4.2.2 运载火箭低温贮箱绝热层自动喷涂与磨削装备
4.2.2.1 自动化喷涂与磨削装备概述
我国CZ-5火箭、CZ-6火箭、CZ-7火箭等新一代运载火箭均采用液氢/液氧、液氧/煤油推进剂。液氧的汽化温度为-183℃，属于低温推进剂，为减少蒸发量和保证火箭发动机的正常工作，需要对液氧采取隔热措施，以保证其温度在一定范围内。 目前国内外主流的做法是在低温贮箱筒段和箱底的外壁喷涂一层聚氨酯泡沫塑料（PU）作为隔热材料。运载火箭在发射过程中的高温气流冲刷会产生较高温度，而聚氨酯泡沫塑料耐高温性能较差，后续需要在聚氨酯泡沫塑料隔热层上缠绕或喷涂防热材料，共同组成绝热层。聚氨酯泡沫塑料喷涂后表面凹凸不平，出于减重和表面美观的考虑，需要进行打磨加工处理，打磨精度要求很高（≤±2 mm）。
新一代运载火箭CZ-5、CZ-6、 CZ-7已首飞，后续迎来新一代运载火箭的小批量生产，每年的低温贮箱产量在数十件以上。 目前低温贮箱箱底隔热层的手工打磨工艺无法满足型号高密发射对效率和质量的要求，另外打磨环境也不符合环保的需求，因此亟需开展环保、高效、高质量的打磨工艺研究。 自动化打磨与手工打磨相比优势突出，可以实现贮箱箱底隔热层环保、高效率、高质量的自动化打磨加工，解决目前手工打磨效率低、质量差、工作环境恶劣等问题，因此研制火箭低温贮箱箱底隔热层自动打磨机器人及自动打磨工艺势在必行。
自动化喷涂在航天领域尚未得到广泛应用，这是由于航天产品的特殊性决定的。绝热层制造过程中有3个环节需要喷涂工艺：低温胶黏剂、聚氨酯泡沫塑料和聚脲。由于这三种材料的用途特殊，在民用领域应用较少，即使有应用也未采用自动喷涂的方式，因此绝热层自动化喷涂设备及其工艺在国内外研究较少。
在经历了30多年的研究和发展历程，民用自动化喷涂的技术不断创新，喷涂精度日益提高，而在世界发达国家喷涂机器人已经在汽车和小型飞机喷涂领域获得大量应用。其中，汽车的自动化喷涂在国外已是一项成熟的产业化技术。著名的汽车自动化喷涂厂家有瑞典的ABB、德国的Dürr （杜尔）与EISANMANN（艾森曼）、日本的安川，而德国的KUKA公司、日本的FANUC公司以及美国的ADEPT公司均生产自动化喷涂生产线，如图4-13所示。汽车自动化喷涂系统一般采用基于以太网的EMOS人机界面系统，通过PLC从现场设备采集设备参数、工艺参数、报警信息、实时状态等数据，传输给其他网络机柜和中控室服务器实现控制，技术已经基本成熟。尽管国内自动化喷涂起步较晚，但是技术发展迅速，在国家“04专项”支持下，目前解决了汽车喷涂柔性自动化的产业化技术障碍。近年来由于国内航天航空器结构件制造业和大型机械制造业的发展和需求，一些企业也正在开发和研究适合自己的自动化喷涂设备。
图4-13 国外喷涂生产线
目前，自动化喷涂除了在汽车行业广泛应用之外，近年来逐步进入航天航空领域。在已公开的文献中，飞机自动化喷涂系统目前大多还处于研究阶段，其中小型飞机自动化喷涂系统已经进入实验研究阶段。例如洛克希德·马丁公司在2011年建立了针对F-35战机的自动化喷涂实验系统，国际著名的波音和空客公司的大型飞机仍然依赖手工喷涂。典型的人工喷涂过程是通过控制操作台的上下左右移动，将工人送至目标位置，之后由操作工人对飞机机身进行喷涂。
2009年，Seegmiller等人对F-35战机的自动化喷涂厚度优化控制问题进行了深入的理论研究。小型飞机机器人喷涂理论研究的热点主要包括两个方面：飞机表面复杂形貌的重构；自动化喷涂路径的规划。2009年Dirk Bausen等人研究了飞机外表面的预喷涂问题，初步设计完成了自动化喷涂方案。2010年，Gyorfi等人针对喷枪路径规划中的约束问题，采用遗传算法和图搜索方法，建立了轨迹规划的优化方案。2012年，Ferreira等人针对飞机表面复杂形貌的建模和表面重构问题，研究了采用低成本激光进行复杂表面扫掠的方法。2013年，Galceran等人回顾了过去10年来自动化喷涂路径规划问题，为后续的研究指明了方向。Neto等人对普通三维CAD模型的投影进行离线编程。Chen等人研究了自动化喷涂作业时的路径规划问题。Kohrt等人对在线喷涂工业应用需要的路径规划和编程支持系统进行了研究。Chai等人对自动化喷涂应用TOF相机实现三维模型表面的快速重构方法进行了研究。Nubiola等人研究了ABB IRB 1600的误差，提出了使用激光跟踪器进行参数校核的思路。Rossi等人通过设定位置及切向速度研究了自动化喷涂路径规划问题。2014年，Mukherj ee等人以喷枪操作路径规划为目标，进行了带电微粒喷射系统的电磁控制研究。
柔性自动化磨削成套装备是由工业机器人、定制化机械臂、非标数控设备、末端执行器等柔性较高的装置组成，集成各多种测量仪器和传感器，应用于小批量产品的磨削加工生产的集成装备。其中，由于工业机器人应用较早，发展最成熟，且由于其高柔性、高效率的特点，工业机器人成套设备已成为柔性自动化装备的主流。美国、欧盟等航天大国在自动化磨削成套装备方面，于20世纪50～60年代起开展了大量的研究工作，经过多年的累计开发突破，逐渐建立起用于航天、航空、船舶、能源、车辆等领域的柔性自动化磨削成套装备。
国外柔性自动化磨削成套装备制造公司包括瑞士的INSYS公司、西班牙的Auto Pulit公司、德国SHL公司、FARROS公司、Jot Automation公司，以及美国的ACME公司等，部分公司生产的产品如图4-14所示。
图4-14 国外部分公司产品
其中，瑞士的INSYS公司拥有近40年的打磨/抛光/去毛刺加工经验，主要服务于瑞士钟表、航天航空、医疗器械等高精密自动化打磨行业。瑞士INSYS公司产品INSYS P2700是INSYS公司总结20多年的柔性自动化集成开发经验而制成的模块化、自动化加工单元，该加工单元集打磨、抛光、去毛刺、测量、除尘、降噪于一体，实现了全自动化柔性成套磨削加工系统。INSYS公司的打磨加工最高精度可达到0.01 mm，抛光最高粗糙度可达Ra 0.05。
德国的Jot Automation公司在柔性自动化磨削成套装备的设计和生产方面也有多年的经验和成功实例，在自动化打磨工艺方面也有多年的制造经验，为航天、航空、铁路、建筑、电梯等产业服务。
虽然有很多柔性自动化磨削成套装备已经在国内得到了广泛的应用，但大多是从国外引进，没有自主知识产权。在“04专项”支持下，国内机器人、数控系统、非标柔性集成技术的迅猛发展，使研制具有自主知识产权的柔性自动化磨削成套装备成为可能。
4.2.2.2自动化喷涂与磨削装备研制
1）总体技术方案
以新一代运载火箭低温贮箱绝热层喷涂磨削工艺与技术指标为基础，分析设备所需具备的基本功能，确定采用柔性自动化数字控制装备实现，通过在其末端安装更换多种喷涂和磨削操作工具，进行火箭贮箱绝热层自动喷涂成形和磨削的方案。在此基础上，结合加工产品的结构特点，进行设备系统结构布局、详细机构方案设计和关键零部件的选型，并进行设备机构的运动模拟仿真以及系统设备的工作安全性与可靠性设计，最终完成设备的整体系统设计，同时开发柔性自动化装置远程控制系统，实现火箭贮箱喷涂和磨削作业的远程控制。
依据设备所需具备任务的分析结果，确定采用柔性自动化装备代替人工完成火箭贮箱喷涂成形与磨削作业，以及采用激光扫描仪进行贮箱外形结构精确建模的设计方案；然后根据加工对象——火箭贮箱的加工面尺寸、加工工艺以及技术指标，确定所需的柔性自动化装备和激光扫描仪，根据所确定的柔性自动化装备和激光扫描仪以及火箭贮箱结构，进行设备空间布局，整体结构布局如图4-15所示。
图4-15 贮箱绝热层喷涂及修形自动化装备系统图
火箭贮箱绝热层喷涂成形与磨削分别在两个密闭的单元内进行。其中，火箭贮箱的清洗和绝热层喷涂作业在整体密闭的清洗喷涂间内；聚氨酯泡沫外形磨削及修形作业在整体密闭的磨削修形间内。两单元相邻，采用转运车和轨道实现火箭贮箱在两个间内的转运。
操作人员在主控室内利用设备提供的远程控制软件进行设备的离线编程和系统控制，同时操作者通过贮箱加工间内安装多个摄像头以及主控室和加工间之间设置的大尺寸透明玻璃，可实时观察加工间内设备的运行情况。在主控室的楼下一层，作为设备配电室，设置安放设备的各种电气控制柜，主控室通过远程网络协议实现对设备的控制。
根据火箭贮箱喷涂磨削工艺，开发两类柔性自动化装置进行火箭贮箱的绝热层喷涂磨削作业，其中清洗喷涂间柔性自动化装置四台，分别用于火箭贮箱的表面清洗、刮胶、聚氨酯泡沫喷涂以及聚脲的喷涂。磨削修形间三台柔性自动化装置分别用于火箭贮箱两侧筒底段和直筒段的磨削修形。
2）贮箱安装旋转驱动机构设计
根据所确定的柔性喷涂磨削装备和激光扫描仪与火箭贮箱间的位置结构形式，进行贮箱支撑驱动机构、柔性喷涂磨削装备安装移动支撑机构的机构方案设计，如图4-16所示。其中贮箱支撑机构采用滚动对心设计，确保各撑点受力均匀及回转阻力小；驱动装置采用防爆交流伺服电机带动高精度齿轮-齿条传动，设计双齿轮消隙结构保证贮箱回转精度，在回转支撑上设计调平机构平衡回转时贮箱的重力。根据激光扫描仪对贮箱形状进行扫描的结果，计算贮箱轴线的位置，通过调整支撑的高度调节装置，确保贮箱轴线水平；通过对各支撑的受力检测值进行精调，从而保证各支撑受力均衡，优化回转动力学性能。
图4-16 贮箱支撑回转装置设计方案
3）柔性装备控制系统
根据技术要求确定设备的控制系统设计方案，拟采用三级分布式控制结构。柔性自动化装置本体及执行机构采用防爆设计，放置于专用喷涂间中，配备寻零、力保护、视频监控等功能，确保设备及产品安全；设备控制柜置于喷涂间外，将关键电气元件、主控计算机、状态监测控制元件等与现场工作环境相隔离，以满足防爆要求；设备的操作人员在主控室，利用所设计的人机交互控制软件操作、实时监控现场作业情况。通过友好的人机接口，操作人员可方便快捷地对控制系统发出作动或禁止指令，并通过参数监测和视频反馈调整当前作业情况，控制结构及交互方式如图4-17所示。
图4-17 控制结构及交互方式
在整体设计的基础上，需要对柔性自动化喷涂系统的运动轨迹进行规划、跟踪控制，以及碰撞检测。
4）大尺寸非精确贮箱测量系统
针对贮箱产品外形的复杂性及喷涂聚氨酯后发泡的不确定性问题，兼顾效率与精度，采用整体固定扫描结合局部手持扫描的方式进行非精确工件的三维扫描：先对待加工件进行合理分区，然后采用大尺度扫描仪从各分区扫描静止贮箱的全形图像，并利用设定的靶点进行数据匹配；再采用手持或机械手安装的扫描仪进行细节部位的精确扫描，二者所得数据进行融合并无缝集成，完成工件的精确三维重构。
面向火箭低温贮箱这样的大尺度工件进行外形尺寸的精确获取，其总体尺寸在10～20 m左右，采用普通坐标式激光扫描难以布局扫描器件，采用手持式激光扫描又费时费力，且难以拼接扫描数据，采用全站式扫描仪又会造成方位遮挡，因此必须采用面向大尺度非精确外形工件的全站扫描与局部扫描相融合的扫描方式，兼顾大尺度工件扫描的效率与局部细节的精确性。
首先，采用大尺度全站扫描快速获取火箭贮箱的全局尺寸及规则形面特征，通过市场调研，确定选用市场上具有一流技术和最佳性价比的中长距离（130 m与330 m）激光扫描仪。该扫描仪的扫描记录速度可达到976000个测量点/s，因此可以对其扫描环境生成精准的3D图像。通过扫描仪的3D应用中心的相关应用程序，可对此图像进行分析并导入各种应用软件中，迅速建立工厂设施、管道系统和过程装置的室内三维数据文档。
然后，针对局部复杂结构或被遮挡的细节，利用扫描仪进行手持或机械手自动补扫描。该扫描仪具有顶尖的高精度品质，扫描范围可达8 m3，无需人工靶标，操作灵活，能快速可靠地以三维方式记录贮箱细节结构并创建高精度的点云。利用细节结构点云提取细节部位特征，与全站扫描中典型特征匹配，生成精确的融合点云数据。
采用在柔性自动化装备上安装的扫描仪进行遮挡部位、高位形要求部位的精确扫描，二者所得数据通过无缝拼接技术获得构件的全尺寸精确外形数据，以用于后续的规划与控制。
在根据三维扫描获得的点云数据进行大尺度复杂工件的三维重构过程中，首先，利用大尺度全站扫描数据进行特征的建模，对点云数据进行拼接、预处理、表面建模及特征处理。在多角度扫描得到的海量图像信息中，利用共同重叠区域设计特定的配准算法，求出各深度图像间的相对关系，把它们变换到统一的坐标系下，去除冗余信息。然后采用基于相似面的表面重建点云理论，对数据进行分层和排序、顶点提取、绘制单位立方体和三角锥、面相似度计算和可视化实现，生成完整的无缝的物体表面描述。通过分析算法的时间空间复杂度，既满足大尺度大量数据处理的效率，又要兼顾局部细节的精确性，并充分完善采样稳定性和误差处理机制，以提供符合贮箱的三维实际状况的全面3D信息。
扫描仪自带的软件系统具备自动化无标靶扫描配准机制，能自动识别边缘、拐角点，对平面进行快速检测，实现无靶扫描后的精确处理，可以为项目减少5%～7%的开发成本、2%的返工以及10%的工期，结合多年积累的重构及修补技术，实现产品多次转动过程中的多组数据配准及重构，可以获得工件精确的三维CAD数据，实现现场工件精确位形数据的获取，实现三维重构。利用此数据可进行工件及装备空间多自由度的联动规划，并使得复杂空间加工变为可能。
5）面向贮箱绝热层柔性自动化工具
针对火箭贮箱大尺度、多种类加工作业，开发多种柔性自动化装置专用末端执行器及末端执行器的快换接头，并研究针对不同作业任务的作业策略。
（1）喷涂清洗及快换设计。
针对火箭贮箱加工中的清洗、喷底胶、喷隔热层、修形、喷防腐层、喷面漆任务，研制回转型清洁擦布、多种类喷枪及多尺寸磨削头等3类共7种作业工具。其中喷枪的选用，需要根据喷涂材料的黏度特性设计不同的供料装置，并考虑喷枪及管路的清洁、系统防爆等一系列问题。针对聚氨酯发泡材料修磨工艺要求，结合车间生产效率要求，设计几种不同规格的切削磨削工具，如盘式钢丝回转磨削工具、笔式回转磨削工具等，需要结合切削量、切削速度的要求，进行效率质量综合最优化选用。
（2）清洗工具系统设计。
清洗工具完成对贮箱表面的清洗，清洗过程中须对贮箱表面施加一定的压力，且要求溶剂的定时输送。为满足上述要求，设计的清洗工具原理图如图4-18所示。
图4-18 清洗工具示意图
清洗装置主要由三部分组成：清洗剂箱、动力抽吸清洗剂以及清洗工作头。其中，清洗剂箱有抽液口和放液开关，进行清洗工作前，通过抽液口将清洗剂注入清洗剂箱中，在工作结束后，打开放液开关将多余的清洗剂放出回收。动力抽吸清洗剂部分主要利用泵将清洗剂由清洗剂箱抽到清洗工具用以浸湿纱布。清洗工具部分由法兰盘连接在机械手末端，该工具由卷筒式抹布、压力传感器、避障传感器和法兰盘组成。
开始工作前，先从抽液口将清洗剂注入清洗剂箱中。然后，将卷筒式抹布插入工具的主动卷筒和从动卷筒中。开始工作后，通过动力抽吸清洗剂到从动卷筒中，将抹布浸湿。机械手动作将抹布压紧于筒壁上，开始清洗工作。清洗一定时间后，需要更换抹布时，主动卷筒转动将脏污抹布卷起，从动卷筒则将干净抹布放出，从而实现快速更换抹布。直至卷筒上的所有干净抹布用完，再更换一卷新的抹布。另外，在清洗过程中，通过避障传感器让清洗工具避开支撑及法兰等突出位置，清洗过程如图4-19所示。
图4-19 清洗过程示意图
（3）喷涂聚脲工具系统设计。
因为聚脲与聚氨酯泡沫塑料均为双组分，所以喷涂的动作过程、喷涂原理相同。喷聚脲的工作头、喷涂工艺流程、喷涂动作过程、喷枪等详见喷涂聚氨酯泡沫工具系统设计方案。因组分成分不一样，故喷机不相同，聚脲喷涂系统选用固瑞克H-XP3喷机。双组份系统辅助泵送系统选用美国固瑞克提料泵T1、T2，搅拌器选用TWISTORK螺旋搅拌器。
（4）工具快速更换装置。
此外，还需要根据工艺顺序，对多种末端执行器进行合理分类，使各种工具高效集成到快换头，实现不同工序中工具的快速切换。柔性自动化装置工具快换装置可使单个柔性自动化装置能够在制造和装备过程中交换使用不同的末端执行器以增加柔性。
可选用ATI工业自动化公司的柔性自动化装置工具快速更换装置，它具备自动更换末端执行器或其他外围工具的能力。系列快换装置的设计保证在满载荷情况下能够可靠工作上百万次的循环的同时保证极高的重复定位精度。
6）贮箱喷涂材料厚度测量系统
（1）胶厚度测量。
低温胶喷涂及刮涂完成后需要及时对厚度进行测量，如果厚度不达到要求，方便及时处理。由于胶具有一定黏度，同时要求及时测量，故选择非接触的电容式传感器测量涂胶及喷胶的厚度。变极距型电容式传感器的原理图如图4-20所示。
图4-20 变极距型电容传感器原理图
喷涂及刮涂末端执行器均安装有电容传感器，当需要测量厚度时，只需要控制将柔性自动化装置末端停止在固定位置，贮箱旋转，即可测出一个轴向位置的整周厚度，柔性自动化装置在轴向进行移动时，可测出贮箱表面的厚度情况。
（2）聚氨酯泡沫厚度测量。
测量厚度的检测方案有电涡流传感器测量、激光传感器测量、激光与电涡流传感器综合测量等多种方法。激光单色性好，亮度高、方向性强和抗干扰能力强的优点，能高速自动测量板材、薄材和带材等材料的厚度，适用于对各种非透明板材厚度进行在线、实时、非接触的高精度测量，目前产品测量精度可达到0.1 μm级。电涡流传感器检测的主要特点是频率响应速度快，测量的精度高，不受油液污染的影响，受外界磁场干扰小等。涡流检测对导电材料的表面或近表面检测有良好的灵敏度，适用于管道内外壁、内孔表面的测量，不需要耦合剂。
图4-21 低温贮箱绝热层厚度检测原理
电涡流传感测量值为测量点与金属表面之间的距离（测量值包括覆盖绝缘层聚氨酯泡沫的厚度）；激光位移传感器测量值为测量点与聚氨酯泡沫表面之间的距离，检测原理如图4-21所示。采用电涡流传感器、激光位移传感器共同完成聚氨酯泡沫厚度检测，充分发挥了电涡流传感器与激光位移传感器的优势。
（3）聚脲厚度测量。
在该方案中，由于聚脲层设计厚度不超过0.5 mm，所以采用共振法进行测量。常用的无损检测方法有库仑-电荷法、磁性测厚法、涡流测厚法、超声波测厚法和放射测厚法等。超声波是一种机械纵波，是由于机械振动在弹性介质中产生的波动。超声波在同一均匀介质中传播时，其波速为一常数。超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上会产生反射。所以超声波脉冲自被测材料表面发出到接收底面反射脉冲的间隔时间与材料厚度成正比，将这个时间转化为厚度值表示，即被测材料厚度。这就是超声波测厚的基本原理。超声测厚其原理有共振法、干涉法、脉冲反射法三种。共振法、干涉法，可测厚度为0.1 mm以上的材料，精度很高，但对工件表面光洁度要求较高，且装置复杂，使用局限性大，难于自动检测、自动控制。脉冲反射法一般只能测量厚度为1 mm以上的材料，精度较差，但对工件表面光洁度要求不高，可测略粗糙的材料。如果采用一些精度处理，会非常适用工业生产使用。
在用频率在一定范围内连续变化的正弦波电信号激励压电晶片时，晶片向试件内所发射的声波其频率也是连续变化的。如试件厚度为声波半波长的整数倍时，在试件内会形成驻波，试件产生共振。共振法测厚原理如图4-22所示。
图4-22 共振法测厚原理图
根据测量要求，选用超声波测厚仪，有普通模式与精密模式可供选择，精密模式下测量范围为0.3～10 mm，分辨率为0.001 mm，示值误差为±0.005 mm。
7）柔性自动化装置末端执行器系统
为了实现运载火箭低温贮箱筒段和端面绝热层的修形加工，需设计专用的绝热层材料修形加工末端执行器。针对运载火箭低温贮箱结构特点，采用多传感器融合测量技术实现绝热层厚度在线监测和自适应修形加工。末端执行器设计示意图如图4-23所示。末端执行器装置主要由动力主轴系统、壁厚实时测量系统、加工余量控制系统、高效切削工具系统以及专用控制软件等组成。
图4-23 末端执行器示意图
末端执行器动力主轴系统采用气动主轴。壁厚实时测量系统采用电涡流传感器和激光测距传感器组合测量的方式实现。其中，电涡流传感器可以实现筒段外圆柱金属面位置的实现监测，而激光测距传感器可以实现绝热层上表面位置的实时监测，二者距离之差为绝热层材料的厚度。绝热层材料的厚度可以实时反馈给专用控制系统，通过直线运动平台对动力单元沿轴向实时位置调整，就可以实时控制切削加工余量，从而精准控制筒段绝热层壁厚。该装置能够满足大进给粗加工和精加工刀具的把持，并通过标准刀柄结构方便刀具的更换。另外，末端执行器还具有随动吸尘的功能。
8）设备安全性、可靠性设计
针对贮箱在绝热层喷涂磨削加工的过程中，易对操作人员职业健康构成威胁的特点，依据相关的安全性设计准则和要求，采取以下措施保障人员和设备的安全：
（1）设备采用远程操作的控制模式，操作者在远程利用控制软件实现对设备控制。
（2）喷涂磨削环境内的所有电气元件均采用防爆设计，相应的机械本体机构设计防尘机构。
（3）运动控制系统采用多种安全保护措施保护设备的安全。
（4）检测测量系统采用多种测量装置实时检测作业过程中的安全信息。
（5）采取“吸尘+集尘”二级除尘设计方案，即在柔性自动化装置末端执行器磨削口设计安置一个随动吸尘装置，如图4-24所示，并配备一个进口的强力吸尘器，以实现85%以上磨削粉尘的清除。
图4-24 随动吸尘装置示意图
在此基础上，对整个柔性自动化装置磨削发射箱和贮箱系统进行整体防护，设计防护间采用集尘系统使防护间形成负压，及时将游离防护间空中的粉尘及时排出至设备外部的集尘器中，以期有效减少粉尘扩散、避免污染环境、对操作者造成危害。
9）机器人自动打磨工艺研究
图4-25 机器人自动化打磨工艺总体方案
打磨机器人打磨工艺方案见图4-25，首先通过点云数据与自由曲面重构技术获取装配后的贮箱箱底几何模型尺寸；在此基础上，以原尺寸为基准面通过CAD/CAM软件建立目标加工面（设定加工面与原尺寸距离为隔热层的设计厚度d），在目标加工面上通过设定打磨工艺轨迹加工方案实现NC加工代码生成后置处理；接着在NC代码后置处理完成后，生6成打磨机器人加工NC代码，并进行仿真加工，以验证打磨效果，同时通过仿真检测在离线状态下打磨机器人的避障处理效果；然后，通过加载有主动柔顺装置的打磨机器人对机器人进行初始位置标定处理，在标定完成时以当前机器人位姿为当前加工参考坐标，而后进行NC打磨加工；在打磨加工过程中，利用电涡流技术对加工面进行厚度检测与规划轨迹的校正，此外通过在线打磨机器人实时仿真运动进行避障检测，从而完成打磨加工。
图4-26 不同形状的打磨工具
打磨刀具的材质和形状对打磨质量和效率影响很大，打磨刀具按材质主要分为合金钢类、陶瓷类和聚合物类等刀具；而按形状主要分为圆柱形、锥形、球形灯刀具，如图4-26所示。通过技术交流调研，咨询相关打磨工具厂家，其中包括霍夫曼、东哈机电等公司，结合前期的工艺研究基础，选用合金钢和陶瓷材质、圆柱形和球形打磨刀具进行工艺试验，分析材质和形状对打磨加工质量和效率的影响，最终确定最合适的材质与形状的刀具。
10）打磨工艺参数研究
打磨的过程相当于磨削头上磨削刃对待加工聚氨酯泡沫塑料表面的切削作用，Preston模型是最著名的一个研磨材料去除模型，通过对加工过程中的曲面曲率进行控制，可以实现对材料去除率的预测，从而提高工件被研磨表面的粗糙度。
式中
——材料的去除率；
KP—Preston系数；
p——打磨面上的压力（与进刀量成正比）；
υ——磨削头与工件表面之间的相对线速度。
由于受到待加工表面的材料性能和特性限制，在实际的聚氨酯泡沫塑料的表面打磨中，p和υ将在合适的参数值范围内满足式（4-1）；p与打磨时的进刀量成正比，υ与打磨刀具与工件的轨迹路径有关，可以通过调节打磨刀具的横向进给速度设定。确定合适的进给速度、进刀量、刀具旋转速度、打磨法向力可以提高打磨效率和隔热层的质量，如图4-27所示。
4.2.2.3 贮箱自动化喷涂与磨削装备验证
依据项目的总体系统设计方案，研制运载火箭绝热层喷涂磨削自动化加工制备与修形装备，结合已有的火箭贮箱喷涂磨削工艺、设备和场地条件，进行科学的场地布局、加工流程优化设计，建立功能完备的火箭贮箱绝热层喷涂磨削自动化制造单元。
图4-27 打磨工艺参数研究
火箭贮箱在加工间外部安装在安装平台上，由地面轨道进入加工间并固定位置，贮箱安装平台两侧安装移动导轨，便于柔性喷涂与磨削装备和测量平台在贮箱安装平台两侧移动，以完成测量和加工作业。在加工间的四周设置四个设备储藏间，用于存放柔性喷涂与磨削装备和测量平台，通过合理布置柔性喷涂与磨削装备位置，在进行相应的贮箱作业时，不用的柔性喷涂与磨削装备可移动至储藏间内进行存储，同时在储藏间上设置自动卷帘门，进行储藏间和加工间的空间隔离。选择合适的吸尘净化设备，进行合理的除尘管路布置，最大限度地排除贮箱加工过程中产生的灰尘和有害气体。
在运载火箭低温贮箱绝热层柔性自动化喷涂成形与磨削装备研制、喷涂磨削工艺基础性研究、典型工艺研究完成的基础上，在设备试运行状态满足设计状态的情况下，采用运载火箭低温贮箱实物零件CZ-5助推模块（φ3350 mm× 10614 mm）、 CZ-6一级液氧贮箱（φ3350 mm×5386 mm）、CZ-6二级贮箱液氧段（φ2250 mm× 5517 mm）三种产品进行全工艺流程的试制，试制结果与运载火箭低温贮箱绝热层图纸中的技术要求以及课题技术指标进行对比，按照对比结果对每个单点技术和系统集成技术进行验证、优化，最终实现制造的运载火箭低温贮箱产品满足设计图纸技术要求和课题的技术要求。
（1）火箭贮箱自动化喷涂成形与磨削方法与工艺验证。在项目的研制过程中，针对方案所提出的各种加工工艺和柔性装备喷涂、磨削等专用工具设计方案，均研制小型的清洗、喷涂和磨削实验平台，进行基本的工艺实验研究，验证方案所提出的工艺可行性和可靠性，依据实验结果不断提高工艺的可行性和可靠性。
（2）火箭贮箱外形扫描重构与喷涂磨削运动轨迹规划验证。火箭贮箱的外形精确扫描重构是实现火箭绝热层制备的关键，也是进行柔性装备末端运动轨迹规划的基础。采用激光扫描设备对火箭贮箱进行局部扫描和整体扫描相结合的方法，同时采用局部几何特征匹配的方法减少火箭贮箱的外形扫描次数，并保证火箭贮箱的外形建模精度，可以提高生产效率。
（3）火箭贮箱自动化喷涂成形与磨削设备可靠性验证。在火箭贮箱自动化喷涂成形与磨削设备研制完成后，根据设备在实际使用过程中出现的问题不断进行改进，逐步降低故障率，提高了设备生产的可靠性和安全性，保证了火箭贮箱绝热层加工的柔性、自动、高效和高质量生产。
该设备已应用于新一代运载火箭贮箱，如图4-28所示，打磨实现了隔热层高质量打磨，加工出的箱底隔热层产品达到设计指标，保证了液氧推进剂温度维持在正常范围，从而提高了液氧贮存和发射过程中的安全性和可靠性。随着高密发射的到来，绝热层的生产任务激增，机器人打磨高效率可以满足高密发射的需求，为国家航天发展战略的实施提供保障。另外机器人打磨可以进行远程控制，从而降低工人的劳动强度，改善工人的操作环境，符合社会对环保的要求，有利于职业健康。
图4-28 运载火箭贮箱人工打磨与自动化磨削加工