1 前言
运载火箭增压输送系统主要包括贮箱增压管路、预冷回流管路、燃料输送管路、控制气管路等。在管路制造过程中，现场取样是管路制造的常用生产方式之一，主要分为以下两种：
（1）装配公差要求超出制造公差的管路
弯管工艺属于钣金成型范畴，其制造公差范围按照钣金工艺要求执行，对于管路本身定位精度要求非常高的产品，其制造公差已经不能满足装配精度的，须采用现场取样。
（2）用于补偿系统公差累计的管路
受工业制造水平限制，包括使箱体、壳段、发动机等箭上产品都存在有制造偏差，此类偏差不可避免，再加上总装过程中的装配公差累计，会造成较大的、不能预判的误差，此时须通过现场取样管路的办法来对此类累计误差进行补偿。
近些年来，随着液氧煤油高压补燃发动机在新型号上的应用，增压输送管路系统的生产有了新的变化，主要表现在：a）箭取样管路数量激增；b）取样导管直径增加；c）管路走向更加复杂；d）单发箭的贮箱与导管连接部位的法兰形位尺寸的误差均不相同，因此每发产品取样的管路也不相同，不具备互换性。此外，包括多种新一代运载火箭增压输送系统导管采取异地生产模式，对于中等直径的导管，取样过程中需要在总装现场反复修配、试装，取样难度较大，严重影响生产效率和型号研制进度，因而采用传统的现场取样生产模式已经不能满足型号研制进度需求。
为解决以上问题，本文根据导管取样方式、安装方法和安装部位特点，采用三维扫描测量技术针对中等直径的导管进行了测量，为柔性数字化制造导管装配提供了可靠的测量数据，以取代传统现场取样生产方式。
2 三维扫描测量设备和方法
2.1测量系统组成
本测量方案所用设备为大空间拍照式定位仪、双摄像机传感器、便携手持式三坐标测头和便携式三维激光扫描仪组成的三维测量系统。
2.2工作原理
测量过程中双摄像机传感器以高频率采集图像，得到每幅图像中三坐标测头和三维激光扫描仪上定位标点的二维位置，再利用三角测距法计算多幅图像中每个定位标点的坐标值，得到工作空间内的三维坐标值，最后计算出被测物体几何数据[1][2]。
2.3测量方法
利用手持式三维扫描测量仪分别扫描发动机和箱体导管两连接处法兰的三维点云实体模型，并提取导管在发动机和箱体安装处法兰相对位置数据，车间按照提取的数据进行导管的加工，加工完成后，再对导管进行实体三维模型的扫描，将导管与发动机和箱体实体模型导入至逆向工程软件中进行虚拟模装，确定导管安装不发生干涉，且可满足安装公差要求后，即可完成此导管的生产工作。
3 测量过程
3.1 箱体导管安装处法兰测量
在箱体和发动机对接后，为了能够准确地提取导管在箱体和发动机法兰安装处空间坐标值，箱体和发动机测量坐标系的建立至关重要。首先假设测量设备，根据待测产品的位置，确定手持式三维扫描测量仪双目视觉镜头架设在贮箱端框正前方3m处。然后建立坐标系，利用特征点测头在贮箱端框表面采集测点，测量一个平面（为贮箱对接面）并设置为X轴，；测量贮箱端框上的8个对接孔，将8个对接孔拟合圆的圆心与贮箱端框Ⅰ象限对接孔的圆心连线设立为Y轴，建立工件坐标系。
在此坐标系下，在导管安装处法兰上表面采点测量一个平面，测出该平面的法向矢量值（i，j，k）。同时，在导管安装处的法兰外表面采点，测量一个圆，将该圆的圆心投影至法兰上表面，测出导管安装法兰处空间坐标值。最后，使用扫描仪获取箱体导管安装处法兰三维点云模型。
3.2 发动机导管安装处法兰测量
发动机高度约3米以上，空间结构复杂，相互之间互有遮挡。首先，在支撑发动机的工装上对应实际测量位置布置定位标靶，建立测量场。在此测量场下，利用特征点测头在发动机上表面（为发动机对接面）采点测量一个平面，将所测平面设置为X轴，X方向坐标值设置为0；测量发动机上端框的对接孔并以孔心位置拟合一个圆，圆心（Y,Z）方向坐标值设置为0；将拟合圆的圆心与发动机端框Ⅰ象限左右两孔中点连线设立为Y轴，建立工件坐标系。在此坐标系下，在导管安装处法兰上表面采集测点测量一个平面，测出法兰上表面的法向矢量值（i、j、k）。同时，在导管安装法兰外表面采集测点，测量一个圆，将该圆的圆心投影至法兰上表 面，测出导管安装法兰处空间坐标值。之后，再利用扫描仪，扫描出发动机导管安装处法兰三维点云数据，在此坐标下，直接提取出箱体导管法兰安装处空间坐标值。为避免导管在装配过程中发生干涉，将可能干涉的气瓶等其它部位也进行了扫描。
3.3模拟装配
车间按照导管法兰位置的数据进行导管的加工，加工后对其外形轮廓进行扫描。将导管扫描数据导入至逆向工程软件发动机与箱体坐标系已对齐的界面中，基于特征对齐命令，进行模拟装配（见图1）。通过模装后两两圆心坐标空间距离与矢量方向，可有效判断导管模装偏差数值情况，从而供后期管路整修和制造工艺改善使用。
图1 导管模拟装配三维模型
4 实验结果验证
通过某根取样加工合格的导管，验证三维扫描测量技术在管路模装和数值提取中的可行性。首先，对格的导管进行扫描，获取其三维点云数据。之后，对发动机和箱体上该导管法兰安装处扫描获取三维点云，并在逆向工程软件中利用扫描点云数据模拟装配。
装配时，将箱底法兰与导管装配端装配贴合，即二者拟合圆心重合。测量此时状态下发动机法兰圆心与导管连接端圆心坐标的直线距离。最后，在相同外界因素和固定测量空间范围下，独立开展6次重复性对比实验，获取所需测量值。经测量，6组测量值分别为：0.05mm、0.12mm、0.06mm、0.15mm、0.08mm和0.02mm。采用极差法评定该实验测量不确定度（此处暂不考B类不确定）。
R为测量值中最大值与最小值之差，故R=0.15-0.02=0.13mm，平均值的标准不确定度为：
C为极差系数，经查表，当n=6时，C=2.53。
实验测量扩展不确定度：
U=kuc=2s(x̄)=2×0.021=0.042mm（此处k=2，置信区间95%）
5 结论
为有效解决新型运载火箭增压输送系统在管路制造和装配环节中的生产模式，本文提出了一种基于三维扫描测量在管路产品制造和装配中的应用技术。该技术通过三维扫描获取管路产品表面点云数据用于虚拟模装，通过模装测量位置偏差以判断管路产品是否合格。目前，应用三维扫描设备已经实现了直径100mm-200mm范围的导管空间位置测量工作。在相同固定测量空间下，通过重复性实验证明其测量扩展不确定度为0.042mm，有效满足现有型号导管产品柔性化生产和装配精度要求，可大幅缩短导管产品取样时间，提高生产效率。
参考文献
[1] 金涛，童永光等. 逆向工程技术[M].北京：机械工业出版社，2003.
[2] 佟帅，徐晓刚等. 基于视觉的三维重建技术综述[J].计算机应用研究.2011（7）.
[3] 成思源,杨雪荣等.Geomagic Qualify三维检测技术及应用[M].北京:清华大学出版社,2012.
