一種大型轉運車的同軸度檢測方案

邢廣強 王國星 徐云甫 霍珍一 韓 翠 郭迎雪 王炳龍

一種大型轉運車的同軸度檢測方案

邢廣強 王國星 徐云甫 霍珍一 韓 翠 郭迎雪 王炳龍

（北京衛星制造廠有限公司，北京 100094）

艙體轉運車是大型空間站艙體轉運裝置的重要部件，它的位置精度直接影響了空間站艙體中各艙段的協調能力。本文從轉運車的結構分析入手，分析了大型轉運車同軸度檢測過程中存在的問題，并指出了檢測難點。針對檢測難點，提出了一種采用標尺和經緯儀配合測量的檢測方法。該方法先確定大型架車水平方向和垂直方向基準尺寸，再計算得出同軸度。試驗結果表明本文提出的方法檢測精度高于0.05mm，滿足轉運車實際使用要求，對提高大型艙體轉運的生產效率檢測質量具有重要意義。

大型轉運車；同軸度；經緯儀

1 引言

中國空間站由一個核心艙和兩個實驗艙組成，每個艙體都重達20t以上，且各個艙體都是由不同的柱段或球段對接而成。艙體徑向尺寸4m，軸向尺寸20m，如此結構復雜的核心艙在研制過程中需要經歷各種試驗，整個試驗過程都需要采用大型轉運車轉運和停放。

大型空間站艙體轉運車全長大約20m，由整器轉運車和熱控小艙轉運車兩部分組成。其中整器轉運車全長約16.3m，由兩個4800型架車和一個4280型架車通過級聯而成。小艙轉運車與整器轉運車一起使用時小艙轉運車的托架圓弧與整器轉運車托架上的圓弧需要同軸，整套架車同軸度要求為1mm，以保證空間站艙體在軸向和徑向方向都能避免有應力，以防艙體受損，且結構穩定，實現停靠及轉運等功能。

首先結合中國空間站大型艙體轉運車特點分析了其檢測難點，提出了轉運車測量的必要性；然后對比分析了兩種轉運車的測量實現方案的優缺點，指出這兩種方法均無法適用于高效率高精度測量的要求；隨后提出一種新的同軸度檢測方法，目的在于在精度滿足測量要求的前提下提高測量效率，結合實際產品指標給出了實測數據，測量結果表明利用該檢測方法能夠達到理想的效果。

2 方案設計

2.1 測量需求

實現大型轉運車轉運功能且保護好艙體最重要的指標即為轉運車各級聯段的同軸度。圖1所示為多級級聯的整器轉運車結構示意圖，同軸度直接決定了轉運車的質量[1]。

圖1 多極級聯整器轉運車結構示意圖

在實際測量中，完成大型轉運車的同軸度檢測存在以下難點：

a. 轉運車的長度達到16.3m，測量范圍較大，是典型的大尺寸大范圍檢測；

c. 轉運車尺寸大、結構復雜，測量點位較多并且遮擋嚴重；

d. 因為產品尺寸大，測量效率低，且需要多人配合高空作業，存在較大的安全隱患。因此需要一種高精度高效率且安全性較高的測量方法。

2.2 常規大型艙體轉運車測量方法分析

2.2.1 常用量具測量技術

傳統采用卷尺和拉直線對大尺寸件同軸度進行檢測。這種檢測方式的前提是轉運車放置的平臺的平面度在允許的公差內，首先在轉運車的托架圓周上從圓周的起始位置到終止位置均分圓周標記出需要測量的點位，多級架車要求標記的位置一致。采用卷尺依次測量架車上的標記點到放置平臺的垂直距離，以一臺架車為基準，計算另外架車相應位置與基準架車的垂直差值，計算出多個標記點的平均值，此值即為架車的垂直方向的調整量。將各級架車初步級聯后，標記出托架的圓弧中心點，用一根直線拉線測量各個架車相對于直線的水平方向偏移距離，調整后保證各級架車水平方向的偏差小于0.5mm。此方法存在以下問題：

a. 測量效率低

人工測量需要多人配合做測量點位標記，多人配合依次測量，并且測量時都需要升降車，單級架車測量時間超過1h，整個轉運車測量需要4h以上。

b. 測量精度低

此方案的前提是假設轉運車放置的平臺的平面度優，由上述分析可得要求平面度優于0.1mm，實際廠房中地面較難達到此精度。卷尺的最小刻度為1mm，精確讀數比較困難。此方法也無法確立全局坐標系，不能準確定位各級架車各方向的偏差。

綜上，傳統卷尺測量方式不適用于大型轉運車同軸度測量。

2.2.2 激光跟蹤儀測量技術

激光跟蹤儀在20m范圍內測量精度為0.11mm，是大尺寸測量很好的選擇。首先定義測量坐標系，標記架車的圓周上測量點，以中間托架為基準托架，在每一托架圓弧相同位置取6個測量點，通過激光跟蹤儀測量各點，模擬計算出各個托架的圓心位置，依次測量各個測量點，調整架車使其水平和豎直方向都在公差范圍內[2]。此方案存在以下問題：

a. 測量誤差放大

三個支架的圓弧采點范圍較小，屬于較典型“大圓小圓弧”問題，擬合圓計算中存在較明顯的測量誤差放大，可能導致測量精度不符合要求。

b. 調整難度增加

反饋數據為三個圓弧的圓心點相對偏移關系，與產品調整環節不對應，導致三個支架位姿調節“答非所問”的問題，增加了調整難度。

c. 調整項指導不全

對圓弧的測量無法得到三個支架的俯仰、扭擺和滾動姿態數據，對位姿調整沒有指導作用。

綜上，激光跟蹤儀測量技術不適用于大型轉運車同軸度測量。

2.3 一種新穎的大型艙體轉運車同軸度測量技術

2.3.1 方案介紹

本文提出的方案是利用經緯儀對轉運車進行分解測量，再對測量結果綜合計算，得到轉運車的同軸度。在組合加工轉運車圓弧段時，整體架車以圓弧中心為基準在各自側面以及平行于圓弧直徑的水平端面銑削一處輔助基準面。依次測量時可將架車圓弧段替換為圓弧段側面和輔助基準面；鎖定經緯儀為90°俯仰角，并調節扭擺角標尺輔助測量左右側面基準面，調整架車的水平偏差到公差內；同理，經緯儀為0°扭擺角，并調節俯仰角標尺輔助測量水平基準面，調整架車的垂直偏差到公差內；同軸度值為三個架車水平偏差和垂直偏差的綜合。圖2所示為經緯儀與標尺結合測量輔助基準面示意圖[3]。

圖2 經緯儀與標尺結合測量輔助基準面示意圖

本方案具有以下優點：

a. 測量效率提升

測量儀器由卷尺或者激光跟蹤儀更換為經緯儀，在調整過程中能實時反饋數據，提高檢測、裝調兩個環節的互動效率。并簡化了計算過程，用加減法代替擬合計算，實現調節數據實時反饋。

b. 避免誤差放大

利用產品整體機加的特性，每個架車增加三處輔助基準面，實現對架車位姿更高效更直接的測量，避免測量小圓弧導致的誤差放大。

c. 優化調測流程

先測量B支架的姿態，以B支架為目標，測調A、C支架位姿，極大地降低了調節復雜性。將檢測目標設定為使水平方向和鉛垂方向實際偏差都小于0.2mm，以兼顧經緯儀精度水平和設計公差要求。

2.3.2 檢測過程

2.3.2.1 檢測前期準備

在轉運車測量區域架設一臺經緯儀，要求經緯儀可無遮擋地測量圓弧架側面輔助基準面和上表面六處機加基準面；選擇導軌側面距離較遠的兩個點位，反復將標尺水平靠在兩點，使用經緯儀測量標尺上刻度對應的扭擺角角度，最終找到標尺某刻度在兩個點位的扭擺角相同；將經緯儀當前扭擺角置0°，得到導軌垂直基準面。

2.3.2.2 實施步驟

a. 在轉運車前方架起一個經緯儀后調平，見圖3，架設要求見上述檢測前準備；

圖3 經緯儀擺放位置示意圖

2.3.2.3 檢測結果驗證

a. 卷尺測量

以中間托架為基準托架，在每一托架圓弧相同位置取6個測量點，通過卷尺測量各點與基準點的差值，測量值為：

垂直方向：A支架：1.2mm，1.5mm，1.1mm，1.8mm，2.1mm，1.4mm，平均值為：1.517mm；B支架：0mm，0mm，0mm，0mm，0mm，0mm；C支架：0.8mm，1.3mm，1.0mm，1.6mm，1.2mm，1.7mm，平均值為：1.267mm。

水平方向：2.1mm，1.7mm，1.2mm，2.5mm，1.9mm，1.4mm，平均值為：1.800mm。整個過程測量用時2d。

b. 激光跟蹤儀測量

測量值為：A支架：垂直方向0.21mm，水平方向0.17mm；B支架：垂直方向0mm，水平方向0mm；C支架：垂直方向-0.15mm，水平方向-0.25mm；無法得到三個托架的俯仰、扭擺和滾動姿態數據，測量數據對位姿調整沒有借鑒意義。

c. 利用經緯儀輔助計算方法測量

支架兩個圓弧輔助基準水平方向間距理論尺寸為4300，支架水平方向輔助基準面與圓心的垂直方向距離理論尺寸為1326mm，所以/的比值為1326÷4300=0.3084。

支架水平方向輔助基準面理論尺寸為1046mm，標尺為1000mm，支架水平方向輔助基準面刻度理論值為1046+1000=2046mm；圓弧輔助基準面垂直方向刻度理論值為1945mm。

實物測量過程中的測量值為下述數值：

水平方向：A支架：2046.45mm；B支架：2046mm；C支架：2046.38mm。

2.3.2.4 試驗總結

表1 各測量方案測量結果比對

試驗結果如表1所示，通過以上數據可以看出，采用本文所提出的大型艙體轉運車同軸度檢測技術，可以同時滿足大型艙體轉運車檢測中的測量精度與測量效率的要求，在現場測量時具有良好的應用效果。

3 結束語

應用上述檢測方法降低了測量采樣和計算的難度以及產品調整的復雜性。可以方便得出所需測量的同軸度實測值，克服了精測設備的不足；檢測方法原理簡單、容易理解、操作簡便，能夠為設計、工藝人員提供有效的實際數據，檢測效率高、時間成本低。

通過大型架車同軸度檢測實例可以得出，測量方法和測量工具的選擇是決定測量結果精確性的關鍵因素，同時也論證了測量工具對測量結果的影響。因此，在選擇測量方法和測量工具的時候不僅要考慮設計指標的要求，也要考慮現有測量工具的局限性和可完善性，才能實現快速、準確、有效的檢測。

1 吳慧仙. 一種同軸度檢測新裝置及其檢測方法[J]. 科技資訊，2016，14(34)：61～62

2 李巖，孟祥旺，章恩耀. 一種新型激光掃描式大工件孔-孔同軸度測量儀[J]. 激光與紅外，2000，30(5)：279～282

3 呂乃光，鄧文怡，燕必希，等. 大型機械零部件孔同軸度測量技術研究[J]. 光電子激光，2001，12(7)：694～696

A Coaxiality Detection Scheme for Large Transfer Vehicle

Xing Guangqiang Wang Guoxing Xu Yunfu Huo Zhenyi Han Cui Guo Yingxue Wang Binglong

(Beijing Spacecrafts, Beijing 100094)

The large transfer vehicle is an important component of the cabin transfer device of a large space station, and its position accuracy directly affects the coordination ability of each cabin in the space station cabin. This article starts with the structural analysis of the transfer vehicle, analyzes the problems in the coaxiality detection process of the large transfer vehicle, and points out the detection difficulties. Aiming at the difficulty of detection, this paper proposes a detection method that uses a ruler and theodolite to measure together. This method first determines the horizontal and vertical reference dimensions of the large-scale frame, and then calculates the coaxiality. The test results show that the detection accuracy of the method proposed in this paper is higher than 0.05mm, which meets the actual use requirements of transfer vehicles, and is of great significance for improving the production efficiency of large-scale cabin transfer.

large transfer vehicle；coaxiality；theodolite

邢廣強（1977年），碩士，航天器制造專業；研究方向：航天器產品檢測。

2020-05-19