大型運載火箭部段自動對接裝備及工藝流程設計

熊占兵，馬 康，畢海娟，范 江，王鵬飛

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津，300462）

0 引 言

目前，自動對接技術已在航空航天大直徑部段對接領域廣泛應用。郭洪杰等[1]利用數控支撐裝置（定位器）、激光跟蹤儀、計算機數控系統等組成柔性對接平臺，在工程誤差以內完成對飛機的總裝裝配；秦宇、黃翔等[2]通過建立對接目標運動模型、研究激光測距儀安裝位置與個數，搭建起對接平臺。在部段對接裝配領域應用的新技術，取代了傳統人工操作天車吊裝、支撐系統對接等手工對接工藝，使對接裝配的質量、效率都有較大幅度提升。

與此同時，中國運載火箭大部段對接仍較多采用目視手工的對接裝配方式，雖然能夠滿足裝配需求，但其裝配質量、精度遠不如自動化對接裝配方法。鑒于此，本文設計了一種應用于中國新一代大直徑火箭（芯級5 m）裝配對接的專用技術裝備和針對該裝備的新工藝。

1 大型運載火箭自動對接裝備系統設計

自動對接系統主要由測量系統、控制系統和執行系統組成閉環控制系統，測量系統可以進行實時動態測量，并將測量結果反饋給控制系統，通過控制系統對執行系統的實時調節，能實現箭體位姿的實時動態調整和對接，如圖1所示。

圖1 自動對接系統組成Fig.1 Composition of Automatic Docking System

1.1 測量系統

測量系統采用4臺激光跟蹤儀聯合組成多站測量系統實現對接部段三維位置姿態的動態測量。具體實現方法是：利用全局坐標控制點聯合平差技術組建全局坐標控制網，建立全局坐標系；以激光跟蹤儀作為終端測量設備，基于激光絕對測距與干涉測距技術，結合二維碼盤精密測角技術實現空間點三維坐標的融合，利用4臺激光跟蹤儀組合測量技術同時跟蹤測量預先設置在對接部段上的4個跟蹤靶鏡的三維坐標；基于多點冗余位姿解算技術求解對接部段間相對位姿關系，給出對接部段間三維6自由度位置姿態參數。測量系統示意如圖2所示。

圖2 測量系統Fig.2 Schematic Diagram of Measurement System

圖2中，固定部段坐標系在全局坐標系下固定不變，活動部段坐標系隨調整架車的移動不斷變化。設置4個跟蹤靶鏡固定于活動部段上，與活動部段一起運動，采用4個跟蹤靶鏡冗余解算技術的優點是降低由于測量產生的粗大誤差對位姿解算精度的影響，同時在其中1臺光線有遮擋時不會影響測量系統的正常工作。激光跟蹤儀通過組建測量網構成一個多站測量系統，每臺跟蹤儀實時監測一個跟蹤靶鏡，得到在全局測量坐標系下4個跟蹤靶鏡的三維坐標。通過冗余位姿解算模塊得到活動部段相對于固定部段的位姿關系，即3個平移量和3個旋轉角度量，完成活動部段位姿的實時自動測量。

1.2 執行系統

為了與傳統對接工藝相兼容，執行系統仍然沿用軌道承載方式，整發箭體將沿軌道方向放置。執行系統根據運載火箭對接裝配的特點，融合模塊化的設計思想，設計了以自動化支撐系統為基準的數字化柔性對接裝備，共分為2個型號：單托架自動化支撐系統和雙托架自動化支撐系統。單托架自動化支撐系統主要由X、Y、Z、A4個方向移動模塊和自動化支撐系統底盤模塊組成；雙托架自動化支撐系統由2個Y、Z、A移動模塊、一個X移動模塊和自動化支撐系統底盤模塊組成。執行系統如圖3所示。

圖3 自動化支撐系統Fig.3 Automatic Support System

1.3 控制系統

為了使控制方案達到足夠的開放性和靈活性，控制系統的硬件設計采用了分布式的開放結構。整個控制系統的硬件電氣主要分布在3個方面：a）架車上電氣部分；b）控制柜上電氣部分；c）中央操作臺電氣部分。具體組成如圖4所示。

圖4 控制系統電氣硬件組成Fig.4 Composition of Electrical Hardware

架車上硬件組成：單托架架車可以實現4個自由度調整，即：X、Y、Z向移動和A向滾動，雙托架架車在單托架架車的基礎上，還可以實現繞Y軸、Z軸的轉動。架車的每一部分都是伺服電機通過減速器來提供驅動。架車上各運動軸的驅動相連接，每個自由度都設有限位開關（包括軟、硬限位兩種方式）。每兩臺單托架架車和每臺雙托架架車均設置手持操作面板，以上硬件均接入現場I/O模塊，通過總線連接到控制柜上，實現手持面板的控制。

控制柜硬件組成：電氣控制柜主要用于控制電機啟停、轉速大小，主要包含多軸控制器、I/O模塊、電源、空開、接觸器、接線端子、變壓器、穩壓濾波模塊、整流模塊、驅動模塊等，計算機將運動控制指令發送給多軸控制器，控制器控制相應的繼電器常開觸點自動閉合，二次控制回路接通，主電路接觸器吸合，主電路接通，電機運行。

操作臺硬件組成：操作控制包括工控機1臺、觸摸屏1臺、顯示屏1臺、操作面板、I/O模塊等設備。工控機主要用于軟件平臺開發，包括基于OPC的通訊方式，將測量系統的數據通過統一的協議傳送給控制系統；基于Wincc對界面進行組態，并在觸摸屏上顯示，達到通過觸摸屏操作界面來控制架車運行的目的。操作面板上有操作鍵盤及按鈕，通過操作面板也能完成對架車的控制。I/O模塊主要用于采集操作動作數據，將其發送給控制系統。

以硬件系統為基礎，整個對接系統控制方案的軟件包括運動控制程序、自動對接程序、人機交互程序、接口通訊程序。運動控制程序主要包括伺服電機運動控制與I/O實時邏輯控制；自動對接程序的主要功能是通過從測量系統獲取實時位姿，根據箭體部段需要運動到的目標值實時計算出定位單元上相應電機的運動調整量，完成對電機的實時控制；人機交互程序的主要功能是顯示箭體部段位姿信息和定位單元的運動狀態，提供手動/自動模式的切換、伺服電機同步方式的選擇等功能；接口通訊程序主要功能是將測量系統的實時測量數據按照完整的數據格式傳送給控制系統。軟件的整體框架見圖5所示。

圖5 控制系統軟件整體框架Fig.5 General Framework of Control System Software

考慮到整個對接系統應為一個有機整體，各功能控制單元、伺服驅動器、遠程I/O模塊、觸摸屏等都應能進行高效安全的通訊，控制系統的通訊方案引入了現場總線技術、通過采用現場總線技術可有效實現各功能單元的互聯互通，大大減少了通訊線纜的使用。

2 工藝流程設計

2.1 測量系統工作流程設計

測量過程需要在全局測量坐標系下進行，保證測量系統與運動控制系統坐標統一，因此需要在初始時刻確定全局測量坐標系，并在該坐標系下進行實時動態位姿測量，系統的工作流程如下：

a）聯合建站。

根據具體工況調整跟蹤儀布局，使其滿足裝配測量要求。通過測量公共點將各個跟蹤儀的測量坐標系統一到一個坐標系下。

b）關聯全局坐標系。

將測量系統的坐標系與事先設置好的，與廠房建立好幾何量關系的全局坐標系關聯。

c）獲得產品位姿數據。

根據多站測量網選擇合適的站位對固定部段和活動部段對接基準孔進行測量，分別建立固定部段和活動部段固連坐標系，獲得其產品位姿數據。

d）活動部段特征點測量。

在活動部段的合適位置固定4個跟蹤靶鏡，跟蹤儀分別對4個靶鏡進行測量，得到初始時刻活動部段與固定部段位姿關系。

e）實時位姿測量。

活動部段啟動對接操作指令，4臺跟蹤儀工作于連續測量模式，實時監測4個跟蹤靶鏡的位置，并對靶鏡坐標進行測量，得到4個跟蹤靶鏡的三維坐標，通過位姿解算模塊，實時輸出對接部段3個平移量和3個轉角信息。動態位姿測量系統的測量結果作為運動控制系統的實時反饋值，供自動對接機構實現位姿校正，由此形成閉環自動化對接運動控制系統。運動控制系統與主控服務器之間通過數據交互，傳遞對接部段運動狀態、對接執行指令等信息，實時跟蹤測量流程如圖6所示。

圖6 實時跟蹤測量工作流程Fig.6 Real Time Tracking Measurement Workflow

2.2 控制系統調姿流程設計

兩個部段的對接由3臺自動化支撐系統A、B、C配合完成，3臺自動化支撐系統共有19個驅動軸，如圖7所示。

圖7 支撐示意Fig.7 Support Diagram

支撐兩部段的3個自動支撐系統A、B、C分別由5、5、9個驅動軸組成。設定：沿箱體軸線方向為X向，垂直軸線水平的方向為Y向，垂直軸線升降的方向為Z向，沿X、Y、Z三軸的轉動為A、B、C向。各驅動軸的分布及作用如表1所示。

表1 驅動軸分布及作用Tab.1 Distribution and Function of Drive Shaft

由于部段一和部段二B軸和C軸的偏轉是靠兩個自動化支撐系統托架對Z軸和Y軸調節實現的，所以，部段Y軸Z軸的調節影響B軸和C軸的調節，若同時調節，會發生耦合。自由度耦合如表2所示。

表2 各自由度耦合情況分析Tab.2 Analysis of Coupling of Degrees of Freedom

為避免干涉，控制系統設計了如圖8所示的自由度調節順序。

圖8 各自由度調節順序Fig.8 Adjustment Sequence of Each Degree of Freedom

2.3 自動對接工藝流程設計

部段自動對接過程如圖9所示。

圖9 部段自動對接過程示意Fig.9 Schematic Diagram of Segment Automatic Docking Process

在工藝流程的設計過程中，將其劃分成4個部分，分別為：對接準備過程、部段吊裝過程、自動對接過程和撤收過程。自動對接工藝流程如圖10所示。

a）設備啟動過程。

對接前準備主要完成測量系統、執行系統初始化，為自動對接做好準備。

b）部段吊裝及對界面基準測量過程。

設備啟動工作完成后，需將待對接部段完成從停放工位到對接工位的轉換。吊裝完成后，將兩部段調節進入自動對接區域（對應圖9中粗調過程），并檢查對接面狀態。狀態檢查合格后測量對接面基準。

c）自動對接過程。

自動對接過程首先將被動段（部段一）對接面調至基準面，與此同時，主動段（部段二）到達第1安全位置后停止。之后調節主動段到第2安全位置后停止，操作人員確定兩對接面情況和銷釘銷孔對正情況。如正常則啟動自動對接模式，異常則切換手動操作模式，點動使兩對接面貼合。對接完成后連接對接螺栓，如圖10所示。

圖10 自動對接工藝流程Fig.10 Automatic Docking Process

d）撤收過程。

撤收過程主要是完成對接后設備關機、工裝撤收、部段轉移到停放工位等工作。

3 結束語

本文首次提出在大型運載火箭對接過程中采用基于激光跟蹤測量、數字化精準定位、多目標集成控制方法的數字化對接裝備與工藝方法。經過試驗，自動對接裝備和工藝順利完成某型號兩部段自動對接工作，對接精度滿足設計要求。