柔性对接技术在运载器装配中的应用

刘东　李玉山　徐鹤洋　边宏伟

【摘 要】本文根据柔性对接系统总体方案，依照运载器柔性对接需求，对运载器自动对接系统进行了设计，将系统划分为不同功能模块，在此基础上，设计各个模块，进而实现柔性对接功能。

【关键词】柔性对接;总控系统;自动架车系统;测量系统

中图分类号： V526 文献标识码： A 文章編号： 2095-2457（2019）05-0057-002

0 引言

在运载器研制、试验阶段，为满足运载器总装、系统测试、环境试验等试验工作，需要开展多次舱段的对接与分离操作。目前，我国运载器大型部段对接与分离采用垂直状态吊装方式，该操作的安全与质量主要依靠工艺人员的工程经验与操作人员的个体技能水平，无法得到稳定保证。当前，运载器部段体积不断增大，对接操作难度逐步加大，旧有的吊装方法越来越难以满足舱段安全可靠对接的需求。结合运载器部段对接装配的具体需求，提出了基于并联调姿平台的运载器大型部段柔性对接技术。

1 柔性对接系统总体方案

部段自动对接系统实时检测部件对接过程中各定位点的位置数据，并自动调整各部件在空间中的位置与方向，实现部件之间的对接。激光跟踪定位系统测量装配后的部件的一些基准点，获得的测量数据经过处理单元处理后，直接反馈到系统计算机，工控机将实际装配位置和精确数学模型的位置展开比对，进而获取部件装配位置的修正值。部段自动对接系统见图1。

根据运载器柔性对接需求，对运载火箭自动对接系统进行设计，系统主要包括结构为：总控系统、自动架车系统、测量系统三部分，系统组成图如图2所示。

2 柔性对接系统功能实现

按照自动柔性对接系统结构，对各个系统的功能进行了划分，各系统的功能主要为：

（1）总控系统

总控系统是整个自动柔性对接系统的主控制系统，主要实现功能有：向用户提供友好的人机交互接口;接收测量系统的测量数据并处理，向各自动架车系统发出控制指令;提供情景展示系统实时情景显示、后期系统扩展的物理接口。

（2）自动架车系统

自动架车系统是自动柔性对接系统的执行机构，包括的结构有架车平台、手持控制器和架车控制系统，能够实现的主要功能有：带动部段实现X（前后）、Y（左右）、Z（上下）、α（滚转）、β（俯仰）、γ（方位）等六个自由度的运动;提供手持操作器，实现自动架车的半自动步进控制。

（3）测量系统

测量系统主要由激光跟踪仪和自动化测量系统，能够实现的主要功能有：测量部段的实时姿态变化，并输出X（前后）、Y（左右）、Z（上下）、α（滚转）、β（俯仰）、γ（方位）等六个自由度的姿态数据;测量数据反馈到总控系统中，总控系统根据测量数据控制架车。

各系统的功能框图见图3。

2.1 总控系统

部段自动对接系统包含了多套系统单机，因此其控制系统结构复杂，考虑到单机系统数量发生变化时，整个系统应具有很好的适应性与可扩展性。综合上述因素，部段自动对接系统采用基于客户端/服务器（C/S）模型的控制体系，整个系统包括服务器层与客户端层两个层次，其中总控系统作为整个系统的服务器，通过通信链路对客户端层的所有外设进行控制及数据采集，并提供良好的人机交互界面;客户端层包括运动执行机构（即对接架车）、测量反馈（测量系统）等，且可根据需要对客户端层的配置进行修改，整个系统具有良好的开放性。

总控系统基于Windows + RTX的软件平台进行研发，其中，Windows系统主要用于人机交互功能，该系统能够提供最为友好、丰富的软件界面资源; RTX是在Windows系统上扩展出的实时控制核心，主要用于实时采集测量系统的数据，算法控制以及向自动架车系统发出控制量。总体控制系统框架如图4所示。

总控系统采用Windows+RTX的软件平台可以共享一个硬件平台，两者之间通过共享内存进行数据交互。

2.2 自动架车系统

自动对接架车的本体主要功能是实现架车各个自由度的电动和手动模式运动。手持操作器实现架车的半自动对接的操作，报警指示灯主要实时监控架车的安全状态，保护罩主要实现架车主要元器件的安全、防尘保护，并达到一定的美观效果。在保护罩上的相关位置设计了可伸缩的波纹罩，主要分布在架车的顶面以及前后两面，便于后期的检测维修。

架车由机械结构框架、传动系统、动力系统组成，机械结构框架用于承载及保证负载在运动及对接过程中整体的刚性，传动系统通过蜗轮蜗杆、行星齿轮减速器及齿轮传动的方式实现力矩的传递及减速增力的效果，动力系统主要采用伺服电机提供整个系统的动力。

2.3 测量系统

为满足运载器总装对接测量实际需求，实现装配过程实时数据测量，为装配操作提供可靠的数据支持。自动对接系统的测量精度要求为≤200μm，控制运动轨迹精度≤250μm。根据调研，激光跟踪仪的测量精度可以到达100μm以内，而轨迹控制精度也主要取决于测量精度，使用激光跟踪仪能够将控制运动轨迹精度在200μm以内。

因此，自动化测量采用多路激光跟踪仪动态测量的方案，为装配过程提供实时测量数据，为实现自动化装配对接提供可靠的数据支撑。

测量系统示意图如图5所示。

3 结束语

运载器总装柔性自动对接技术的实施，彻底改变目前运载器总装主要依靠工艺人员和操作人员实践经验的局面，使得在数字化柔性装配技术基础上，对运载器部段装配实现精准控制，避免运载器总装过程出现人为因素导致的质量问题，从而极大地改善运载器总装工艺技术水平，提高运载器装配质量，增加总装过程的可靠性。

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