柔性對接技術(shù)在運載器裝配中的應用

劉東　李玉山　徐鶴洋　邊宏偉

【摘 要】本文根據(jù)柔性對接系統(tǒng)總體方案，依照運載器柔性對接需求，對運載器自動對接系統(tǒng)進行了設計，將系統(tǒng)劃分為不同功能模塊，在此基礎(chǔ)上，設計各個模塊，進而實現(xiàn)柔性對接功能。

【關(guān)鍵詞】柔性對接;總控系統(tǒng);自動架車系統(tǒng);測量系統(tǒng)

中圖分類號： V526 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）05-0057-002

0 引言

在運載器研制、試驗階段，為滿足運載器總裝、系統(tǒng)測試、環(huán)境試驗等試驗工作，需要開展多次艙段的對接與分離操作。目前，我國運載器大型部段對接與分離采用垂直狀態(tài)吊裝方式，該操作的安全與質(zhì)量主要依靠工藝人員的工程經(jīng)驗與操作人員的個體技能水平，無法得到穩(wěn)定保證。當前，運載器部段體積不斷增大，對接操作難度逐步加大，舊有的吊裝方法越來越難以滿足艙段安全可靠對接的需求。結(jié)合運載器部段對接裝配的具體需求，提出了基于并聯(lián)調(diào)姿平臺的運載器大型部段柔性對接技術(shù)。

1 柔性對接系統(tǒng)總體方案

部段自動對接系統(tǒng)實時檢測部件對接過程中各定位點的位置數(shù)據(jù)，并自動調(diào)整各部件在空間中的位置與方向，實現(xiàn)部件之間的對接。激光跟蹤定位系統(tǒng)測量裝配后的部件的一些基準點，獲得的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過處理單元處理后，直接反饋到系統(tǒng)計算機，工控機將實際裝配位置和精確數(shù)學模型的位置展開比對，進而獲取部件裝配位置的修正值。部段自動對接系統(tǒng)見圖1。

根據(jù)運載器柔性對接需求，對運載火箭自動對接系統(tǒng)進行設計，系統(tǒng)主要包括結(jié)構(gòu)為：總控系統(tǒng)、自動架車系統(tǒng)、測量系統(tǒng)三部分，系統(tǒng)組成圖如圖2所示。

2 柔性對接系統(tǒng)功能實現(xiàn)

按照自動柔性對接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對各個系統(tǒng)的功能進行了劃分，各系統(tǒng)的功能主要為：

（1）總控系統(tǒng)

總控系統(tǒng)是整個自動柔性對接系統(tǒng)的主控制系統(tǒng)，主要實現(xiàn)功能有：向用戶提供友好的人機交互接口;接收測量系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)并處理，向各自動架車系統(tǒng)發(fā)出控制指令;提供情景展示系統(tǒng)實時情景顯示、后期系統(tǒng)擴展的物理接口。

（2）自動架車系統(tǒng)

自動架車系統(tǒng)是自動柔性對接系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，包括的結(jié)構(gòu)有架車平臺、手持控制器和架車控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能有：帶動部段實現(xiàn)X（前后）、Y（左右）、Z（上下）、α（滾轉(zhuǎn)）、β（俯仰）、γ（方位）等六個自由度的運動;提供手持操作器，實現(xiàn)自動架車的半自動步進控制。

（3）測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)主要由激光跟蹤儀和自動化測量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能有：測量部段的實時姿態(tài)變化，并輸出X（前后）、Y（左右）、Z（上下）、α（滾轉(zhuǎn)）、β（俯仰）、γ（方位）等六個自由度的姿態(tài)數(shù)據(jù);測量數(shù)據(jù)反饋到總控系統(tǒng)中，總控系統(tǒng)根據(jù)測量數(shù)據(jù)控制架車。

各系統(tǒng)的功能框圖見圖3。

2.1 總控系統(tǒng)

部段自動對接系統(tǒng)包含了多套系統(tǒng)單機，因此其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，考慮到單機系統(tǒng)數(shù)量發(fā)生變化時，整個系統(tǒng)應具有很好的適應性與可擴展性。綜合上述因素，部段自動對接系統(tǒng)采用基于客戶端/服務器（C/S）模型的控制體系，整個系統(tǒng)包括服務器層與客戶端層兩個層次，其中總控系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的服務器，通過通信鏈路對客戶端層的所有外設進行控制及數(shù)據(jù)采集，并提供良好的人機交互界面;客戶端層包括運動執(zhí)行機構(gòu)（即對接架車）、測量反饋（測量系統(tǒng)）等，且可根據(jù)需要對客戶端層的配置進行修改，整個系統(tǒng)具有良好的開放性。

總控系統(tǒng)基于Windows + RTX的軟件平臺進行研發(fā)，其中，Windows系統(tǒng)主要用于人機交互功能，該系統(tǒng)能夠提供最為友好、豐富的軟件界面資源; RTX是在Windows系統(tǒng)上擴展出的實時控制核心，主要用于實時采集測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，算法控制以及向自動架車系統(tǒng)發(fā)出控制量?？傮w控制系統(tǒng)框架如圖4所示。

總控系統(tǒng)采用Windows+RTX的軟件平臺可以共享一個硬件平臺，兩者之間通過共享內(nèi)存進行數(shù)據(jù)交互。

2.2 自動架車系統(tǒng)

自動對接架車的本體主要功能是實現(xiàn)架車各個自由度的電動和手動模式運動。手持操作器實現(xiàn)架車的半自動對接的操作，報警指示燈主要實時監(jiān)控架車的安全狀態(tài)，保護罩主要實現(xiàn)架車主要元器件的安全、防塵保護，并達到一定的美觀效果。在保護罩上的相關(guān)位置設計了可伸縮的波紋罩，主要分布在架車的頂面以及前后兩面，便于后期的檢測維修。

架車由機械結(jié)構(gòu)框架、傳動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)組成，機械結(jié)構(gòu)框架用于承載及保證負載在運動及對接過程中整體的剛性，傳動系統(tǒng)通過蝸輪蝸桿、行星齒輪減速器及齒輪傳動的方式實現(xiàn)力矩的傳遞及減速增力的效果，動力系統(tǒng)主要采用伺服電機提供整個系統(tǒng)的動力。

2.3 測量系統(tǒng)

為滿足運載器總裝對接測量實際需求，實現(xiàn)裝配過程實時數(shù)據(jù)測量，為裝配操作提供可靠的數(shù)據(jù)支持。自動對接系統(tǒng)的測量精度要求為≤200μm，控制運動軌跡精度≤250μm。根據(jù)調(diào)研，激光跟蹤儀的測量精度可以到達100μm以內(nèi)，而軌跡控制精度也主要取決于測量精度，使用激光跟蹤儀能夠?qū)⒖刂七\動軌跡精度在200μm以內(nèi)。

因此，自動化測量采用多路激光跟蹤儀動態(tài)測量的方案，為裝配過程提供實時測量數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)自動化裝配對接提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

測量系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

3 結(jié)束語

運載器總裝柔性自動對接技術(shù)的實施，徹底改變目前運載器總裝主要依靠工藝人員和操作人員實踐經(jīng)驗的局面，使得在數(shù)字化柔性裝配技術(shù)基礎(chǔ)上，對運載器部段裝配實現(xiàn)精準控制，避免運載器總裝過程出現(xiàn)人為因素導致的質(zhì)量問題，從而極大地改善運載器總裝工藝技術(shù)水平，提高運載器裝配質(zhì)量，增加總裝過程的可靠性。

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