復(fù)合材料具有比強(qiáng)度,、比模量高、材料性能可設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn),，在航天結(jié)構(gòu)中越來(lái)越多的部段采用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu),。但由于航天系統(tǒng)中的復(fù)合材料部段結(jié)構(gòu)多為直徑小于 Φ3．5 m 回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu),，受開敞性限制，現(xiàn)有的很多數(shù)字化設(shè)備無(wú)法用于復(fù)合材料部段生產(chǎn),，目前復(fù)合材料部段大多采用手工裝配方式,，安裝零件時(shí)將周向定位角度換算成弧長(zhǎng)進(jìn)行手工劃線定位，然后根據(jù)劃線情況進(jìn)行艙段件的鉆孔,、開窗口操作,。采用此種人工作業(yè)方式效率低，且手工劃線精度難以保證,、重復(fù)性差,，存在工藝不穩(wěn)定性。而且為降低劃線寬度,，裝配時(shí)大多采用金屬劃針進(jìn)行劃線定位,，對(duì)復(fù)合材料表面會(huì)造成一定的損傷，隨著數(shù)字化制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及數(shù)控設(shè)備的大量普及,，利用數(shù)字化裝配手段代替手工操作完成產(chǎn)品的加工和裝配是目前的發(fā)展趨勢(shì),。

本文開展復(fù)合材料艙段零件數(shù)控定位技術(shù)研究，提出以數(shù)控設(shè)備結(jié)合噴墨設(shè)備完成復(fù)合材料回轉(zhuǎn)體殼體安裝零件定位工作,，根據(jù)零件安裝位置確定數(shù)控定位程序,，為避免零件安裝位置錯(cuò)誤，開展噴涂虛擬仿真研究,，虛擬仿真后通過(guò)噴墨機(jī)在殼體表面畫出零件的外形輪廓線確定零件位置,，以此取代人工劃線定位零件的裝配模式。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多為回轉(zhuǎn)體,，根據(jù)噴墨機(jī)的工作特點(diǎn)可知,，噴涂墨線的粗細(xì)會(huì)隨著墨液出射口到被噴涂表面的距離而發(fā)生變化。并且,，當(dāng)噴槍水平或傾斜噴射時(shí),，由于墨液自重的影響，噴射會(huì)導(dǎo)致噴涂點(diǎn)下沉于目標(biāo)點(diǎn),。若采用非等距噴涂,，則必須量化墨液噴射軌跡下沉對(duì)精度影響的定量關(guān)系。此過(guò)程較為復(fù)雜,，不適宜實(shí)際應(yīng)用。而解決這一問(wèn)題的最簡(jiǎn)單辦法,，則

是使噴涂出射點(diǎn)與噴射目標(biāo)點(diǎn)的空間距離保持不變,。因此提出針對(duì)此類回轉(zhuǎn)類結(jié)構(gòu)內(nèi)廓工件進(jìn)行等距離噴涂，以圓錐體為例對(duì)等距噴涂的理論及方法進(jìn)行研究,，以此來(lái)保證墨線的寬度和定位的精度,，如圖所示,。

圖中實(shí)線所表示的圓錐面為實(shí)際待噴涂表面，虛線所表示的圓錐面為實(shí)線圓錐面的等距面,，即噴槍出射口所形成的等距噴涂面,。

以噴涂 yz 面內(nèi)正方形輪廓線為例，在理論噴涂圓錐面與等距圓錐面上分別形成 abcd,、a' b' c' d'兩個(gè)空間封閉曲線,。其中，曲線 ab,，cd,，a' b'，c' d'為圓弧面,，ad,、bc、a'd',、b'c'為二次拋物線bvty寶威VIP,。雖然通過(guò)理論計(jì)算可求得這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)，但若想在圓錐表面噴涂yz 面內(nèi)的正方形輪廓線,，不可以用簡(jiǎn)單的四個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行直線進(jìn)給噴涂,，例如 G01 指令。對(duì)于 ab,、cd 段輪廓線,，可通過(guò)圓弧插補(bǔ)來(lái)完成。但對(duì)于 ad,、bc 段二次曲線,，則只能通過(guò)密化采樣點(diǎn)的辦法，通過(guò)增加型值點(diǎn)來(lái)控制等距噴涂的程度,。型值點(diǎn)選取的疏密程度,，取決于對(duì)噴涂距離誤差的寬容度，可通過(guò)弦高差方法評(píng)定,。

圖中點(diǎn) P1為初始控制點(diǎn),，可等同于點(diǎn)a。點(diǎn) Pi為當(dāng)前計(jì)算點(diǎn)的坐標(biāo),，Pc為P1與Pi的中間點(diǎn),。Pc到直線 P1Pi的距離即弦高差為 h。令ε為設(shè)定的逼近精度,，若 h＜ε,，則 i+1→i，按下一采樣點(diǎn)計(jì)算h 值,，直到 h≥ε 時(shí),，將 Pi－1點(diǎn)坐標(biāo)列入記錄,，進(jìn)而獲得數(shù)據(jù)點(diǎn)集［P］。從而可根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)集進(jìn)行微小直線段運(yùn)動(dòng)噴涂,，或者進(jìn)行空間樣條插補(bǔ)方式進(jìn)行噴涂軌跡運(yùn)動(dòng),，封閉曲線 abcd 與 a'b' c' d'并不等同，因此必須根據(jù)曲線 abcd 作為等距噴涂的基準(zhǔn),，若選擇等距面上的封閉曲線 a'b'c'd'進(jìn)行零件定位則會(huì)造成誤差,。

對(duì)于圓錐類回轉(zhuǎn)體表面等距噴涂的實(shí)現(xiàn)方式，可分為以下兩種形式: 墨液噴射方向垂直于圓錐軸線或墨液噴射方向垂直于噴射目標(biāo)點(diǎn)所在圓錐母線,。采用如上兩種噴涂方式,，均可實(shí)現(xiàn)等距噴涂的效果?？紤]到部分復(fù)合材料殼體內(nèi)表面存在網(wǎng)格結(jié)構(gòu),，為減小噴涂設(shè)備與殼體發(fā)生碰撞干涉問(wèn)題，本文采用對(duì)墨液噴射方向垂直于圓錐母線的方式,，如圖所示,。

以采用墨液噴射方向垂直于圓錐母線的方式噴涂矩形為例。平行于母線的矩形向曲面垂直投影,，兩條水平邊投影所得交線如圖中兩條紅色曲線所示,。

若想實(shí)現(xiàn)數(shù)控定位功能，必須通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)與噴墨機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制,，才能實(shí)現(xiàn)定位過(guò)程快速高精度運(yùn)行,。即可通過(guò)數(shù)控加工代碼，控制運(yùn)行軌跡,，同時(shí)控制噴墨機(jī)是否噴涂,，以及控制噴涂墨量的大小。因此,，要求數(shù)控系統(tǒng)與噴墨機(jī)的信號(hào)連接至少具備一路開關(guān)量,。若噴涂墨量大小可控，則還需要增加一路模擬量通訊接口,。選擇西門子 PLC 作為數(shù)字控制系統(tǒng)與噴墨機(jī)連接的橋梁,，如圖所示。

通過(guò) NCU 模塊執(zhí)行噴涂代碼,，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)執(zhí)行插補(bǔ)動(dòng)作,。與此同時(shí)，NCU 對(duì) PLC 實(shí)時(shí)發(fā)送控制指令,，包括噴涂使能信號(hào)與噴墨量大小,。可編程邏輯控制單元 PLC 將指令發(fā)送給信號(hào)輸出模塊 SM322與SM332,，分別進(jìn)行單路數(shù)字量輸出與單路模擬量輸出,。

為避免零件干涉以及零件安裝位置及其方向錯(cuò)誤，需要對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬仿真,。為使系統(tǒng)準(zhǔn)確直觀的模擬劃線軌跡環(huán)境,，采用 Open GL 技術(shù)作為仿真系統(tǒng)的底層工具，模擬在殼體表面數(shù)控運(yùn)行軌跡,，仿真過(guò)程以動(dòng)畫模擬具體繪制過(guò)程,，首先在后臺(tái)內(nèi)存區(qū)繪制艙段裝配圖，其次將軌跡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 Open GL 數(shù)據(jù),，并計(jì)算劃線過(guò)程動(dòng)畫速度以及噴頭位置,，最后將指定動(dòng)畫軌跡繪入后臺(tái)內(nèi)存區(qū)，將后臺(tái)內(nèi)存圖像顯示在前臺(tái),，重復(fù)上述步驟,，完成動(dòng)畫仿真過(guò)程。

系統(tǒng)硬件連接,、PLC 及 HMI 操作界面程序規(guī)劃完成后,，設(shè)備已經(jīng)具備所需的零件安裝位置定位功能，此時(shí)需要對(duì)設(shè)備運(yùn)行路徑進(jìn)行規(guī)劃,，編寫控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)以及 PLC 工作的 NC 宏程序,，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)噴涂畫線功能。本文選用西門子高級(jí)編程中的同步動(dòng)作指令,，實(shí)現(xiàn)位置輪廓線噴涂功能,。同步動(dòng)作的執(zhí)行以實(shí)時(shí)方式進(jìn)行，西門子插補(bǔ)時(shí)間周期為 1 ～ 2 ms,，此可完全滿足噴碼機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)調(diào)度與配合噴涂作業(yè),。以實(shí)例說(shuō)明同步動(dòng)作功能在噴涂系統(tǒng)中的實(shí)際使用方法: ID= 1 WHENEVER FA［X］= 0 DO OUTD［1］= 0ID= 1 表示第一段同步動(dòng)作程序; FA［X］表示當(dāng)前插補(bǔ)周期內(nèi)，x 軸的速度為 0,，只要當(dāng) x 軸停止動(dòng)作,，則停止噴墨。噴涂過(guò)程中,，軸的移動(dòng)速度與噴墨量成正比,，這樣即可保證噴涂墨線的粗細(xì)均勻，不會(huì)因?yàn)椴逖a(bǔ)程序的加減速控制帶來(lái)的速度變化,，造成減速區(qū)域形成墨滴,。bvty.VIP

為驗(yàn)證數(shù)控定位效果，通過(guò)數(shù)控設(shè)備結(jié)合噴碼裝置構(gòu)建數(shù)控定位系統(tǒng),，在實(shí)際操作過(guò)程中,，先將復(fù)合材料艙體裝配零件位置信息轉(zhuǎn)換為 XML 數(shù)據(jù)，然后XML 數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)控定位系統(tǒng)嵌在西門子 Simumerik 840D 中的軟件部分,，生成可用的 MPF 運(yùn)行文件,，直接控制噴碼裝置噴涂,，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料殼體表面零件輪廓位置的噴涂標(biāo)記，實(shí)際噴涂效果如圖 8 所示,，經(jīng)測(cè)量零件定位精度可以達(dá)到± 0．1 mm,，滿足設(shè)計(jì)要求值，相對(duì)手動(dòng)劃線精度行得到大幅提升,。

面向航天復(fù)合材料殼段裝配特點(diǎn),，提出結(jié)合數(shù)控設(shè)備及噴涂設(shè)備實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料部段零件數(shù)控定位方案，達(dá)到了對(duì)復(fù)合材料殼體裝配零件進(jìn)行準(zhǔn)確定位的目標(biāo),，提升了復(fù)合材料殼體裝配精度和一致性,，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)數(shù)字化裝配奠定了基礎(chǔ)。