激光跟蹤儀在上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)總裝后精度測(cè)量中的應(yīng)用

楊傳成 張 斌 楊自鵬 王 東 顧晨明 崔 雷

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激光跟蹤儀在上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)總裝后精度測(cè)量中的應(yīng)用

楊傳成1張 斌1楊自鵬2王 東1顧晨明1崔 雷1

（1.首都航天機(jī)械公司，北京 100076；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

介紹了激光跟蹤儀的測(cè)量原理，提出了一種基于激光跟蹤儀測(cè)量上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)總裝精度測(cè)量方案和測(cè)量方法，闡述了測(cè)量過(guò)程中測(cè)量點(diǎn)布局、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了其可行性，測(cè)量數(shù)據(jù)滿足了技術(shù)指標(biāo)要求，提高了上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)總裝質(zhì)量可靠性。

上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)；總裝；激光跟蹤儀；精度測(cè)量；可靠性

1 引言

上面級(jí)是在基礎(chǔ)級(jí)火箭上增加的相對(duì)獨(dú)立的一級(jí)（或多級(jí)），有較強(qiáng)的任務(wù)適應(yīng)性，具有多次起動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間工作、自主飛行等特點(diǎn)，具備多星發(fā)射和軌道機(jī)動(dòng)、軌道部署能力，是提高火箭性能和任務(wù)適應(yīng)能力的有效途徑。

上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配各精度指標(biāo)直接影響上面級(jí)姿態(tài)控制與動(dòng)力系統(tǒng)性能，甚至關(guān)系整個(gè)衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)的成功與否。在上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)與儀器艙對(duì)接裝配過(guò)程中，不僅受到其安裝平面加工精度的影響，還要受到發(fā)動(dòng)機(jī)裝配精度影響，造成發(fā)動(dòng)機(jī)與安裝面對(duì)接后在理論上兩軸線之間偏斜和偏移。目前型號(hào)研制中，在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配后精度測(cè)量上還沒(méi)有借鑒的檢測(cè)方法，一般直接安裝后不再進(jìn)行測(cè)量和調(diào)整。而設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配精度提出了較高的要求，其中發(fā)動(dòng)機(jī)裝配軸線偏移量和噴管軸線的偏斜量是發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中至關(guān)重要的測(cè)量參數(shù)，依據(jù)測(cè)量參數(shù)結(jié)果可以確定是否對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。因此，本文著重從上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配后精度測(cè)量為出發(fā)點(diǎn)，采用激光跟蹤儀，研究了上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配精度測(cè)量的方法，為發(fā)動(dòng)機(jī)裝配后的精度提供一套準(zhǔn)確、詳實(shí)的測(cè)量方法和數(shù)據(jù)。

2 激光跟蹤儀測(cè)量原理

激光跟蹤儀是一種高精度、便攜式三維坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備，激光跟蹤儀發(fā)射出激光束，光束經(jīng)靶標(biāo)球反射回到激光頭[1]。激光跟蹤儀的測(cè)量原理是以極坐標(biāo)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體空間三維坐標(biāo)的測(cè)量，以激光收發(fā)器的回轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立空間測(cè)量坐標(biāo)系[2]。如圖1 所示，測(cè)量被測(cè)對(duì)象時(shí)，將激光測(cè)量靶標(biāo)球放置于被測(cè)對(duì)象點(diǎn)處，激光收發(fā)器發(fā)射、接收靶標(biāo)球激光信號(hào)，測(cè)得與軸之的間水平角，與軸之間的垂直角，以及由激光收發(fā)器中心到被測(cè)對(duì)象點(diǎn)的距離，由式（1）可得出被測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)（,,）。

圖1 激光跟蹤儀測(cè)量原理

3 上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配精度測(cè)量

根據(jù)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程及裝配精度測(cè)量要求， 制定了其裝配精度測(cè)量總體方案和流程。見(jiàn)圖2。

圖2 上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)精度測(cè)量流程圖

3.1 上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配

使用可升降調(diào)整工裝將發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)接面緩慢貼合，確保兩對(duì)接面完全貼合，對(duì)接螺栓孔對(duì)正。對(duì)接采用4個(gè)螺栓和4個(gè)墊片連接緊固，并將4個(gè)對(duì)接螺栓均勻分10N·m、22N·m、33N·m三級(jí)施加力矩。在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中采用在發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)接面處增加安裝合適厚度調(diào)整墊片進(jìn)行調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)裝配精度。

3.2 測(cè)量點(diǎn)布局

圖3 精度測(cè)量系統(tǒng)總體布局圖

根據(jù)本測(cè)量對(duì)象的結(jié)構(gòu)特征，外形最大直徑達(dá)到3m，且圓周方向有多個(gè)零部組件可能在測(cè)量過(guò)程中形成障礙物，在測(cè)量過(guò)程中靠1臺(tái)激光跟蹤儀不能保證激光束的連續(xù)性，無(wú)法連續(xù)進(jìn)行。因此，本測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量點(diǎn)布局采用兩臺(tái)激光跟蹤儀1和激光跟蹤儀2進(jìn)行測(cè)量，避免了一臺(tái)激光跟蹤儀測(cè)量因?yàn)檗D(zhuǎn)站問(wèn)題帶來(lái)測(cè)量誤差。發(fā)動(dòng)機(jī)精測(cè)測(cè)量總體布局見(jiàn)圖3。

3.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)精測(cè)點(diǎn)

在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配完成后，由于發(fā)動(dòng)機(jī)噴管在交付前已進(jìn)行圓度和直線度的測(cè)量，滿足設(shè)計(jì)要求，所以該噴管底端外圓面、中段與喉部交接外圓面可以作為采集坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)象。以發(fā)動(dòng)機(jī)噴管底端面的外圓面作為測(cè)量目標(biāo)，將該外圓面上采集1～8共8個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，以喉部交接外圓面采集′1～′8共8個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，目標(biāo)點(diǎn)選擇盡量均布。使用激光跟蹤儀自帶靶標(biāo)球水平面緊貼于發(fā)動(dòng)機(jī)噴管底端面，垂直面緊貼于噴管底端面外圓面。測(cè)量噴管底端面外圓上8個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，測(cè)量喉部交接外圓面8個(gè)目標(biāo)點(diǎn)后，擬合出噴管外圓、喉部交接外圓面截面圓、圓心坐標(biāo)，將兩圓心之間的連線作為被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝軸線，如圖3所示。

3.2.2 產(chǎn)品基準(zhǔn)面精測(cè)點(diǎn)

根據(jù)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝面的結(jié)構(gòu)特征，與儀器艙對(duì)接形成一個(gè)整體后，儀器艙下端低沖擊分離裝置安裝面為基準(zhǔn)面，在選擇測(cè)量點(diǎn)時(shí)以8個(gè)分離螺栓安裝孔的中心線為軸線，將該端面一周上采集18共8個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，使用激光跟蹤儀自帶靶標(biāo)球置于儀器艙下端面安裝孔處。測(cè)量?jī)x器艙下端面上8個(gè)目標(biāo)點(diǎn)后，擬合出儀器艙下端面截面圓、圓心坐標(biāo)和截面圓方向的中心軸線，如圖3所示。

3.2.3 公共基準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)

利用激光跟蹤儀自帶靶標(biāo)球在裝配后發(fā)動(dòng)機(jī)停放位置周?chē)秸孛嫔嫌蓽y(cè)量人員自行設(shè)定8 個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，如圖3中1～8點(diǎn)。作為將發(fā)動(dòng)機(jī)底端外圓面、發(fā)動(dòng)機(jī)喉部外圓、儀器艙下端基準(zhǔn)面采集參數(shù)與公共點(diǎn)采集參數(shù)三者之間建立一種坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

3.3 測(cè)量點(diǎn)測(cè)量

用激光跟蹤儀激光頭、靶標(biāo)球?qū)?zhǔn)以上3個(gè)坐標(biāo)系下的各個(gè)測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)，分別記錄并采集1～8點(diǎn)、′1～8點(diǎn)、1～8點(diǎn)、1～8點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)（1，1，1），（2，2，2）……（x，y，z）。

3.4 測(cè)量坐標(biāo)系建立

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)精度測(cè)量工藝方案分析，將測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系建立為3個(gè)坐標(biāo)系：激光跟蹤儀坐標(biāo)系；公共基準(zhǔn)坐標(biāo)系；被測(cè)產(chǎn)品坐標(biāo)系。

3.4.1 激光跟蹤儀坐標(biāo)系

由于測(cè)量結(jié)構(gòu)件外形尺寸較大，干涉物較多，根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量點(diǎn)的總體布局，在測(cè)量過(guò)程中采用兩臺(tái)激光跟蹤儀進(jìn)行測(cè)量，并建立坐標(biāo)系。激光跟蹤儀1的儀器坐標(biāo)系為1-111，激光跟蹤儀2的儀器坐標(biāo)系為2-222。

3.4.2 公共基準(zhǔn)坐標(biāo)系

本測(cè)量系統(tǒng)中共選用8個(gè)公共基準(zhǔn)點(diǎn)1～8點(diǎn)構(gòu)建公共基準(zhǔn)坐標(biāo)系，首先測(cè)量8個(gè)公共點(diǎn)，測(cè)得激光跟蹤儀1，激光跟蹤儀2坐標(biāo)系下測(cè)得的公共點(diǎn)坐標(biāo)系序列分別為1=（x，y，z），2=（′，′，′），1，2，3，4。激光跟蹤儀1坐標(biāo)系擬合到激光跟蹤儀2坐標(biāo)系下時(shí)，各點(diǎn)坐標(biāo)系之間平移量矢量（0i，0i，0i）；、、分別為激光跟蹤儀2的坐標(biāo)系各點(diǎn)軸、軸、軸在激光跟蹤儀1的坐標(biāo)系中的旋轉(zhuǎn)參數(shù)；坐標(biāo)系各軸之間旋轉(zhuǎn)參數(shù)為矩陣[3，4]。

則激光跟蹤儀2與激光跟蹤儀1坐標(biāo)系之間的關(guān)系為式（2）。

3.4.3 被測(cè)產(chǎn)品坐標(biāo)系

被測(cè)產(chǎn)品坐標(biāo)系是通過(guò)兩臺(tái)激光跟蹤儀分別在發(fā)動(dòng)機(jī)下端面外圓1～8點(diǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)喉部交接外圓面′1～′8點(diǎn)，儀器艙基準(zhǔn)面1～8點(diǎn)測(cè)得建立的各點(diǎn)坐標(biāo)系。測(cè)得產(chǎn)品坐標(biāo)系后分別在公共基準(zhǔn)坐標(biāo)系下進(jìn)行各坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，即最終反映上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝后相對(duì)于儀器艙基準(zhǔn)面上安裝精度情況。

3.5 精度測(cè)量數(shù)據(jù)判定

根據(jù)3個(gè)坐標(biāo)系的建立與轉(zhuǎn)換，可以得出發(fā)動(dòng)機(jī)安裝后測(cè)量點(diǎn)擬合截面圓的中心軸線與儀器艙安裝基準(zhǔn)面測(cè)得各點(diǎn)擬合圓中心軸線之間的偏斜量，和軸線偏移量，若在測(cè)量后測(cè)量值不能滿足設(shè)計(jì)要求，則可通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝面增加合適厚度的墊片進(jìn)行調(diào)整后重新測(cè)量，直到滿足技術(shù)指標(biāo)要求。以某發(fā)次上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配精度測(cè)量為實(shí)例，按圖3測(cè)得在公共坐標(biāo)系下發(fā)動(dòng)機(jī)噴管下端面外圓部位的8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)喉部交接外圓面的8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，以及儀器艙基準(zhǔn)面8個(gè)測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

對(duì)各坐標(biāo)系下測(cè)量數(shù)據(jù)在公共坐標(biāo)系下進(jìn)行擬合和分析，得出發(fā)動(dòng)機(jī)噴管下端面外圓擬合圓圓心坐標(biāo)為1(-1.456，-2.640，-950.364)，發(fā)動(dòng)機(jī)喉部交接外圓擬合圓圓心坐標(biāo)為2(-0.814，-0.752，-438.973)，1～2之間的連線即為發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在安裝面后的軸線。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)安裝面是以儀器艙下端面為基準(zhǔn)面，所以在公共基準(zhǔn)坐標(biāo)系下設(shè)定安裝基準(zhǔn)面坐標(biāo)（0，0，0），可將1～2軸線投影到空間坐標(biāo)各基準(zhǔn)面上。

所以，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝后相對(duì)于安裝基準(zhǔn)面坐標(biāo)軸的偏移量為公式（3）和偏斜量為公式（4）。

得出相對(duì)于軸的偏移量為-0.27mm，相對(duì)于軸的偏移量為0.86mm，相對(duì)于軸的偏斜量為0.223°。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配精度測(cè)量結(jié)果圖

通過(guò)10次的重復(fù)性測(cè)量，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配精度測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，從測(cè)量結(jié)果可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配后相對(duì)于安裝面的偏斜量均小于0.5°，、軸線偏移量均小于2mm，且測(cè)量數(shù)據(jù)跳動(dòng)較小，滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)裝配精度技術(shù)指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著航天產(chǎn)品對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配精度要求越來(lái)越高，激光跟蹤儀在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配后的精度測(cè)量中，以其高效率、高精度特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。針對(duì)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、測(cè)量任務(wù)需求分析，結(jié)合工程實(shí)踐，通過(guò)制定專用的發(fā)動(dòng)機(jī)總裝后的精度測(cè)量方案和測(cè)量方法，獲得了精準(zhǔn)的精度測(cè)量參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配后的精度量化，指導(dǎo)了其裝配調(diào)整目標(biāo)，保證了上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配后的質(zhì)量可靠性。

1 郭潔瑛，劉笑，王偉.激光跟蹤儀水平與垂直角對(duì)測(cè)量精度影響的試驗(yàn)研究[J]. 航天器環(huán)境工程，2010，27(5)：643～645

2 王彥喜，閔俊，劉剛. 激光跟蹤儀在飛機(jī)型架裝配中的應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù)，2010，19：92～97

3 王孝坤. 利用激光跟蹤儀測(cè)量超長(zhǎng)導(dǎo)軌直線度的方法[J]. 應(yīng)用光學(xué)，2013，34(4)：686～689

4 張春富，唐文彥，李慧鵬，等. 激光跟蹤儀在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力線測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 固體火箭技術(shù)，2007，30(6)：548～551

Application of Laser Tracker to Accuracy Measurement after Assembling Engine of Upper Stage

Yang Chuancheng1Zhang Bin1Yang Zipeng2Wang Dong1Gu Chenming1Cui Lei1

(1. Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076; 2. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076)

The measurement principle of laser tracker was introduced, moreover the scheme and the method of the accuracy measurement for assembling the engine of the upper stage were put forward on the basis of the laser tracker. Then the measurement point layout and the transformation method of the coordinate systems in the measurement were explained. At last, the feasibility of the method was verified by the practical application. The measured data met the technical requirements, and the quality reliability of assembling the engine of the upper stage was improved.

engine of upper stage；assembly；laser tracker；accuracy measurement；quality reliability

楊傳成（1984），碩士，機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)；研究方向：運(yùn)載火箭及導(dǎo)彈武器總裝技術(shù)。

2017-09-27