床安裝直角銑頭后刀具旋轉(zhuǎn)中心線與主軸旋轉(zhuǎn)中心線成90°角加工工件，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的立臥轉(zhuǎn)換和任意角度的變換，減少工件重復(fù)裝夾，提高加工精度和效率，可有效解決結(jié)構(gòu)件側(cè)面孔、側(cè)面腔等特征的加工。由于直角銑頭的結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸明顯小于機(jī)床原始主軸頭，也可用于機(jī)床主軸擺角后可能與工裝或零件發(fā)生干涉的側(cè)面結(jié)構(gòu)的加工[1]。直角銑頭結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)如圖2所示。

圖2 直角銑頭結(jié)構(gòu)

2.1 直角銑頭工作原理

刀尖點(diǎn)跟隨（rotated tool center point，RTCP），就是我們常說的刀尖點(diǎn)跟隨功能，是指刀軸旋轉(zhuǎn)后為保持刀尖點(diǎn)相對(duì)與工件位置不變，機(jī)床控制器自動(dòng)計(jì)算并執(zhí)行線性軸補(bǔ)償?shù)墓δ?。在五軸加工中，刀尖點(diǎn)位置會(huì)隨著機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化，數(shù)控系統(tǒng)控制點(diǎn)往往與刀尖點(diǎn)不重合，數(shù)控系統(tǒng)需要自動(dòng)修正控制點(diǎn)，以保證刀尖點(diǎn)按照既定軌跡運(yùn)動(dòng)。圖3是五軸機(jī)床刀尖點(diǎn)跟隨開和關(guān)的轉(zhuǎn)換效果圖。

圖3 刀尖點(diǎn)跟隨轉(zhuǎn)換效果[2]

雖然機(jī)床存在刀尖點(diǎn)跟隨功能，但直角銑頭的應(yīng)用同樣需要根據(jù)直角銑頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)距離補(bǔ)償，直角銑頭是由兩段直角邊構(gòu)成，目前使用的常規(guī)刀具刀尖點(diǎn)線性坐標(biāo)補(bǔ)償功能并不適用。直角銑頭的刀尖點(diǎn)線性坐標(biāo)補(bǔ)償算法主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：

（1）對(duì)于沒有開放五軸聯(lián)動(dòng)功能的加工中心，可通過編制刀具參考點(diǎn)偏置補(bǔ)償算法的子程序?qū)崿F(xiàn)補(bǔ)償。

（2）對(duì)于能夠完成五軸聯(lián)動(dòng)的加工中心可通過控制器雙向刀長補(bǔ)償法完成補(bǔ)償。

2.2 機(jī)床空間回轉(zhuǎn)坐標(biāo)刀尖點(diǎn)變換補(bǔ)償算法

采用直角銑頭的五軸機(jī)床進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)。需要相應(yīng)的平動(dòng)軸和轉(zhuǎn)動(dòng)軸相對(duì)應(yīng)數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換和補(bǔ)償。就是需要將機(jī)床旋轉(zhuǎn)角度最為具體參數(shù)回傳至數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床將回傳參數(shù)記錄至機(jī)床線性軸轉(zhuǎn)換子程序，完成主軸端面相對(duì)刀尖點(diǎn)的線性軸位置偏置計(jì)算后，自動(dòng)寫入機(jī)床控制器中實(shí)現(xiàn)刀尖點(diǎn)的自動(dòng)補(bǔ)償。

以五軸臥式加工中心為例，刀具參考點(diǎn)偏置補(bǔ)償法根據(jù)刀軸的指向可分為4種初始安裝方位（面向機(jī)床方向觀察）：刀軸指向 12 點(diǎn)方向（垂直向上）、3 點(diǎn)方向（水平向右）、6 點(diǎn)方向（垂直向下）和9 點(diǎn)方向（水平向左）。刀軸初始方向指向位置如圖4所示。

圖4 刀軸初始方向位置圖

直角銑頭安裝時(shí)一般需要選擇直角銑頭刀軸的初始方向，初始方向?yàn)橐阎兞?，本文選定直角銑頭刀軸初始方向指向機(jī)床坐標(biāo)系-X方向（圖5）。

圖5 直角銑頭刀軸初始方向指向機(jī)床坐標(biāo)系-X方向

以水平旋轉(zhuǎn)軸中心A為原點(diǎn)，主軸端面參考點(diǎn)B的坐標(biāo)為[0 0 ?La]T，初始刀尖點(diǎn)C的坐標(biāo)為[?Lc0 ?La?Lb]T。機(jī)床通過A軸和C軸旋轉(zhuǎn)直角銑頭刀軸與刀尖點(diǎn)矢量方向一致，其刀尖點(diǎn)的變換方法為初始刀尖點(diǎn)C坐標(biāo)左乘繞Xm軸旋轉(zhuǎn)變換矩陣，再左乘繞Zm軸旋轉(zhuǎn)變換矩陣，當(dāng)直角銑頭先繞Xm軸旋轉(zhuǎn)α，再繞Zm軸旋轉(zhuǎn)θ后，刀尖點(diǎn)D的坐標(biāo)為[XdYdZd]T可由式（1）求得

刀具參考點(diǎn)B相對(duì)于刀尖點(diǎn)D的線性偏差值為

式中：α為A軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度；θ為C軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度。

當(dāng)直角銑頭刀軸初始方向發(fā)生變化時(shí)，即刀軸初始方向從-X方向開始繞Zm軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)β，β一般為90°的倍數(shù)值，其變換后初始刀尖點(diǎn)C'的坐標(biāo)為

通過變換矩陣計(jì)算得到新的坐初始刀尖點(diǎn)C的坐標(biāo)，刀尖點(diǎn)D的坐標(biāo)為[XdYdZd]T可由式（4）求得

刀具參考點(diǎn)B相對(duì)于刀尖點(diǎn)D的線性偏差值為

2.3 控制器雙向刀長補(bǔ)償算法

角度頭加工階段，RTCP 點(diǎn)的預(yù)設(shè)是關(guān)鍵，根據(jù)軸線交點(diǎn)對(duì)比情況可知，補(bǔ)償模型確定后，提前對(duì)刀具進(jìn)行處理。根據(jù)刀具運(yùn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)情況可知，要做好平移工作，確定驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，合理預(yù)設(shè)。通過輸入程序的預(yù)設(shè)可知，不同刀具中線點(diǎn)的選擇是關(guān)鍵，刀具長度以及允許的誤差值不同，不滿足條件的刀位情況下，要添加刀位點(diǎn)，保證誤差控制在合理范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)合理化加工和處理。

普通銑頭的刀具長度僅沿機(jī)床主軸方向，在進(jìn)行刀具長度補(bǔ)償時(shí)僅需補(bǔ)償?shù)毒叩腪向長度值。而直角銑頭包含主軸軸線和刀具軸線兩個(gè)刀長方向，因此必須在機(jī)床控制器刀具表中設(shè)置雙向刀長才能實(shí)現(xiàn)機(jī)床刀具參考點(diǎn)的偏置補(bǔ)償。

圖4中直角銑頭刀尖點(diǎn)指向機(jī)床坐標(biāo)系-X方向，因此需將刀長Lb值輸入刀具表的Length 1 中，將Lc值輸入Length 3 中，如圖6所示。

圖6 直角銑頭指向機(jī)床坐標(biāo)系-X向的雙向刀長

2.4 直角銑頭加工仿真技術(shù)

數(shù)控仿真是數(shù)控加工再虛擬環(huán)境中的映射，可以仿真零件數(shù)控加工的完整制造過程，驗(yàn)證數(shù)控程序的正確性，減小零件調(diào)試風(fēng)險(xiǎn)，模擬數(shù)控機(jī)床實(shí)際運(yùn)動(dòng)，檢查潛在碰撞，確保加工過程中的質(zhì)量。

機(jī)床安裝直角銑頭后，機(jī)床在初始裝下的刀軸矢量、刀尖點(diǎn)位置和機(jī)床實(shí)際位置不同，根據(jù)機(jī)床指令、安裝直角銑頭前后的運(yùn)動(dòng)改變，用仿真軟件開發(fā)機(jī)床直角銑頭仿真環(huán)境。開發(fā)機(jī)床仿真環(huán)境的流程如圖7所示。

圖7 開發(fā)機(jī)床仿真環(huán)境的流程

2.5 直角銑頭在返回器組合加工中的應(yīng)用

如圖8所示，返回器側(cè)壁金屬殼體的組合加工中，由于艙內(nèi)尺寸狹小，艙內(nèi)安裝面及安裝孔加工無法采用機(jī)床主軸頭進(jìn)行直接加工，在此采用細(xì)長直角銑頭進(jìn)行艙內(nèi)狹小部位安裝面及安裝孔的加工。

圖8 直角銑頭在返回器艙體中的應(yīng)用

通過直角銑頭在應(yīng)用中的補(bǔ)償求解，將相關(guān)參數(shù)傳至機(jī)床，實(shí)現(xiàn)刀尖點(diǎn)跟隨，并對(duì)編制程序進(jìn)行真實(shí)狀態(tài)加工仿真，完成艙內(nèi)狹小范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭等5個(gè)法蘭的安裝面及安裝孔整艙狀態(tài)下的組合加工。

3 精測輔助離線加工技術(shù)研究

俯仰發(fā)動(dòng)機(jī)艙體安裝面位于艙體外直徑為230 mm的半圓封閉空間內(nèi)，空間更加狹小，常規(guī)機(jī)械加工及直角銑頭無法直接對(duì)加工部位進(jìn)行加工。這就需要探索新的工藝方案實(shí)現(xiàn)更加狹小部位的加工。

精測輔助離線加工技術(shù)是在組合加工過程中，利用精測數(shù)據(jù)反饋逆向建模，將整艙整器中的零件通過坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換由整艙單點(diǎn)加工轉(zhuǎn)換至多臺(tái)聯(lián)動(dòng)加工。可解決加工中資源沖突問題，同時(shí)加工不受空間限制。

3.1 精測輔助離線加工工作原理

精測輔助離線加工技術(shù)的原理是：使用若干精測點(diǎn)擬合艙體支架的實(shí)際裝配位置和余量狀態(tài)，在拆除后的零件上建立加工坐標(biāo)系，在五軸機(jī)床上加工理論模型的幾何特征。其核心是整艙加工基準(zhǔn)向零件基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，原理是增加一次精測，使用精測數(shù)據(jù)擬合出零件在整艙上的位置，而不再需要整艙加工。精測輔助離線加工過程如圖9所示。精測輔助離線加工技術(shù)流程如圖10所示。

圖9 精測輔助離線加工過程

圖10 精測輔助離線加工技術(shù)流程

3.2 精測輔助離線加工誤差分析

從艙體精測輔助離線加工的流程可以看出，離線加工與在線加工相比會(huì)引入更多的誤差，導(dǎo)致最終加工尺寸發(fā)生偏離。對(duì)離線加工過程的誤差產(chǎn)生源進(jìn)行分析，并采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┮詼p小離線組合加工的加工誤差，提高一次成功率。

在線加工將所有與整器相關(guān)尺寸均留組合加工余量，部裝后將整器放置在大型機(jī)床上，整器坐標(biāo)系即零件加工坐標(biāo)系，因此誤差項(xiàng)只存在加工誤差一項(xiàng)。離線加工同在線加工類似，但由于引入了精測數(shù)據(jù)擬合零件的實(shí)際位置，因此除了加工誤差外，還有定位、找正、復(fù)位誤差以及這3項(xiàng)誤差的傳遞，如圖11所示。

圖11 在線與離線加工流程及誤差源

各誤差項(xiàng)的含義解釋如下。

數(shù)據(jù)重構(gòu)誤差：由于精測時(shí)受被測零件加工誤差和測量系統(tǒng)誤差的影響，使用精測數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上重構(gòu)零件位置和實(shí)際零件位置會(huì)存在偏差。

找正誤差：零件放置在機(jī)床上加工時(shí)，通過找正零件上的特征（例如選取已加工零件的一個(gè)面輪廓來找正），來完成零件加工坐標(biāo)系的找正。由于零件本身存在制造誤差，因此通過特征找正的坐標(biāo)系存在偏差。

定位誤差：數(shù)據(jù)重構(gòu)誤差和找正誤差的組合。

加工誤差：零件組合加工時(shí)產(chǎn)生的加工誤差。

復(fù)位誤差：零件復(fù)位裝配時(shí)由于與第一次放置位置不一致產(chǎn)生的誤差。

離線加工過程較復(fù)雜，存在多次誤差傳遞，有必要采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┮詼p小或消除離線組合加工過程中的誤差，保證零件精度要求。

3.3 工藝保障

設(shè)備安裝支架由于要組合加工，因此在零件狀態(tài)時(shí)需控制余量并考慮后續(xù)加工的可行性，應(yīng)盡量預(yù)留足夠的調(diào)節(jié)余地，零件上設(shè)備安裝面留組合加工余量，設(shè)備安裝孔在零件狀態(tài)下不加工，在精測后去除設(shè)備安裝面上的余量再打設(shè)備連接孔，以滿足設(shè)備的安裝精度要求。

3.4 整器基準(zhǔn)的建立

根據(jù)設(shè)計(jì)要求建立航天器基準(zhǔn)坐標(biāo)系，航天器整器基準(zhǔn)一般選擇在星箭或艙體對(duì)接面的圓心或中心位置，由于激光跟蹤儀、激光雷達(dá)是通過尋找離散點(diǎn)位來擬合坐標(biāo)系原點(diǎn)。找正時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

（1）坐標(biāo)系建立平面上離散點(diǎn)需要包絡(luò)整個(gè)面，對(duì)選取點(diǎn)擬合面的平面度進(jìn)行判讀，以檢查選取離散點(diǎn)的質(zhì)量。

（2）應(yīng)具有能夠建立坐標(biāo)系原點(diǎn)和指向的精測找正孔，精測孔的數(shù)量應(yīng)該能夠支持對(duì)整器基準(zhǔn)的自驗(yàn)證。

（3）支架的初始安裝正艙坐標(biāo)系與復(fù)裝復(fù)測正艙坐標(biāo)系采用統(tǒng)一的方式創(chuàng)建，部裝時(shí)離線組合加工的設(shè)備零件最終為總裝時(shí)安裝設(shè)備提供支持，因此整器基準(zhǔn)的建立應(yīng)該與航天器總裝器件的基準(zhǔn)保持一致。

3.5 基準(zhǔn)向零件的轉(zhuǎn)換

整器基準(zhǔn)建立完成后，需要使用激光跟蹤儀、經(jīng)緯儀或激光雷達(dá)，采集設(shè)備零件上的離散點(diǎn)，通過離散點(diǎn)的坐標(biāo)標(biāo)定零件在整器坐標(biāo)系中的實(shí)際位置。離散點(diǎn)采集完畢后，就可將加工的零件拆下，放到機(jī)床上加工與整器坐標(biāo)系有尺寸公差要求的設(shè)備安裝面和安裝孔。

3.6 精測輔助離線加工技術(shù)在返回器加工中應(yīng)用

返回器側(cè)壁金屬殼體的組合加工中，外部的俯仰發(fā)動(dòng)機(jī)艙體安裝面，位于艙體外部狹小空間內(nèi)，該空間部位機(jī)床主軸及直角銑頭尺寸大于艙體空間，無法進(jìn)行俯仰發(fā)動(dòng)機(jī)艙體安裝面及安裝孔的加工。應(yīng)用精測輔助離線逆向建模加工技術(shù)完成該部位艙體高效高精度的加工。詳細(xì)加工流程如圖12所示。

圖12 精測輔助離線逆向建模方法在返回器組合加工中應(yīng)用

3.7 產(chǎn)品加工結(jié)果與效果

返回器側(cè)壁金屬殼體俯仰發(fā)動(dòng)機(jī)艙體驗(yàn)收尺寸的實(shí)測數(shù)據(jù)見表1，利用精測輔助離線逆向建模加工技術(shù)完成了返回器側(cè)壁金屬殼體俯仰發(fā)動(dòng)機(jī)艙體的加工。符合設(shè)計(jì)要求。

表1 返回器側(cè)壁金屬殼體俯仰發(fā)動(dòng)機(jī)艙體驗(yàn)收尺寸實(shí)測數(shù)據(jù)表mm

4 結(jié)語

本文分析了直角銑頭在復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中的加工優(yōu)勢，刀尖點(diǎn)跟隨補(bǔ)償解決了直角銑頭在五軸加工中的刀尖點(diǎn)補(bǔ)償難題，將直角銑頭應(yīng)用到航天器復(fù)雜產(chǎn)品的加工中，進(jìn)一步提升了五軸數(shù)控加工中心的加工范圍；提出了精測輔助離線加工技術(shù)的原理及工作流程，并對(duì)精測輔助離線加工過程的誤差產(chǎn)生源及其傳遞過程進(jìn)行了理論分析，提出了解決措施以提高返回器離線加工精度，解決了返回器加工部位空間狹小帶來的在線組合加工瓶頸問題。兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)件狹小部位的加工難題，完成了返回艙側(cè)壁金屬殼體的組合加工任務(wù)。為類返回器小型薄壁密封艙體狹小空間部位組合加工提供了新的方法和經(jīng)驗(yàn)。