一种运载火箭部段精密对接协调方法与流程

本发明属于航天器
技术领域：
，尤其是涉及一种运载火箭部段精密对接协调方法。
背景技术：
：运载火箭结构中，推进剂贮箱和所有壳段构成火箭的外壳，是箭体结构主要承力件。端框对接协调是运载火箭各部段间装配对接最常用的对接结构，相邻部段两端框端面对齐后通过若干螺栓螺接完成两部段的机械连接，实现部段对接协调和箭体结构传力，一般两部段间仅设计一个对接面，如图2所示。新型直径运载火箭由于特殊传力结构需求，箭体贮箱和壳段对接时，需内、外两个部段对接面同时实现对接协调，以实现发动机推力同时通过部段端框和贮箱箱底两条传力路径向上传递的目的，如图3所示。上述对接协调关系存在过定位情况，在国内运载火箭结构设计中是首次出现。由于部段产品尺寸规模大、贮箱焊接变形和部段装配误差等因素影响，很难实现贮箱和壳段在两个对接面上同时精确配合，对接间隙过大将影响发动机传力路径，严重时会导致发动机推力均集中在一个传力路径进行传递，使此路径上结构(壳段侧壁或贮箱箱底)承力超过设计载核，造成结构失稳破坏，影响运载火箭飞行成败。为确保两个对接面同时精确对接，传统方式是待两部段生产完成后，将两部段运输至一处进行实物对接并手工均布多点测量对接面间隙后，加工间隙调整垫片进行间隙量调节，以满足设计最小间隙值要求。存在对接协调节点滞后拉长研制周期、手工多点测量精度差等缺点，影响对接效果。技术实现要素：有鉴于此，本发明旨在提出一种运载火箭部段精密对接协调方法，解决了现有技术中对新型贮箱与壳段之间的对接过程中存在对接协调节点滞后拉长研制周期、手工多点测量精度差等缺点，影响对接效果的技术问题。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种运载火箭部段精密对接协调方法，运载火箭部段包括壳段及贮箱，壳段的两个用于对接端面分别为第一端面及第二端面，贮箱后底的两个用于对接的端面分别为第三端面及第四端面，所述第一端面与第三端面装配后形成第一对接面，所述第二端面与第四端面装配后形成第二对接面，包括如下步骤：步骤一：精测所述第一端面及第二端面相对位置，获取所述第一端面及第二端面的相对位置数据；步骤二：精测所述第三端面及第四端面相对位置，获取所述第三端面及第四端面的相对位置数据；步骤三：选定步骤一及步骤二最后获取的数据拟合用中间坐标系；步骤四：对步骤一及步骤二最后获取的数据通过中间坐标系转换拟合，获得贮箱与壳段之间的对接间隙特征数据包；所述步骤一、步骤二顺序可以调换或同时进行。进一步的，所述步骤一中精测所述第一端面及第二端面相对位置包括如下步骤：s1：以所述第一端面的圆心为原点，以第一端面为基准面，建立三维坐标系，所述第一端面为xoy平面，坐标x轴指向i象限，坐标y轴指向iv象限；s2：在所述第一端面及第二端面上均选取至少一圈坐标采集点，一圈坐标采集点包括多个坐标采集点，至少一圈坐标采集点以i象限起始圆周均匀排列，一圈坐标采集点圆周排列的圆心与原点重合，相邻的两个坐标采集点的圆心角小于或等于20°s3：通过测量设备采集每一个坐标采集点的数据。进一步的，所述步骤二中精测所述第三端面及第四端面相对位置包括如下步骤：(1)在所述第三端面及第四端面上均选取至少一圈坐标采集点，一圈坐标采集点包括多个坐标采集点，至少一圈坐标采集点以i象限起始圆周均匀排列，一圈坐标采集点圆周排列的圆心与原点重合，相邻的两个坐标采集点的圆心角小于或等于20°；(2)通过测量设备采集每一个坐标采集点的数据。进一步的，在所述第二端面及第四端面选取坐标采集点圈数为两圈，每圈的坐标采集点数量为18个。进一步的，在所述第一端面及第三端面选取坐标采集点圈数为一圈，一圈的坐标采集点数量为36个。进一步的，所述测量设备为激光跟踪仪。进一步的，所述步骤四中的步骤一及步骤二最后获取的数据通过中间坐标系转换拟合的参数类别包括横移距离、横移方向、偏斜夹角、偏斜方向及高度差；所述横移距离为第二对接面圆心在基准面内的投影点与基准坐标系原点之间的连线长度；所述横移方向为第二对接面圆心在基准面内的投影点与基准坐标系原点连线后与x轴正向的夹角；所述偏斜夹角为第二对接面法线矢量与z轴正向的夹角，夹角范围为0～90°；所述偏斜方向为第二对接面法线矢量在基准面内的投影与x轴正向的夹角；所述高度差为所述第一对接面与第二对接面之间的高度差。进一步的，当所述步骤四操作完成后，还包括如下步骤：步骤五：导出对接间隙数据包，通过对接间隙数据包建立间隙三维模型；步骤六：依据三维模型数控加工调整垫片；步骤七：安装调整垫片精确协调对接特征。进一步的，所述步骤五中的建立间隙三维模型包括如下步骤：1)利用偏斜夹角、高度差、第一对接面或第二对接面外径和第一对接面或第二对接面内径绘制调整垫片的截面图，将截面图前后拉伸，同时将第一对接面或第二对接面内径及外径形成的径向轮廓沿z轴方向拉深，两部分的相交部分即为调整垫片的实体加工模型；2)利用精测数据偏斜方向获得四处象限线的分布位置；3)基于象限线位置，在模型中建立均布的连接孔理论特征；4)采集特定均布孔的坐标值，与精测坐标值对比，获得模型与精测值的相对误差，当孔分布误差小于0.83mm时，满足装配要求。相对于现有技术，本发明所述的一种运载火箭部段精密对接协调方法具有以下优势：本发明所述的一种运载火箭部段精密对接协调方法，步骤一及步骤二采用精测的方式分别得到贮箱及壳段对接协调相关结构的位置数据，通过数据拟合和逆向建模的方式实现过约束结构对接时补偿调整垫片的数字化模型，相比传统的实物对接、手工多点测量的方式，有以下优点：1、协调精度高：采用精密测量设备测的数据精度高、误差小，逆向建模时可以最大限度的实现理论模型与待调整间隙之间的精确匹配，实现高精度的参数化对接协调。2、节约研制周期：贮箱整箱焊接完成后即可进行精测，逆向建模和调整垫片加工与贮箱后续工作并行；参数化协调节省了部段产品运输、起吊对接等操作。通过以上对工艺流程优化，大幅缩减了部段对接等待时间，缩短了研制周期。经过部段产品实际部段对接操作验证，此种工艺方式所生产的调整垫片可以很好的实现过约束结构的对接协调匹配，补偿调整后实际间隙值较小、间隙量均匀，经静力试验验证发动机推力分配比与理论计算基本相符，可以较好的满足设计传力要求，实现了良好的应用效果。附图说明构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明实施例所述的一种运载火箭部段精密对接协调方法的流程示意图；图2中的t1为传统贮箱与壳段对接协调对接前结构示意图；图2中的t2为传统贮箱与壳段对接协调对接后结构示意图；图3中的t3为新型贮箱与壳段对接协调对接前结构示意图；图3中的t4为新型贮箱与壳段对接协调对接后结构示意图；图4中的t5为本发明实施例所述的一种运载火箭部段精密对接协调方法中的新型贮箱结构示意图；图4中的t6为本发明实施例所述的一种运载火箭部段精密对接协调方法中的新型壳段结构示意图；图5中的t7为新型贮箱与壳段对接协调对接后第一对接面上出现间隙时的结构示意图；图5中的t8为新型贮箱与壳段对接协调对接后第二对接面上出现间隙时的结构示意图；图6为本发明实施例所述的一种运载火箭部段精密对接协调方法的测试设备对孔位测试的示意图；图7为本发明实施例所述的一种运载火箭部段精密对接协调方法的第二对接面上的两圈坐标采集点分布位置；图8为本发明实施例所述的一种运载火箭部段精密对接协调方法中的第一对接面及第二对接面在坐标系上的对接协调误差示意图；图9为本发明实施例所述的一种运载火箭部段精密对接协调方法中的调整垫片示意图；图10为本发明实施例所述的一种运载火箭部段精密对接协调方法中的调整垫片剖面图；图11为本发明实施例所述的一种运载火箭部段精密对接协调方法中的调整垫片模型示意图。附图标记说明：1、第一测试孔位；2、第二测试孔位；3、第三测试孔位；4、第四测试孔位；5、第五测试孔位；6、第六测试孔位；7、第七测试孔位；8、第八测试孔位；101、贮箱；201、壳段；301、发动机；a、第一对接面；b、第二对接面；10、端框；20、反射测量球；21、测量座；r、横移距离；θ、横移方向；α、偏斜夹角；β、偏斜方向；h、高度差；31、第二对接面坐标采集点；l1、贮箱协调高度；l2、壳段协调高度。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。过定位结构下的部段对接协调主要受贮箱协调高度l1和壳段协调高度l2两尺寸的匹配性以及4个对接平面的平面度和平行度影响：当贮箱协调高度l1＞l2时，对接间隙出现在对接面1；当贮箱协调高度l1＜壳段协调高度l2时，对接间隙出现在第二对接面；当对接平面平面度和平行度差时，将出现波浪形或楔形对接间隙。因此，在单个部段装配过程中，需严格控制上述形位和尺寸精度，避免较大对接间隙出现。精确对接协调需解决的核心问题是消除对接面间间隙。由于为新型号预研，贮箱的锥形箱底结构在研制过程中无专用焊接工装进行保形和定位，同时受焊接热输入量大造成变形严重等因素影响，锥形底结构成型精度差，使对接面间隙情况更为复杂。经过两部段产品实物贮箱协调高度l1和壳段协调高度l2尺寸的简单测量，可初步判断对接间隙出现在第二对接面b，间隙值大约在2-8mm范围内。为解决上述问题，经研究，初步确定采用精测方式确定对接面间隙精确位置和形状尺寸，通过数控加工配制调整垫片的方式消除对接面间隙，实现精确对接协调。一种运载火箭部段精密对接协调方法，运载火箭部段包括壳段201及贮箱101，壳段201的两个用于对接端面分别为第一端面及第二端面，贮箱101后底的两个用于对接的端面分别为第三端面及第四端面，第一端面与第三端面装配后形成第一对接面a，第二端面与第四端面装配后形成第二对接面b，如图1所示，包括如下步骤：步骤一：精测第一端面及第二端面相对位置，获取第一端面及第二端面的相对位置数据；步骤二：精测第三端面及第四端面相对位置，获取第三端面及第四端面的相对位置数据；步骤三：选定步骤一及步骤二最后获取的数据拟合用中间坐标系；步骤四：对步骤一及步骤二最后获取的数据通过中间坐标系转换拟合，获得贮箱101与壳段201之间的对接间隙特征数据包；步骤五：导出对接间隙数据包，通过对接间隙数据包建立间隙三维模型；步骤六：依据三维模型数控加工调整垫片；步骤七：安装调整垫片精确协调对接特征。步骤一、步骤二顺序可以调换或同时进行。步骤一中精测第一端面及第二端面相对位置包括如下步骤：s1：以第一端面的圆心为原点，以第一端面为基准面，建立三维坐标系，第一端面为xoy平面，坐标x轴指向i象限，坐标y轴指向iv象限；s2：在第一端面及第二端面上均选取至少一圈坐标采集点，一圈坐标采集点包括多个坐标采集点，至少一圈坐标采集点以i象限起始圆周均匀排列，一圈坐标采集点圆周排列的圆心与原点重合，相邻的两个坐标采集点的圆心角小于或等于20°s3：通过测量设备采集每一个坐标采集点的数据。步骤二中精测第三端面及第四端面相对位置包括如下步骤：(1)在第三端面及第四端面上均选取至少一圈坐标采集点，一圈坐标采集点包括多个坐标采集点，至少一圈坐标采集点以i象限起始圆周均匀排列，一圈坐标采集点圆周排列的圆心与原点重合，相邻的两个坐标采集点的圆心角小于或等于20°；(2)通过测量设备采集每一个坐标采集点的数据，本实施例中，测量设备为激光跟踪仪，测试软件为polyworks，采用精密测量设备测的数据精度高、误差小，逆向建模时可以最大限度的实现理论模型与待调整间隙之间的精确匹配，实现高精度的参数化对接协调。本实施例中，在第二端面及第四端面选取坐标采集点圈数为两圈，每圈的坐标采集点数量为18个。在第一端面及第三端面选取坐标采集点圈数为一圈，一圈的坐标采集点数量为36个。第二对接面b与第一对接面a相对关系，如图8所示，步骤四中的步骤一及步骤二最后获取的数据通过中间坐标系转换拟合的参数类别包括横移距离r、横移方向θ、偏斜夹角α、偏斜方向β及高度差h，如表1所示，图8中o’为第二对接面圆心，o”为其在下端面的正投影。图8中o’n为上端面法向，on’∥o’n；表1横移距离r为第二对接面b圆心在基准面内的投影点与基准坐标系原点之间的连线长度；横移方向θ为第二对接面b圆心在基准面内的投影点与基准坐标系原点连线后与x轴正向的夹角；偏斜夹角α为第二对接面b法线矢量与z轴正向的夹角，夹角范围为0～90°；偏斜方向β为第二对接面b法线矢量在基准面内的投影与x轴正向的夹角；高度差h为第一对接面a与第二对接面b之间的高度差h。步骤五中的建立间隙三维模型包括如下步骤：1)利用偏斜夹角α、高度差h、第二对接面b外径和第二对接面b内径绘制调整垫片的截面图，将截面图前后拉伸，同时将第二对接面b内径及外径形成的径向轮廓沿z轴方向拉深，两部分的相交部分即为调整垫片的实体加工模型；2)利用精测数据偏斜方向β获得四处象限线的分布位置；3)基于象限线位置，在模型中建立均布的连接孔理论特征；4)采集特定均布孔的坐标值，与精测坐标值对比，获得模型与精测值的相对误差，当孔分布误差小于0.83mm时，满足装配要求，8个测试孔位数据如表2所示。另外，在模型建模时需特别注意垫片象限线的标注，调整垫片倾斜方向与象限线的相对关系正确才能实现精确协调。孔位精测x精测y模型x模型y偏差第一测试孔位1907.2432-119.267907.572-118.83150.55第二测试孔位2557.4428-726.041558.0167-725.91830.59第三测试孔位3-118.979-908.046-118.8315-907.5720.50第四测试孔位4-725.863-558.292-725.9183-558.01670.28第五测试孔位5-907.719118.0631-907.572118.83150.78第六测试孔位6-557.938724.8315-558.0167724.91830.12第七测试孔位7118.4521906.8392118.8315907.5720.83第八测试孔位8725.2621557.1604724.9183557.01670.37表2本实例的工作方式分别对第一端面、第二端面、第三端面及第四端面相对关系进行精测，之后通过坐标系转换的方式将精测数据导入至同一坐标系内，从而得到间隙特征的精确模型。由于已知第一对接面对接时没有间隙，且对接操作时第一对接面a两侧端框10通过部段对接孔对正装配，为便于后续进行坐标系精确转换，约定5m部段对接面(第一对接面a)上正对i象限处的部段对接孔圆心为转换坐标系原点，两部段精测过程中需采集此处圆心在各自基准坐标系中的位置。对于精测以上数据，要求测量选用的测量设备和方法既能涵盖5m直径的贮箱101及壳段201测量范围，还能满足后续模型和加工对测量精度的需求。选用激光跟踪仪(附带38.1反射测量球)采集贮箱101与壳段201端框10对接面、对接孔和内部小对接面数据，并建立统一坐标系，实现数据模型的对接。第一对接面a作为基准，实现零间隙对接，能够保证采集数据反映第一对接面a及第二对接面b的端框10趋势情况即可，所以要求测量点数保证不少于24个，位置均匀分布。对接孔借用直径11mm的测量座21插入对接孔内，与对接孔紧配合，将反射测量球20放入测量座21完成测量。从i象限起始，匀布测量24个孔位置数据。第二端面及第四端面测量数据是后期加工的关键数据，并且此环形对接面尺寸较宽，为了真实反映其情况，测量数据分内外两圈坐标采集点，以内外边界起始分别向内缩进80mm，每圈均布采集不少于18个坐标采集点，共不少于36个数据。之后，采用同样的方式测量第三端面及第四端面之间精确的相对关系，但需要注意以贮箱101段框面建立坐标系时，方向设定应与壳段201一致，与自身矢量方向相反；对接间隙模型建立，分别测的贮箱101和壳段201两对接平面间位置关系数据后，分别将两组数据坐标系调整至转换坐标系原点(即i象限处的部段对接孔圆心)，然后将两组数据转换放置于同一坐标系中，得到第二对接面b处第二端面及第四端面的相对位置关系。建立垫片加工模型时，将壳段201的第二端面的实测面简化为平面，降低调整点片加工难度。精测数据处理后，横向距离r几乎为零，为简化模型建立过程，将横移距离r和横移方向θ设为0，即精测数据处理后结果见表3；表3由于调整垫片一侧为斜面形貌，因此需采用五轴数控机床进行调整垫片的加工，加工完成后利用数控机床在垫片柱面或端面上划刻象限线标识。调整垫片装配在第二端面的端框10上端面，安装时与第二端面的端框10象限线严格对正。通过贮箱101与壳段201试对接验证，第二对接面b调整后间隙值基本在1mm以内，此间隙可以通过对接面螺栓连接预紧力消除，实现两部段对接面同时贴合，满足过定位结构下部段精确对接协调的要求，实现了箭体壳段201与箱底同时传力的目的。另外，调整试对完毕后，将调整垫片与第二端面的端框10采用铰制孔连接抗剪沉头钉的方式定位连接，确保后续部段试验过程中调整垫片不发生错动滑落等情况。以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3 

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