衛(wèi)星智能化裝配系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)

趙相禹

（長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司）

1 概述

近幾年隨著商業(yè)衛(wèi)星高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了大量的衛(wèi)星星座計(jì)劃。美國(guó)、加拿大等國(guó)家相繼部署近地衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，旨在推動(dòng)空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。以太空探索技術(shù)公司（SpaceX）、一網(wǎng)公司（ONEWEB）為代表的衛(wèi)星企業(yè)紛紛發(fā)布低軌衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃，加速推進(jìn)星座布局。利用低軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)網(wǎng)通信，需要大量的衛(wèi)星協(xié)同工作，按照國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）對(duì)軌道頻率先申請(qǐng)先使用的規(guī)則，使得越來(lái)越多的國(guó)家和企業(yè)開(kāi)始重視軌位和頻率資源的爭(zhēng)奪。如此大批量的衛(wèi)星生產(chǎn)，要求衛(wèi)星制造必須由目前的單件生產(chǎn)模式在短時(shí)間內(nèi)躍升為批量生產(chǎn)模式，生產(chǎn)速度達(dá)到年產(chǎn)幾百顆以上的規(guī)模。支撐這一躍升的關(guān)鍵就是擁有自主可控的高水平衛(wèi)星智能化裝配系統(tǒng)。

衛(wèi)星作為航天產(chǎn)品的一個(gè)主要門(mén)類(lèi)，其制造技術(shù)復(fù)雜，涉及材料、控制、推進(jìn)、熱控、有效載荷、機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、制造、測(cè)量、管理等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，運(yùn)行條件要求高，再加上用戶(hù)任務(wù)需求的不斷變化，以及天地通信網(wǎng)絡(luò)商業(yè)化運(yùn)行的要求，對(duì)衛(wèi)星智能化裝配系統(tǒng)的研制和建設(shè)提出了嚴(yán)格的要求。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

智能化裝配系統(tǒng)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用始于航空領(lǐng)域，隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的不斷迭代創(chuàng)新，在絕對(duì)定位精度、負(fù)載等方面的指標(biāo)不斷提高，越來(lái)越滿(mǎn)足航空航天領(lǐng)域?qū)Υ筘?fù)載、高精度的需求；其高柔性等性能抓住了國(guó)外各大飛機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)商的關(guān)注，逐漸開(kāi)始加大在機(jī)器人自動(dòng)化組裝方面的探索與應(yīng)用。2001年，波音公司（Boeing）和 Electroimpact 公司合作研制了一套ONCE機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)用于 F/A－18E/F 戰(zhàn)斗機(jī)副翼蒙皮骨架的自動(dòng)制孔、锪窩、孔檢測(cè)等操作[1]。2009年，德國(guó)寶捷公司（Broetje）為歐直公司（Eurocopter）研發(fā)了一種新型生產(chǎn)單元，用于在單通道飛機(jī)貨艙門(mén)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中進(jìn)行實(shí)心鉚釘?shù)陌惭b[2]。

隨著國(guó)外大規(guī)模的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)飛機(jī)制造商以及高校也逐步開(kāi)展機(jī)器人智能化裝配方面的探索。2010年，北京航空航天大學(xué)與沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)沈飛）合作研制了由ABB標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人和自主設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器組成的機(jī)器人自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)[3]。2010 年，成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)成飛）設(shè)計(jì)了一套由工業(yè)機(jī)器人、地軌和鉆孔動(dòng)力頭組成的智能鉆孔系統(tǒng)用于壁板類(lèi)部件/組件/零件自動(dòng)化裝配[3]。2012 年，南京航空航天大學(xué)與成飛針對(duì)飛機(jī)機(jī)翼部件自動(dòng)制孔需求，合作研制了基于KUKA工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)[4]。

在航天領(lǐng)域，早在2008年，擁有大量裝配實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的波音公司就宣布開(kāi)通了一條有13個(gè)站位的人造衛(wèi)星精益脈動(dòng)裝配系統(tǒng)。在將這種先進(jìn)的制造方式引入衛(wèi)星制造后，承擔(dān)了美國(guó)GPS系統(tǒng)IIF衛(wèi)星的生產(chǎn)任務(wù)。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程將通過(guò)13個(gè)脈動(dòng)位置移動(dòng)零件。工作單元、工具、標(biāo)準(zhǔn)工作計(jì)劃包和精益生產(chǎn)過(guò)程將減少每顆衛(wèi)星的總構(gòu)建時(shí)間。脈動(dòng)裝配系統(tǒng)的價(jià)值在于它能提高效率，從而降低成本。為了進(jìn)一步提高衛(wèi)星制造能力，在不減小衛(wèi)星尺寸的情況下，波音公司在衛(wèi)星數(shù)字化生產(chǎn)流程中加入3D打印，作為加速衛(wèi)星生產(chǎn)和縮減交貨時(shí)間的手段。

Iridium NEXT衛(wèi)星裝配現(xiàn)場(chǎng)

一網(wǎng)衛(wèi)星公司衛(wèi)星帆板展開(kāi)功能測(cè)試

一網(wǎng)衛(wèi)星公司智能工具緊固螺釘及狀態(tài)監(jiān)測(cè)

一網(wǎng)衛(wèi)星公司協(xié)作機(jī)器人自動(dòng)裝配及狀態(tài)監(jiān)測(cè)

軌道ATK公司（Orbital ATK）承擔(dān)了“下一代銥星”（Iridium NEXT）人造衛(wèi)星的總裝、集成、測(cè)試（AIT），通過(guò)使用一種獨(dú)特的衛(wèi)星制造工藝，以產(chǎn)線(xiàn)的方式制造衛(wèi)星。人造衛(wèi)星的AIT過(guò)程分成18個(gè)工作站，每顆人造衛(wèi)星都在18個(gè)工作站之間移動(dòng)，從面板集成和載荷測(cè)試到完整的衛(wèi)星集成、太陽(yáng)能陣列安裝和校準(zhǔn)檢查，在這些工作站上，衛(wèi)星在移出前進(jìn)行組裝和測(cè)試。通過(guò)此種方式，人造衛(wèi)星的裝配實(shí)現(xiàn)了一周一顆的制造水平。

空客防務(wù)與航天公司（ADS）與一網(wǎng)公司成立的一網(wǎng)衛(wèi)星公司在法國(guó)圖盧茲衛(wèi)星工廠(chǎng)建設(shè)了首條批量生產(chǎn)線(xiàn)，生產(chǎn)前10顆衛(wèi)星，以驗(yàn)證衛(wèi)星批量工業(yè)化生產(chǎn)模式。大批量的裝配系統(tǒng)放在美國(guó)佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心附近的新建工廠(chǎng)。通過(guò)將制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）與底層自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行集成，形成訂單采購(gòu)設(shè)計(jì)制造過(guò)程管控一體化，以機(jī)器人為核心將涂膠、裝配、檢測(cè)等工藝實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化。

2011年，北京星航機(jī)電設(shè)備廠(chǎng)針對(duì)航天產(chǎn)品自動(dòng)對(duì)接裝配技術(shù)應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析探討，并制定了航天產(chǎn)品自動(dòng)對(duì)接裝配的技術(shù)方案[5]。2013 年，北京衛(wèi)星制造廠(chǎng)以衛(wèi)星固面反射器天線(xiàn)為對(duì)象，開(kāi)展自動(dòng)化裝配技術(shù)在航天器產(chǎn)品高精度裝配中的應(yīng)用研究[6]。2014年，北京衛(wèi)星工程環(huán)境研究所研究了航天器機(jī)械臂柔性力控輔助裝配方法，從裝配的實(shí)際需求出發(fā)，提出一種航天器機(jī)械臂柔性力控輔助裝配方法：通過(guò)在機(jī)械臂末端法蘭與負(fù)載之間安裝的六維力傳感器感知作用力與力矩信息，人手直接作用于機(jī)械臂末端的負(fù)載，系統(tǒng)通過(guò)負(fù)載的重力補(bǔ)償算法獲得人手作用的力與力矩信息，而后以力與力矩信息作為輸入來(lái)控制機(jī)械臂進(jìn)行移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，使負(fù)載柔性跟隨人手運(yùn)動(dòng)。文章給出了裝配方法的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案與相關(guān)算法，并進(jìn)行了初步試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)表明，該裝配方法可以有效提高在航天器狹小空間內(nèi)進(jìn)行大重量工件安裝的效率，且安全可靠[7]。2018年4月，中國(guó)航天科工集團(tuán)空間工程發(fā)展有限公司在武漢成立。該公司將聯(lián)合武漢國(guó)家航天產(chǎn)業(yè)基地以規(guī)模化衛(wèi)星制造為基礎(chǔ)打造衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，形成年產(chǎn)百顆人造衛(wèi)星的生產(chǎn)制造能力。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

人造衛(wèi)星產(chǎn)品本身及其制造技術(shù)復(fù)雜，涉及材料、控制、推進(jìn)、熱控、有效載荷、機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、制造、測(cè)量、管理等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，裝配條件要求高，對(duì)衛(wèi)星智能化裝配提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求，根據(jù)調(diào)研總結(jié)出以下幾條關(guān)鍵技術(shù)。

人機(jī)協(xié)同柔性化裝配技術(shù)

批產(chǎn)組網(wǎng)衛(wèi)星需要幾百甚至幾千顆衛(wèi)星的研制，且通信衛(wèi)星的特點(diǎn)決定了只有衛(wèi)星全部部署，才具有服務(wù)能力。按照目前國(guó)內(nèi)衛(wèi)星的研制能力，衛(wèi)星年產(chǎn)能不足數(shù)十顆，這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)是不可接受的；另外，傳統(tǒng)衛(wèi)星生產(chǎn)繁瑣的程序、手工操作，限制了衛(wèi)星的成本控制，不利于系統(tǒng)的市場(chǎng)推廣和應(yīng)用。

基于新一代信息技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)，通過(guò)智能裝備、智能物流、制造執(zhí)行系統(tǒng)的集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化控制、智能調(diào)度、狀態(tài)監(jiān)控、質(zhì)量管控，增強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程透明度，提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量，打造“柔性”、“智能”、“快速”、“可靠”的衛(wèi)星生產(chǎn)新模式。

工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器精確伺服技術(shù)

串聯(lián)結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人通常采用諧波減速器，關(guān)節(jié)剛性較差，為提高定位精度首先需要對(duì)機(jī)器人的關(guān)節(jié)剛度、位置誤差、溫度引起的變形等進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，獲得誤差模型或誤差矩陣。其次，通過(guò)精度補(bǔ)償算法對(duì)末端執(zhí)行器的定位提供伺服修正，其補(bǔ)償方式包括離線(xiàn)和在線(xiàn)兩種方式。離線(xiàn)方式通過(guò)預(yù)先測(cè)量等手段，將空間網(wǎng)格誤差、剛度誤差、溫度誤差等補(bǔ)償數(shù)據(jù)預(yù)置在控制算法中；在線(xiàn)方式借助多種實(shí)時(shí)測(cè)量手段，比如激光跟蹤儀、立體視覺(jué)系統(tǒng)等傳感器對(duì)末端位置進(jìn)行閉環(huán)控制。為此，工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度、位置誤差、溫度補(bǔ)償?shù)目焖俑咝П孀R(shí)、光視力覺(jué)多傳感器在線(xiàn)融合空間配置技術(shù)、振顫動(dòng)態(tài)抑制方法以及定位精度補(bǔ)償算法是解決工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器精確伺服的關(guān)鍵技術(shù)[2-5]。

視覺(jué)快速識(shí)別及定位

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是機(jī)器人技術(shù)與照相測(cè)量技術(shù)的融合。機(jī)器視覺(jué)的加入，可以很大程度提高機(jī)器人操作的智能化水平，使得機(jī)器人能夠“感知”周?chē)牟僮鳝h(huán)境。衛(wèi)星各安裝板或者單機(jī)裝配程序可以離線(xiàn)寫(xiě)入機(jī)器人上位機(jī)中，在識(shí)別出待裝配部件后，上位機(jī)將裝配信息導(dǎo)入機(jī)器人控制器中，控制器便可以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人自主完成相應(yīng)操作[2-5]。

機(jī)器人力控制反饋技術(shù)

機(jī)器人在視覺(jué)引導(dǎo)下將工件運(yùn)送至銷(xiāo)釘導(dǎo)向范圍，在部件與銷(xiāo)釘間作用力超過(guò)預(yù)定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)切換為力反饋，控制在輔助銷(xiāo)釘?shù)膶?dǎo)向下完成裝配。

銷(xiāo)釘柔順對(duì)接時(shí)，工件在向安裝面靠近的過(guò)程中，首先與銷(xiāo)釘錐面發(fā)生接觸時(shí)，需要在保持接觸力處于安全范圍的同時(shí)，根據(jù)得到的接觸力與力矩信息調(diào)整工件的位置與姿態(tài)，使工件能夠沿銷(xiāo)釘向艙板結(jié)構(gòu)繼續(xù)貼近，直至在保證安全接觸力的前提下，無(wú)法繼續(xù)貼近工件，達(dá)到裝配位置[2-5]。

大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

傳統(tǒng)衛(wèi)星都是定制化設(shè)計(jì)，衛(wèi)星數(shù)量少，大部分?jǐn)?shù)據(jù)分析都是基于單星，批量生產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)量龐大，衛(wèi)星裝配以及在軌運(yùn)行中將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星裝配信息、異常信息、測(cè)控計(jì)算結(jié)果信息、空間環(huán)境信息等。這些數(shù)據(jù)反映了衛(wèi)星產(chǎn)線(xiàn)的裝配狀態(tài)以及載荷單機(jī)的在軌運(yùn)行狀態(tài)，具有數(shù)據(jù)量大、類(lèi)型多、參數(shù)變化波動(dòng)的特點(diǎn)，可以作為衛(wèi)星性能分析的信息源。大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)將多星數(shù)據(jù)提取、分析能夠充分發(fā)揮一星多用、多星組網(wǎng)、天地互聯(lián)、多網(wǎng)融合的特點(diǎn)，對(duì)組網(wǎng)衛(wèi)星在產(chǎn)線(xiàn)裝配過(guò)程以及在軌運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)表征、數(shù)據(jù)挖掘、知識(shí)發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)星地協(xié)同、組網(wǎng)傳輸、智能處理的天地一體化的數(shù)據(jù)鏈，并將數(shù)據(jù)鏈通過(guò)大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算，將云計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，構(gòu)建一個(gè)全面展現(xiàn)衛(wèi)星裝配過(guò)程以及在軌狀態(tài)的天地一體化運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)二、三維呈現(xiàn)形式對(duì)低批產(chǎn)衛(wèi)星的裝配過(guò)程以及在軌運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行展示，得出的結(jié)論將反饋給供應(yīng)商以及衛(wèi)星制造商進(jìn)行載荷及衛(wèi)星設(shè)計(jì)以及裝配的優(yōu)化，提升批產(chǎn)衛(wèi)星研制水平，從而在源頭上為用戶(hù)節(jié)約成本。

4 總結(jié)

衛(wèi)星裝配是保障衛(wèi)星整體性能的最終環(huán)節(jié)，具有接近零缺陷質(zhì)量要求的特點(diǎn)。面對(duì)我國(guó)近年來(lái)衛(wèi)星高密度發(fā)射的新形勢(shì)、新任務(wù)以及新一代衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)對(duì)高質(zhì)量、高可靠性的新要求，為研制衛(wèi)星裝配生產(chǎn)線(xiàn)，需要以零缺陷質(zhì)量控制為目標(biāo)，系統(tǒng)地提升衛(wèi)星裝配過(guò)程的質(zhì)量管控能力。

影響衛(wèi)星裝配質(zhì)量的因素較多也較復(fù)雜，裝配質(zhì)量控制難度很大，要求很高。因此，對(duì)衛(wèi)星裝配過(guò)程的質(zhì)量控制進(jìn)行分析非常重要。通過(guò)梳理衛(wèi)星裝配制造全過(guò)程中的全要素質(zhì)量控制點(diǎn)，結(jié)合衛(wèi)星裝配制造經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)要求，從“人、機(jī)、料、法、環(huán)”的質(zhì)量管理要素出發(fā)建立衛(wèi)星制造全要素質(zhì)量保障體系，從而形成智能化裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和控制關(guān)注點(diǎn)，也是衛(wèi)星裝配系統(tǒng)建設(shè)的根據(jù)和基礎(chǔ)。依托公司在衛(wèi)星研制方面的優(yōu)勢(shì)，將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于衛(wèi)星的裝配生產(chǎn)，具有重要價(jià)值，具體如下：

1）提高衛(wèi)星裝配效率，縮短衛(wèi)星研制周期，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的快速出廠(chǎng)、快速發(fā)射組網(wǎng)。

2）降低衛(wèi)星在交付到裝配以及檢測(cè)環(huán)節(jié)中人工因素的介入，提高衛(wèi)星裝配精度與自動(dòng)化、智能化水平，保證衛(wèi)星裝配以及檢測(cè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量一致性，提高交付衛(wèi)星的可靠性。

3）通過(guò)對(duì)機(jī)器人高精度裝配、人機(jī)協(xié)同柔性化裝配、視覺(jué)快速識(shí)別及定位等技術(shù)的深入研究，為衛(wèi)星智能化柔性裝配打下技術(shù)基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)多型號(hào)衛(wèi)星批量化快速組網(wǎng)提供技術(shù)支撐。

5 發(fā)展與展望

目前，利用機(jī)器人技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立柔性、自動(dòng)化組裝線(xiàn)或生產(chǎn)車(chē)間在國(guó)外的航空航天企業(yè)已經(jīng)相當(dāng)成熟。國(guó)內(nèi)各大航空制造公司也逐漸開(kāi)展了機(jī)器人在自動(dòng)化裝配領(lǐng)域的探索與應(yīng)用，并取得了豐富的科研與應(yīng)用成果。在航天領(lǐng)域，尤其在商業(yè)航天快速發(fā)展的背景下，衛(wèi)星批量組網(wǎng)的模式勢(shì)不可擋，原有的生產(chǎn)模式必然無(wú)法滿(mǎn)足衛(wèi)星批量組網(wǎng)的生產(chǎn)需求，建設(shè)能夠匹配衛(wèi)星組網(wǎng)速度的高質(zhì)量、高可靠、高柔性、高智能化的衛(wèi)星批量裝配系統(tǒng)是商業(yè)航天發(fā)展的必然趨勢(shì)。衛(wèi)星整星以及各單機(jī)組件的機(jī)器人自動(dòng)化裝配系統(tǒng)模式可以結(jié)合其本身的機(jī)械外形、裝配精度等特點(diǎn)，借鑒機(jī)器人自動(dòng)化裝配在航空領(lǐng)域的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，并做出相應(yīng)的改進(jìn)與優(yōu)化。