起重機自動化控制技術在航天器AIT工作中的應用研究

北京衛星環境工程研究所 北京 100094

0 引言

隨著“中國制造2025”的不斷推進，國內制造業也在不斷向數字化、網絡化、智能化方向轉變。對起重機制造業而言，自動化起重機憑借精準定位、無人操作等特點所帶來的高生產效率和低人力成本的優勢，使其越來越受到用戶的青睞。

對于航天制造業，起重機是在航天器產品AIT（總裝、測試、試驗）過程中不可或缺的輔助設備。由于所吊裝產品的重要性，對起重機動作的精準性、穩定性都提出了較高的要求，而自動化起重機的特點正能契合這一要求，降低了傳統起重機依靠操作人員自身操作技巧、經驗水平等主觀因素對吊裝作業質量的影響，更加安全、高效地完成航天器產品的AIT工作。

1 吊裝過程中存在的問題

1.1 特定工序下的吊裝問題

在衛星產品裝配過程中，某些特定的垂直對接和水平對接吊裝工序，對起重機動作距離的控制要求極為嚴格。

如圖1所示，在進行衛星推進艙和載荷艙的合艙（垂直對接）作業時，由于載荷艙內艙板與推進艙承力筒壓條之間間隙極小（約20 mm），對起重機升降、平移動作的控制精度要求極高，需要控制在毫米級，否則可能對內艙板與承力筒壓條造成損傷。

圖1 衛星合艙作業

衛星在吸波室內上DUT轉臺時，需要通過不斷控制起重機吊鉤點動升降，來微調衛星前端和后端的高度，從而改變衛星整體水平度，使衛星底面能與轉臺面平行，記錄4個吊鉤秤的數值，然后控制起重機小車平移，緩慢貼近轉臺面，進而順利完成水平對接作業，圖2所示的這一過程的控制精度通常要求在厘米級至毫米級之間。

圖2 衛星在DUT轉臺上進行試驗

衛星下DUT轉臺時，為了確保4根吊帶的承力狀態（以之前記錄的吊鉤秤數值為依據）與之前上DUT轉臺時的狀態一致，避免出現連接螺釘承力難以拆下的情況，需控制起重機吊鉤點動升降，來調大、調小吊鉤秤數值。尤其在即將接近所需的數值、數值變化在個位數時，對點動的精度要求控制在毫米級。

從人員和設備兩方面綜合考慮，不同水平、經驗的操作人員，不同性能、特點的起重機帶來了太多不穩定的因素。即使是水平高超、經驗豐富的吊裝操作人員也難以保證每一次點動升降、平移的距離完全相同，這就為此類高精度操作的安全帶來了隱患。

1.2 特殊環境下的吊裝問題

真空熱試驗是航天器試驗過程中必不可少的環節，但由于熱試驗主容器KM6、KM8內部空間的局限性，在航天器進入主容器或其操作平臺在主容器內進行拼接時，存在更高的風險性和更小的容錯率。天和一號整器，其操作平臺外側與KM8主容器內壁的間距不足2 m，而整器距離操作平臺內側的最小距離不足0.7 m；天宮天舟系列整器，其進入KM6主容器時，整器上突出物距離操作平臺內側最小距離僅約0.1 m，如圖3所示。

圖3 天宮天舟系列整器及操作平臺進入KM6主容器情況

此外，吊裝人員站在主容器頂端鋼平臺上進行操作，由于是俯視作業，視線被操作平臺遮擋，為操作人員準確判斷、調整航天器與操作平臺間距離，確保吊裝作業安全進行帶來不便。

綜上所述，在這種空間狹小且視線受阻的情況下，無論是航天器還是其操作平臺，一旦起吊中心點沒有判斷準確，導致起吊后航天器或操作平臺位置發生偏移，都將可能直接對航天器造成傷害。

2 起重機自動化控制技術的應用

2.1 國內的應用情況

2.1.1 自動化起重機的劃分

目前，起重機自動化控制技術在國內建筑業、工業以及產品運輸行業等多個領域都發揮著重要作用，根據工作環境的不同，自動化起重機系統可分為半自動和全自動兩種：

1）半自動起重機具備人工、半自動化控制兩種工作模式，其可以自動執行一部分工作流，但是在每個工作流待命點均需要人工干預方能繼續。

2）全自動起重機具備人工、半自動、全自動控制等3種工作模式，可根據上級指令自動分析工作流，自動執行全部工作任務直至人為干預中斷任務執行。

2.1.2 自動化起重機系統組成

自動化起重機對比目前主流的以變頻器作為調速裝置的傳統起重機，就起重機本身結構來說差異并不大，主要區別存在于控制器、軟件系統和傳感器等方面。自動化起重機系統主要包含了遠程控制中心系統、地面系統及機上系統等3部分。

1）遠程控制中心系統 用于操作人員進行任務分配、發出作業指令、實施遠程操作以及實現視頻、語音的實時顯示、儲存和回放。如圖4所示。

圖4 遠程控制中心系統界面

2）地面系統 通過激光掃描儀、旋轉云臺和控制器，對指定工作區域內的情況進行掃描分析和精準定位，然后將信息傳輸至起重機控制系統。如圖5所示。

圖5 激光掃描系統

3）機上系統 根據傳輸過來的工作指令，依靠伺服電機、變頻器、編碼器及PLC控制系統等，實現升降機構的精準動作和運行機構的準確定位。如圖6所示。

圖6 系統結構圖

2.2 在航天器AIT工作中的應用

2.2.1 系統功能的適用性

1）遠程控制中心系統適用性 由于航天器AIT廠房內設備的管理模式不同于物流倉儲和一般制造工廠，且視頻、音頻輸入和無線傳輸裝置的安裝、使用也有悖于現場的保密管理規定，再加上改造成本高、周期長，可能導致起重機長時間無法使用，對科研生產進度造成影響，故遠程控制中心系統并不適用。

2）地面系統適用性 由于所吊裝的航天器產品的結構相較一般貨物結構復雜得多、吊裝要求也嚴格得多，尚不具備僅依靠3D掃描定位后即可保障安全起吊的條件，故地面系統并不適用，仍需要通過人工識別位置、手動調節吊具的方式，來確保吊裝作業的安全。

3）機上系統適用性 機上系統是通過PLC系統編程、編碼器定位、變頻器控制來提高起重機自身的動作精度，從而準確完成工作指令。對于目前航天器廠房內現用的、全車采用變頻控制的起重機而言，需要再加裝一套PLC系統以及用于定位的編碼器。根據測試情況，還需要采用加裝齒輪齒條導向軌道或設置位置校正點的方式來避免車輪丟轉兒等因素對定位精度的影響。因此，機上系統的可應用性較強，改造實施可行。

綜上所述，自動化控制起重機系統并不能完全適用于航天器吊裝工作，只需選取其機上系統部分功能對現用設備進行改造，提升設備作業精準性和穩定性，使其能更好地輔助吊裝操作人員作業。

改造后的設備類同于半自動化起重機，具備人工和半自動2種控制模式，分別通過2臺遠程遙控器發布動作指令，2臺遙控器間可根據需求隨時切換使用。

2.2.2 解決特定工序下的吊裝問題

針對前述特定工序下，需要起重機控制的動作精度達到毫米級的問題，可應用機上系統部分功能解決。起重機大、小車運行機構，其運行速度為

式中：n為車輛驅動電機轉速，D為車輪直徑，i為減速器速比。

起重機起升機構，其起升速度為

式中：n為升降驅動電機轉速，D為卷筒直徑，d為鋼絲繩直徑，i為減速器速比，m為滑輪組倍率。

由式（1）、式（2）可知，可通過PLC系統編程和編碼器（閉合增量編碼器和絕對值編碼器）控制起重機驅動電機轉速和運行時間，從而控制起重機行走、吊鉤升降固定的距離，實現寸動功能，確保操作人員每次操作后，起重機動作的距離精準且固定。目前國內的寸動控制精度可達到1～3 mm。起升機構還需要根據不同吊載質量、不同結構鋼絲繩彈性等因素進行調試和測試，來確保寸動精度。高精度的距離控制可有效解決航天器裝配過程中的難點問題，更加安全、高效地完成吊裝作業。

2.2.3 解決特殊環境下的吊裝問題

應用機上系統所提供的準確定位功能，將起重機吊鉤指定停放點作為區域坐標原點，并通過LED顯示屏實時顯示起重機吊鉤移動后的坐標位置。利用此功能，可有效解決特殊環境下的吊裝問題，具體流程如圖7所示。

圖7 航天器熱試驗吊裝流程圖

利用起重機自動化技術的精準定位和實時位置顯示功能，輔助吊裝指揮及操作人員來確保每次起吊前吊鉤的位置與之前的落點位置一致，以保證起吊后航天器或操作平臺不會出現偏移、晃動問題，避免了對航天器造成傷害。

在此基礎上，可根據航天器不同產品平臺結構、突出物位置等，將中心位置及突出物情況一致或相近的歸為一類，根據歸類情況，通過PLC編程分別設定2號、3號等若干個坐標位置點（吊鉤指定停放位置為原點，編號0號；主容器圓心位置編號1號），進一步免去了流程圖中需要人工操作找準落點的步驟，實現半自動化控制。

同理，除熱試驗工作外，對于質測、力學大廳等試驗設備位置固定的區域，也可應用上述技術來輔助吊裝作業，確保航天器吊裝安全。

3 結語

隨著制造業數字化、網絡化、智能化的不斷推進，將會有更多、更好的科技技術接踵而至，我們應不斷跟隨科技潮流，應用更好的技術手段提升、完善基礎設備、設施能力，助力航天器AIT工作的順利開展。