複合材料具有比強度、比模量高、材料性能可設計等一系列優點，在航天結構中越來越多的部段採用了複合材料結構。但由於航天系統中的複合材料部段結構多為直徑小於 Φ3．5 m 迴轉體結構，受開敞性限制，現有的很多數位化設備無法用於複合材料部段生產，目前複合材料部段大多採用手工裝配方式，安裝零件時將周向定位角度換算成弧長進行手工劃線定位，然後根據劃線情況進行艙段件的鑽孔、開窗口操作。採用此種人工作業方式效率低，且手工劃線精度難以保證、重複性差，存在工藝不穩定性。而且為降低劃線寬度，裝配時大多採用金屬劃針進行劃線定位，對複合材料表面會造成一定的損傷，隨著數位化製造技術的廣泛應用以及數控設備的大量普及，利用數位化裝配手段代替手工操作完成產品的加工和裝配是目前的發展趨勢。
本文開展複合材料艙段零件數控定位技術研究，提出以數控設備結合噴墨設備完成複合材料迴轉體殼體安裝零件定位工作，根據零件安裝位置確定數控定位程序，為避免零件安裝位置錯誤，開展噴塗虛擬仿真研究，虛擬仿真後通過噴墨機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。
一、數控定位軌跡優化方法
複合材料結構多為迴轉體，根據噴墨機的工作特點可知，噴塗墨線的粗細會隨著墨液出射口到被噴塗表面的距離而發生變化。並且，當噴槍水平或傾斜噴射時，由於墨液自重的影響，噴射會導致噴塗點下沉於目標點。若採用非等距噴塗，則必須量化墨液噴射軌跡下沉對精度影響的定量關係。此過程較為複雜，不適宜實際應用。而解決這一問題的最簡單辦法，則
是使噴塗出射點與噴射目標點的空間距離保持不變。因此提出針對此類迴轉類結構內廓工件進行等距離噴塗，以圓錐體為例對等距噴塗的理論及方法進行研究，以此來保證墨線的寬度和定位的精度，如圖所示。
圖中實線所表示的圓錐面為實際待噴塗表面，虛線所表示的圓錐面為實線圓錐面的等距面，即噴槍出射口所形成的等距噴塗面。
以噴塗 yz 面內正方形輪廓線為例，在理論噴塗圓錐面與等距圓錐面上分別形成 abcd、a' b' c' d'兩個空間封閉曲線。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。雖然通過理論計算可求得這些點的空間坐標，但若想在圓錐表面噴塗yz 面內的正方形輪廓線，不可以用簡單的四個控制點進行直線進給噴塗，例如 G01 指令。對於 ab、cd 段輪廓線，可通過圓弧插補來完成。但對於 ad、bc 段二次曲線，則只能通過密化採樣點的辦法，通過增加型值點來控制等距噴塗的程度。型值點選取的疏密程度，取決於對噴塗距離誤差的寬容度，可通過弦高差方法評定。
圖中點 P1為初始控制點，可等同於點a。點 Pi為當前計算點的坐標，Pc為P1與Pi的中間點。Pc到直線 P1Pi的距離即弦高差為 h。令ε為設定的逼近精度，若 h＜ε，則 i+1→i，按下一採樣點計算h 值，直到 h≥ε 時，將 Pi－1點坐標列入記錄，進而獲得數據點集［P］。從而可根據數據點集進行微小直線段運動噴塗，或者進行空間樣條插補方式進行噴塗軌跡運動，封閉曲線 abcd 與 a'b' c' d'並不等同，因此必須根據曲線 abcd 作為等距噴塗的基準，若選擇等距面上的封閉曲線 a'b'c'd'進行零件定位則會造成誤差。
二、迴轉體數控定位軌跡方程
對於圓錐類迴轉體表面等距噴塗的實現方式，可分為以下兩種形式: 墨液噴射方向垂直於圓錐軸線或墨液噴射方向垂直於噴射目標點所在圓錐母線。採用如上兩種噴塗方式，均可實現等距噴塗的效果。考慮到部分複合材料殼體內表面存在網格結構，為減小噴塗設備與殼體發生碰撞干涉問題，本文採用對墨液噴射方向垂直於圓錐母線的方式，如圖所示。
以採用墨液噴射方向垂直於圓錐母線的方式噴塗矩形為例。平行於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。
三、數控定位系統
若想實現數控定位功能，必須通過數控系統與噴墨機的聯動控制，才能實現定位過程快速高精度運行。即可通過數控加工代碼，控制運行軌跡，同時控制噴墨機是否噴塗，以及控制噴塗墨量的大小。因此，要求數控系統與噴墨機的信號連接至少具備一路開關量。若噴塗墨量大小可控，則還需要增加一路模擬量通訊接口。選擇西門子 PLC 作為數字控制系統與噴墨機連接的橋樑，如圖所示。
通過 NCU 模塊執行噴塗代碼，驅動伺服電機執行插補動作。與此同時，NCU 對 PLC 實時發送控制指令，包括噴塗使能信號與噴墨量大小。可編程邏輯控制單元 PLC 將指令發送給信號輸出模塊 SM322與SM332，分別進行單路數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誤，需要對處理後的數據進行虛擬仿真。為使系統準確直觀的模擬劃線軌跡環境，採用 Open GL 技術作為仿真系統的底層工具，模擬在殼體表面數控運行軌跡，仿真過程以動畫模擬具體繪製過程，首先在後台內存區繪製艙段裝配圖，其次將軌跡數據轉化為 Open GL 數據，並計算劃線過程動畫速度以及噴頭位置，最後將指定動畫軌跡繪入後台內存區，將後台內存圖像顯示在前台，重複上述步驟，完成動畫仿真過程。
系統硬體連接、PLC 及 HMI 操作界面程序規劃完成後，設備已經具備所需的零件安裝位置定位功能，此時需要對設備運行路徑進行規劃，編寫控制工具機運動以及 PLC 工作的 NC 宏程序，實現實時噴塗畫線功能。本文選用西門子高級編程中的同步動作指令，實現位置輪廓線噴塗功能。同步動作的執行以實時方式進行，西門子插補時間周期為 1 ～ 2 ms，此可完全滿足噴碼機與數控系統之間的實時調度與配合噴塗作業。以實例說明同步動作功能在噴塗系統中的實際使用方法: ID= 1 WHENEVER FA［X］= 0 DO OUTD［1］= 0ID= 1 表示第一段同步動作程序; FA［X］表示當前插補周期內，x 軸的速度為 0，只要當 x 軸停止動作，則停止噴墨。噴塗過程中，軸的移動速度與噴墨量成正比，這樣即可保證噴塗墨線的粗細均勻，不會因為插補程序的加減速控制帶來的速度變化，造成減速區域形成墨滴。
四、驗證仿真效果
為驗證數控定位效果，通過數控設備結合噴碼裝置構建數控定位系統，在實際操作過程中，先將複合材料艙體裝配零件位置信息轉換為 XML 數據，然後XML 數據通過數控定位系統嵌在西門子 Simumerik 840D 中的軟體部分，生成可用的 MPF 運行文件，直接控制噴碼裝置噴塗，實現複合材料殼體表面零件輪廓位置的噴塗標記，實際噴塗效果如圖 8 所示，經測量零件定位精度可以達到± 0．1 mm，滿足設計要求值，相對手動劃線精度行得到大幅提升。
五、總結
面向航天複合材料殼段裝配特點，提出結合數控設備及噴塗設備實現複合材料部段零件數控定位方案，達到了對複合材料殼體裝配零件進行準確定位的目標，提升了複合材料殼體裝配精度和一致性，為複合材料結構件實現數位化裝配奠定了基礎。