大尺寸測量設備高空精測平臺的研制

孫安斌，高廷，喬磊，馬驪群，王繼虎，甘曉川，曹鐵澤

(航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京 100095)

0 引言

激光跟蹤儀、激光雷達、經緯儀、攝影測量系統等大尺寸測量設備廣泛應用于飛機、空間站、火箭、緊縮場等大型系統部裝及總裝過程中的精密測量[1-4]。由于大尺寸精測設備原理及測量范圍不同，需要將其放置在空間中的不同位置實現站位優化，以實現高精度測量并滿足可視化要求。例如：為滿足某大型緊縮場測量裝配需求，需要將兩臺激光跟蹤儀組網布局。經分析優化，兩臺激光跟蹤儀安裝在距離緊縮場12 m、間距6 m、高度8.5 m的位置組網測量才能滿足需求精度[5]。為實現精確測量還需要測量設備到達測量位置后,在測量時間內保持其支撐位置的穩定。近年來，隨著大型精密系統應用的增多，對測量的準確性及效率提出了更高的要求。因此，迫切需要一種可靠性好、熱漲系數低、無需拆卸、方便運輸、具有多種大尺寸測量設備承載能力且接口通用性好的精測平臺，克服已有支撐裝置無法同時滿足自動行走自動升降并兼顧穩定性的難題。

1 系統設計

大尺寸測量設備高空精測平臺首先需具有良好的載重能力。本文研制的精測平臺以能夠承載目前最重的大尺寸測量設備——激光雷達為設計目標，確定載荷為60 kg；此外，精測平臺的支撐高度需能夠滿足絕大多數大型裝備的檢測要求，根據某大型空間探測器星敏傳感器、IMU傳感器等實際檢測需求，設計平臺最大支撐高度為8.5 m；根據集裝箱運輸需求，設計平臺收縮后高度為2.4 m；根據跟蹤儀及經緯儀等大尺寸測量中的準確性需求，設計平臺工作高度范圍內的穩定性指標為：沉降率不大于0.02 mm/h，經緯儀水平變化不大于5″/h；同時，考慮到設備支撐的安全性需求，要求平臺升降到指定高度后能夠進行安全自鎖。

根據以上要求，設計了如圖1所示的大尺寸測量設備高空精測平臺。此平臺由自動全向移動的底座、自動穩定升降支撐的主體五級伸縮碳纖維筒部件、增加穩定性的斜支撐固定桿及隨動桿、包絡多種測量設備安裝的設備轉接盤、滿足經緯儀精測需求的連續升降臺及控制系統等部件組成。

圖1 大尺寸測量設備高空精測平臺結構組成圖

1.1 全向移動底座

全向移動底座是整個精測平臺的基礎，其主體結構采用材質為Q235A的熱軋槽鋼與鋼板焊接而成，采用縱橫交錯的立筋焊接，具有較高的強度和穩定性，焊接后采用退火工藝消除內應力，以滿足使用時的穩定性需要。底座主體結構中間采用凹陷設計，以降低升降筒收縮后的高度；并利用四角空間安裝螺旋升降調整裝置以固定支撐底座，保持設備精測時的穩定；4個自動全向輪安裝在螺旋升降調整裝置內側，實現全向移動。底座主體結構頂面安裝有主體伸縮碳纖維部件、斜支撐桿等，實現測量設備的自動穩定升降。整體結構如圖2所示，其內部集成有充供電系統、蓄電池系統、控制系統，用于整體設備的供電和控制；整個驅動輪、升降機構安裝在其內部，保證結構的緊湊美觀；前后及側面安裝有避障傳感器用于避開障礙物及障礙物預警。

圖2 全向移動底座內部結構圖

1.2 主體伸縮碳纖維部件

主體伸縮碳纖維部件作為精測平臺的主升降部件，須同時解決自動升降與穩定支撐兩個難題以滿足精測需要。若采用鋼質材料，按照線性膨脹系數為1.2×10-5計算，1℃的溫度變化引起8 m支撐高度的熱漲為0.1 mm，考慮到實際測量環境的不穩定性，此變化量不能滿足精測需求。因此采用熱漲系數為1.6×10-6的碳纖維作為主體伸縮部件材料。采用碳纖維材料帶來兩個難題：一是導向不能采用金屬配合實現，因此采用與碳纖維摩擦系數小的聚四氟乙烯材料制造導向環，每節碳纖維筒設計雙導向環保證導向穩定；二是采用套筒驅動時同步絲杠須克服轉向力矩，故在碳纖維內部嵌裝導軌。由于碳纖維熱漲系數與普通鋼熱漲系數相差較大，為防止內嵌導軌與碳纖維產生應力發生變形，影響測量準確性，內嵌導軌采用殷鋼材料制造。

為實現大尺寸測量設備的穩定支撐及驅動，研制的主體伸縮碳纖維部件結構由五級伸縮筒、頂層支撐筒、筒間鎖緊機構、筒內導向單元、多級套筒驅動絲杠等部件組成。主體伸縮碳纖維部件的一級升降筒固定，三到四級伸縮筒能夠同步伸縮，中心采用四級套筒絲杠支撐驅動，傳動原理如圖3所示。抬升時，底部一級絲杠旋轉帶動絲杠螺母向上運動，碳纖維筒在殷鋼導軌的限制下不能旋轉，從而推動二級伸縮筒伸出；一級推桿上部設計的外花鍵同時將力矩傳遞到二級推桿內部的內花鍵上，帶動二級推桿繞與一級導向環連接的軸承旋轉，從而帶動二級導向環上安裝的絲杠螺母上升，推動三級升降筒的上升，依次類推，實現整個伸縮結構的抬升。反之縮回過程同理，實現支撐筒的同步伸縮。

圖3 伸縮結構示意圖

為使碳纖維筒升降后具有支撐作用，在筒間上部導向環處設計有筒間鎖緊機構，如圖4所示，筒間鎖緊機構采用抱緊環內嵌高摩擦性材料的設計方式，實現抱緊環與碳纖維筒之間力的傳遞。抱緊環采用電機驅動渦輪蝸桿、減速機帶動梯形絲杠收縮的方式實現鎖緊，并通過力傳感器作為鎖緊反饋。

圖4 筒間鎖緊機構

1.3 斜支撐桿

主體伸縮碳纖維部件提升后為懸臂結構，受擾動后難以穩定，本文設計了外層斜支撐桿用于提高主體伸縮碳纖維部件提升后的穩定性，其由底部固定支撐桿和外部隨動斜支撐桿構成，固定支撐桿用于增加主體支撐筒底部固定安裝的剛度；外部隨動斜支撐桿由具有導向的三個套筒式碳纖維桿組合而成，頂部碳纖維桿與四級碳纖維筒頂部的鎖緊連接件相連，底部碳纖維桿與安裝在全向移動底座上的隨動伸縮碳纖維桿連接，主支撐筒升降時，隨動碳纖維桿只能隨動進行伸縮及俯仰運動，主體伸縮碳纖維部件受到擾動后，外部隨動斜支撐桿產生推拉反作用力的約束，從而提高主支撐筒升高后的穩定性。

2 性能測試

2.1 沉降率試驗

為驗證系統的穩定性，利用跟蹤儀進行沉降率試驗。將重60 kg的鋼板安置在高空精測平臺上，并在高空精測平臺的頂端安裝跟蹤儀靶座，上面安放1.5英寸的靶球。將高空精測平臺調到8 m高度，并將跟蹤儀安置在地面穩定位置上，設定采樣間隔時間為1 min，連續測量1 h，記錄跟蹤儀目標點沿高低方向的坐標值，計算出1 h內目標點坐標的標準偏差為0.01 mm。用2倍的標準偏差反應1 h內高空精測平臺在高空作業最高點(8 m)的穩定性為0.02 mm。高空精測平臺在8 m處的穩定性測量結果如圖5所示。

圖5 高空精測平臺在8 m處的穩定性測量結果

2.2 加載經緯儀穩定性試驗

為驗證系統的調平穩定性，采用經緯儀進行試驗。將經緯儀安置在高空精測平臺上，升降平臺的高度調至8 m位置，調整經緯儀水平至1″以內，保持照準部不動，每隔1 h記錄經緯儀水平角和垂直角的讀數，連續測量5 h，分別求出1 h前后所測兩次的水平方向和垂直方向的角度差，測量結果如表1所示。經緯儀本體與升降臺的環境保持一致，經緯儀的漂移忽略不計，則儀器與升降臺之間的相對變化量小于0.6″，即高空精測平臺加載經緯儀穩定性為0.6″。

表1 加載經緯儀穩定性試驗測量結果

3 結論

本文論述了一套大尺寸測量設備高空精測平臺的完整結構方案，采用全向移動底座作為載運平臺，通過基于碳纖維筒的多級同步升降裝置實現支撐結構的同步伸縮及自動鎖緊；主體支撐筒通過外層固定及隨動斜支撐增加支撐穩定性，達到了自動行走、自動升降、熱漲系數小、收縮后尺寸緊湊運輸方便的設計目標。經實驗證明，該平臺高空作業時沉降率不大于0.02 mm/h，經緯儀加載穩定性達到0.6″/h，可靠性好，穩定度高，為大尺寸測量設備的高空精測提供了有力保障，并為未來大尺寸測量領域相關設備的設計研制提供了參考。