柔性對接技術在運載器裝配中的應用

劉東　李玉山　徐鶴洋　邊宏偉

【摘 要】本文根據柔性對接系統總體方案，依照運載器柔性對接需求，對運載器自動對接系統進行了設計，將系統劃分為不同功能模塊，在此基礎上，設計各個模塊，進而實現柔性對接功能。

【關鍵詞】柔性對接;總控系統;自動架車系統;測量系統

中圖分類號： V526 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）05-0057-002

0 引言

在運載器研制、試驗階段，為滿足運載器總裝、系統測試、環境試驗等試驗工作，需要開展多次艙段的對接與分離操作。目前，我國運載器大型部段對接與分離采用垂直狀態吊裝方式，該操作的安全與質量主要依靠工藝人員的工程經驗與操作人員的個體技能水平，無法得到穩定保證。當前，運載器部段體積不斷增大，對接操作難度逐步加大，舊有的吊裝方法越來越難以滿足艙段安全可靠對接的需求。結合運載器部段對接裝配的具體需求，提出了基于并聯調姿平臺的運載器大型部段柔性對接技術。

1 柔性對接系統總體方案

部段自動對接系統實時檢測部件對接過程中各定位點的位置數據，并自動調整各部件在空間中的位置與方向，實現部件之間的對接。激光跟蹤定位系統測量裝配后的部件的一些基準點，獲得的測量數據經過處理單元處理后，直接反饋到系統計算機，工控機將實際裝配位置和精確數學模型的位置展開比對，進而獲取部件裝配位置的修正值。部段自動對接系統見圖1。

根據運載器柔性對接需求，對運載火箭自動對接系統進行設計，系統主要包括結構為：總控系統、自動架車系統、測量系統三部分，系統組成圖如圖2所示。

2 柔性對接系統功能實現

按照自動柔性對接系統結構，對各個系統的功能進行了劃分，各系統的功能主要為：

（1）總控系統

總控系統是整個自動柔性對接系統的主控制系統，主要實現功能有：向用戶提供友好的人機交互接口;接收測量系統的測量數據并處理，向各自動架車系統發出控制指令;提供情景展示系統實時情景顯示、后期系統擴展的物理接口。

（2）自動架車系統

自動架車系統是自動柔性對接系統的執行機構，包括的結構有架車平臺、手持控制器和架車控制系統，能夠實現的主要功能有：帶動部段實現X（前后）、Y（左右）、Z（上下）、α（滾轉）、β（俯仰）、γ（方位）等六個自由度的運動;提供手持操作器，實現自動架車的半自動步進控制。

（3）測量系統

測量系統主要由激光跟蹤儀和自動化測量系統，能夠實現的主要功能有：測量部段的實時姿態變化，并輸出X（前后）、Y（左右）、Z（上下）、α（滾轉）、β（俯仰）、γ（方位）等六個自由度的姿態數據;測量數據反饋到總控系統中，總控系統根據測量數據控制架車。

各系統的功能框圖見圖3。

2.1 總控系統

部段自動對接系統包含了多套系統單機，因此其控制系統結構復雜，考慮到單機系統數量發生變化時，整個系統應具有很好的適應性與可擴展性。綜合上述因素，部段自動對接系統采用基于客戶端/服務器（C/S）模型的控制體系，整個系統包括服務器層與客戶端層兩個層次，其中總控系統作為整個系統的服務器，通過通信鏈路對客戶端層的所有外設進行控制及數據采集，并提供良好的人機交互界面;客戶端層包括運動執行機構（即對接架車）、測量反饋（測量系統）等，且可根據需要對客戶端層的配置進行修改，整個系統具有良好的開放性。

總控系統基于Windows + RTX的軟件平臺進行研發，其中，Windows系統主要用于人機交互功能，該系統能夠提供最為友好、豐富的軟件界面資源; RTX是在Windows系統上擴展出的實時控制核心，主要用于實時采集測量系統的數據，算法控制以及向自動架車系統發出控制量。總體控制系統框架如圖4所示。

總控系統采用Windows+RTX的軟件平臺可以共享一個硬件平臺，兩者之間通過共享內存進行數據交互。

2.2 自動架車系統

自動對接架車的本體主要功能是實現架車各個自由度的電動和手動模式運動。手持操作器實現架車的半自動對接的操作，報警指示燈主要實時監控架車的安全狀態，保護罩主要實現架車主要元器件的安全、防塵保護，并達到一定的美觀效果。在保護罩上的相關位置設計了可伸縮的波紋罩，主要分布在架車的頂面以及前后兩面，便于后期的檢測維修。

架車由機械結構框架、傳動系統、動力系統組成，機械結構框架用于承載及保證負載在運動及對接過程中整體的剛性，傳動系統通過蝸輪蝸桿、行星齒輪減速器及齒輪傳動的方式實現力矩的傳遞及減速增力的效果，動力系統主要采用伺服電機提供整個系統的動力。

2.3 測量系統

為滿足運載器總裝對接測量實際需求，實現裝配過程實時數據測量，為裝配操作提供可靠的數據支持。自動對接系統的測量精度要求為≤200μm，控制運動軌跡精度≤250μm。根據調研，激光跟蹤儀的測量精度可以到達100μm以內，而軌跡控制精度也主要取決于測量精度，使用激光跟蹤儀能夠將控制運動軌跡精度在200μm以內。

因此，自動化測量采用多路激光跟蹤儀動態測量的方案，為裝配過程提供實時測量數據，為實現自動化裝配對接提供可靠的數據支撐。

測量系統示意圖如圖5所示。

3 結束語

運載器總裝柔性自動對接技術的實施，徹底改變目前運載器總裝主要依靠工藝人員和操作人員實踐經驗的局面，使得在數字化柔性裝配技術基礎上，對運載器部段裝配實現精準控制，避免運載器總裝過程出現人為因素導致的質量問題，從而極大地改善運載器總裝工藝技術水平，提高運載器裝配質量，增加總裝過程的可靠性。

【參考文獻】

[1]魏樂愚.自動對接裝配技術在航天產品對接裝配中的應用研究.制造技術研究[J].2011（5）：42-44.

[2]張明，喻懋林，張玉生.自動化技術在衛星天線高精度裝配中的應用研究.航空制造技術[J].2013（20）：26-29.

[3]馬劍鋒.導彈數字化柔性對接系統設計及試驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

[4]許國康.飛機大部件數字化對接技術.航空制造技術[J].2009（24）：42-45.

[5]鄒冀華，劉志存，范玉青.大型飛機部件數字化對接裝配技術研究.航空制造技術[J].2006（8）：36-38.