大型運(yùn)載火箭部段自動對接裝備及工藝流程設(shè)計(jì)

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(shù)已在航空航天大直徑部段對接領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。郭洪杰等[1]利用數(shù)控支撐裝置（定位器）、激光跟蹤儀、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)等組成柔性對接平臺，在工程誤差以內(nèi)完成對飛機(jī)的總裝裝配；秦宇、黃翔等[2]通過建立對接目標(biāo)運(yùn)動模型、研究激光測距儀安裝位置與個(gè)數(shù)，搭建起對接平臺。在部段對接裝配領(lǐng)域應(yīng)用的新技術(shù)，取代了傳統(tǒng)人工操作天車吊裝、支撐系統(tǒng)對接等手工對接工藝，使對接裝配的質(zhì)量、效率都有較大幅度提升。

與此同時(shí)，中國運(yùn)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(zhì)量、精度遠(yuǎn)不如自動化對接裝配方法。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)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(shù)裝備和針對該裝備的新工藝。

1 大型運(yùn)載火箭自動對接裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動對接系統(tǒng)主要由測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，測量系統(tǒng)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)測量，并將測量結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)對執(zhí)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，能實(shí)現(xiàn)箭體位姿的實(shí)時(shí)動態(tài)調(diào)整和對接，如圖1所示。

圖1 自動對接系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of Automatic Docking System

1.1 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)采用4臺激光跟蹤儀聯(lián)合組成多站測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對接部段三維位置姿態(tài)的動態(tài)測量。具體實(shí)現(xiàn)方法是：利用全局坐標(biāo)控制點(diǎn)聯(lián)合平差技術(shù)組建全局坐標(biāo)控制網(wǎng)，建立全局坐標(biāo)系；以激光跟蹤儀作為終端測量設(shè)備，基于激光絕對測距與干涉測距技術(shù)，結(jié)合二維碼盤精密測角技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間點(diǎn)三維坐標(biāo)的融合，利用4臺激光跟蹤儀組合測量技術(shù)同時(shí)跟蹤測量預(yù)先設(shè)置在對接部段上的4個(gè)跟蹤靶鏡的三維坐標(biāo)；基于多點(diǎn)冗余位姿解算技術(shù)求解對接部段間相對位姿關(guān)系，給出對接部段間三維6自由度位置姿態(tài)參數(shù)。測量系統(tǒng)示意如圖2所示。

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

圖2中，固定部段坐標(biāo)系在全局坐標(biāo)系下固定不變，活動部段坐標(biāo)系隨調(diào)整架車的移動不斷變化。設(shè)置4個(gè)跟蹤靶鏡固定于活動部段上，與活動部段一起運(yùn)動，采用4個(gè)跟蹤靶鏡冗余解算技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是降低由于測量產(chǎn)生的粗大誤差對位姿解算精度的影響，同時(shí)在其中1臺光線有遮擋時(shí)不會影響測量系統(tǒng)的正常工作。激光跟蹤儀通過組建測量網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)多站測量系統(tǒng)，每臺跟蹤儀實(shí)時(shí)監(jiān)測一個(gè)跟蹤靶鏡，得到在全局測量坐標(biāo)系下4個(gè)跟蹤靶鏡的三維坐標(biāo)。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(guān)系，即3個(gè)平移量和3個(gè)旋轉(zhuǎn)角度量，完成活動部段位姿的實(shí)時(shí)自動測量。

1.2 執(zhí)行系統(tǒng)

為了與傳統(tǒng)對接工藝相兼容，執(zhí)行系統(tǒng)仍然沿用軌道承載方式，整發(fā)箭體將沿軌道方向放置。執(zhí)行系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)載火箭對接裝配的特點(diǎn)，融合模塊化的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了以自動化支撐系統(tǒng)為基準(zhǔn)的數(shù)字化柔性對接裝備，共分為2個(gè)型號：單托架自動化支撐系統(tǒng)和雙托架自動化支撐系統(tǒng)。單托架自動化支撐系統(tǒng)主要由X、Y、Z、A4個(gè)方向移動模塊和自動化支撐系統(tǒng)底盤模塊組成；雙托架自動化支撐系統(tǒng)由2個(gè)Y、Z、A移動模塊、一個(gè)X移動模塊和自動化支撐系統(tǒng)底盤模塊組成。執(zhí)行系統(tǒng)如圖3所示。

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

1.3 控制系統(tǒng)

為了使控制方案達(dá)到足夠的開放性和靈活性，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)采用了分布式的開放結(jié)構(gòu)。整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件電氣主要分布在3個(gè)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(tǒng)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(shí)現(xiàn)4個(gè)自由度調(diào)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(chǔ)上，還可以實(shí)現(xiàn)繞Y軸、Z軸的轉(zhuǎn)動。架車的每一部分都是伺服電機(jī)通過減速器來提供驅(qū)動。架車上各運(yùn)動軸的驅(qū)動相連接，每個(gè)自由度都設(shè)有限位開關(guān)（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(shè)置手持操作面板，以上硬件均接入現(xiàn)場I/O模塊，通過總線連接到控制柜上，實(shí)現(xiàn)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(jī)啟停、轉(zhuǎn)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(wěn)壓濾波模塊、整流模塊、驅(qū)動模塊等，計(jì)算機(jī)將運(yùn)動控制指令發(fā)送給多軸控制器，控制器控制相應(yīng)的繼電器常開觸點(diǎn)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(jī)運(yùn)行。

操作臺硬件組成：操作控制包括工控機(jī)1臺、觸摸屏1臺、顯示屏1臺、操作面板、I/O模塊等設(shè)備。工控機(jī)主要用于軟件平臺開發(fā)，包括基于OPC的通訊方式，將測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的協(xié)議傳送給控制系統(tǒng)；基于Wincc對界面進(jìn)行組態(tài)，并在觸摸屏上顯示，達(dá)到通過觸摸屏操作界面來控制架車運(yùn)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(shù)據(jù)，將其發(fā)送給控制系統(tǒng)。

以硬件系統(tǒng)為基礎(chǔ)，整個(gè)對接系統(tǒng)控制方案的軟件包括運(yùn)動控制程序、自動對接程序、人機(jī)交互程序、接口通訊程序。運(yùn)動控制程序主要包括伺服電機(jī)運(yùn)動控制與I/O實(shí)時(shí)邏輯控制；自動對接程序的主要功能是通過從測量系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)位姿，根據(jù)箭體部段需要運(yùn)動到的目標(biāo)值實(shí)時(shí)計(jì)算出定位單元上相應(yīng)電機(jī)的運(yùn)動調(diào)整量，完成對電機(jī)的實(shí)時(shí)控制；人機(jī)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(yùn)動狀態(tài)，提供手動/自動模式的切換、伺服電機(jī)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(tǒng)的實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)按照完整的數(shù)據(jù)格式傳送給控制系統(tǒng)。軟件的整體框架見圖5所示。

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

考慮到整個(gè)對接系統(tǒng)應(yīng)為一個(gè)有機(jī)整體，各功能控制單元、伺服驅(qū)動器、遠(yuǎn)程I/O模塊、觸摸屏等都應(yīng)能進(jìn)行高效安全的通訊，控制系統(tǒng)的通訊方案引入了現(xiàn)場總線技術(shù)、通過采用現(xiàn)場總線技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)各功能單元的互聯(lián)互通，大大減少了通訊線纜的使用。

2 工藝流程設(shè)計(jì)

2.1 測量系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)

測量過程需要在全局測量坐標(biāo)系下進(jìn)行，保證測量系統(tǒng)與運(yùn)動控制系統(tǒng)坐標(biāo)統(tǒng)一，因此需要在初始時(shí)刻確定全局測量坐標(biāo)系，并在該坐標(biāo)系下進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)位姿測量，系統(tǒng)的工作流程如下：

a）聯(lián)合建站。

根據(jù)具體工況調(diào)整跟蹤儀布局，使其滿足裝配測量要求。通過測量公共點(diǎn)將各個(gè)跟蹤儀的測量坐標(biāo)系統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系下。

b）關(guān)聯(lián)全局坐標(biāo)系。

將測量系統(tǒng)的坐標(biāo)系與事先設(shè)置好的，與廠房建立好幾何量關(guān)系的全局坐標(biāo)系關(guān)聯(lián)。

c）獲得產(chǎn)品位姿數(shù)據(jù)。

根據(jù)多站測量網(wǎng)選擇合適的站位對固定部段和活動部段對接基準(zhǔn)孔進(jìn)行測量，分別建立固定部段和活動部段固連坐標(biāo)系，獲得其產(chǎn)品位姿數(shù)據(jù)。

d）活動部段特征點(diǎn)測量。

在活動部段的合適位置固定4個(gè)跟蹤靶鏡，跟蹤儀分別對4個(gè)靶鏡進(jìn)行測量，得到初始時(shí)刻活動部段與固定部段位姿關(guān)系。

e）實(shí)時(shí)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(xù)測量模式，實(shí)時(shí)監(jiān)測4個(gè)跟蹤靶鏡的位置，并對靶鏡坐標(biāo)進(jìn)行測量，得到4個(gè)跟蹤靶鏡的三維坐標(biāo)，通過位姿解算模塊，實(shí)時(shí)輸出對接部段3個(gè)平移量和3個(gè)轉(zhuǎn)角信息。動態(tài)位姿測量系統(tǒng)的測量結(jié)果作為運(yùn)動控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反饋值，供自動對接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)位姿校正，由此形成閉環(huán)自動化對接運(yùn)動控制系統(tǒng)。運(yùn)動控制系統(tǒng)與主控服務(wù)器之間通過數(shù)據(jù)交互，傳遞對接部段運(yùn)動狀態(tài)、對接執(zhí)行指令等信息，實(shí)時(shí)跟蹤測量流程如圖6所示。

圖6 實(shí)時(shí)跟蹤測量工作流程Fig.6 Real Time Tracking Measurement Workflow

2.2 控制系統(tǒng)調(diào)姿流程設(shè)計(jì)

兩個(gè)部段的對接由3臺自動化支撐系統(tǒng)A、B、C配合完成，3臺自動化支撐系統(tǒng)共有19個(gè)驅(qū)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(gè)自動支撐系統(tǒng)A、B、C分別由5、5、9個(gè)驅(qū)動軸組成。設(shè)定：沿箱體軸線方向?yàn)閄向，垂直軸線水平的方向?yàn)閅向，垂直軸線升降的方向?yàn)閆向，沿X、Y、Z三軸的轉(zhuǎn)動為A、B、C向。各驅(qū)動軸的分布及作用如表1所示。

表1 驅(qū)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(zhuǎn)是靠兩個(gè)自動化支撐系統(tǒng)托架對Z軸和Y軸調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的，所以，部段Y軸Z軸的調(diào)節(jié)影響B(tài)軸和C軸的調(diào)節(jié)，若同時(shí)調(diào)節(jié)，會發(fā)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(tǒng)設(shè)計(jì)了如圖8所示的自由度調(diào)節(jié)順序。

圖8 各自由度調(diào)節(jié)順序Fig.8 Adjustment Sequence of Each Degree of Freedom

2.3 自動對接工藝流程設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)過程中，將其劃分成4個(gè)部分，分別為：對接準(zhǔn)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(shè)備啟動過程。

對接前準(zhǔn)備主要完成測量系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)初始化，為自動對接做好準(zhǔn)備。

b）部段吊裝及對界面基準(zhǔn)測量過程。

設(shè)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(zhuǎn)換。吊裝完成后，將兩部段調(diào)節(jié)進(jìn)入自動對接區(qū)域（對應(yīng)圖9中粗調(diào)過程），并檢查對接面狀態(tài)。狀態(tài)檢查合格后測量對接面基準(zhǔn)。

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(diào)至基準(zhǔn)面，與此同時(shí)，主動段（部段二）到達(dá)第1安全位置后停止。之后調(diào)節(jié)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(diǎn)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(shè)備關(guān)機(jī)、工裝撤收、部段轉(zhuǎn)移到停放工位等工作。

3 結(jié)束語

本文首次提出在大型運(yùn)載火箭對接過程中采用基于激光跟蹤測量、數(shù)字化精準(zhǔn)定位、多目標(biāo)集成控制方法的數(shù)字化對接裝備與工藝方法。經(jīng)過試驗(yàn)，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(shè)計(jì)要求。