集多余物檢查與質(zhì)心測量于一體的火箭級段柔性總對接數(shù)字化裝配設(shè)備方案設(shè)計(jì)研究

庹福幸，豐 飛，唐麗娜，郭立杰，方紅根

（上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245）

集多余物檢查與質(zhì)心測量于一體的火箭級段柔性總對接數(shù)字化裝配設(shè)備方案設(shè)計(jì)研究

庹福幸，豐 飛，唐麗娜，郭立杰，方紅根

（上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245）

運(yùn)載火箭作為衛(wèi)星及其他航天飛行器的主要運(yùn)載工具，其制造和裝配水平反映了一個(gè)國家的航天技術(shù)實(shí)力。因此以運(yùn)載火箭總裝需求為前提，開展基于iGPS測量系統(tǒng)的運(yùn)載火箭總對接裝配系統(tǒng)的研究工作，并針對系統(tǒng)的調(diào)姿設(shè)備提出多種設(shè)計(jì)方案，并對各種方案在完成詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行性能論證和分析工作，從而確定三自由度球鉸定位器調(diào)姿設(shè)備作為運(yùn)載火箭總對接裝配設(shè)備方案。該方案將調(diào)姿系統(tǒng)、質(zhì)心測量和多余物檢查集成于一體，通過一次吊裝即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭整體的調(diào)姿和對接裝配、多余物檢查以及質(zhì)心測量等火箭總組裝需求。

火箭總裝；柔性裝配；數(shù)字化裝配；多余物檢查；質(zhì)心測量

0　引言

運(yùn)載火箭總裝是一個(gè)復(fù)雜的裝配過程，級段裝配是火箭總裝中的重要組成部分。多級火箭級段裝配主要包括：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與過渡段的對接、氧化劑箱與箱間段對接、尾段與過渡段對接、級間段與燃料箱對接、組合體對接等總裝工作[1,2]。

隨著技術(shù)的發(fā)展，船舶、飛機(jī)等行業(yè)已廣泛利用大尺寸測量系統(tǒng)來指導(dǎo)大部件的對接裝配，特別是在航空領(lǐng)域，由大尺寸測量系統(tǒng)、調(diào)姿系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)構(gòu)成的自動(dòng)對接裝配系統(tǒng)已大大提高了飛機(jī)的裝配效率和質(zhì)量[3～5]。在航天領(lǐng)域，大型空間飛行器裝配的測量主要是依賴激光跟蹤儀等測量手段，大部件的對接裝配也主要以手工和經(jīng)驗(yàn)為主。因此，急需針對運(yùn)載火箭的總裝特點(diǎn)，研制柔性化程度高的數(shù)字化總裝設(shè)備，從而提高火箭總裝的效率和質(zhì)量，保證運(yùn)載火箭產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。

1　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1國外運(yùn)載火箭總裝技術(shù)現(xiàn)狀

目前國際上以美國和俄羅斯的航天技術(shù)最為先進(jìn)，其火箭總裝已采用了先進(jìn)的自動(dòng)化柔性裝配技術(shù)。

美國是世界航天強(qiáng)國，自動(dòng)化裝配技術(shù)已經(jīng)在火箭總裝中得到了廣泛的應(yīng)用。

圖1　SpaceX公司Falcon9火箭裝配

圖1是美國SpaceX公司火箭總裝圖，火箭的各級筒段置于伺服調(diào)姿架車上，由多臺激光跟蹤儀測量系統(tǒng)形成對接過程的閉環(huán)控制，輔助總裝的對接工作[2]。

俄羅斯火箭裝配技術(shù)與美國相比仍有一定差距。圖2為聯(lián)盟號火箭的裝配方式，在局部采用了一些自動(dòng)化裝配手段，依然以手工裝配為主。

目前，大部件柔性自動(dòng)對接技術(shù)主要集中在航空領(lǐng)域。飛機(jī)總裝工作中主要對接任務(wù)包括機(jī)身段對接、翼身對接和尾翼對接[6]。世界領(lǐng)先的飛機(jī)公司目前大量采用自動(dòng)對接系統(tǒng)代替大型的固定對接平臺，如波音公司研制的737、777、787、C-17機(jī)型、洛克希德公司研制的F-35聯(lián)合攻擊機(jī)、空客A380、A400機(jī)型的大裝配件的裝配都采用了這些技術(shù)及裝備[7～9]。

圖2　俄羅斯聯(lián)盟號火箭裝配

1.2國內(nèi)運(yùn)載火箭總裝技術(shù)現(xiàn)狀

國內(nèi)運(yùn)載火箭均采用手工裝配，操作人員操縱桁車調(diào)整火箭箭體姿態(tài)，在對接過程中操作人員目測對接面的安裝螺孔是否對齊，如沒有對齊，則需發(fā)口令指揮桁車司機(jī)和地面人員繼續(xù)調(diào)整，整個(gè)過程完全由工人的經(jīng)驗(yàn)來執(zhí)行，很難保證兩個(gè)平面的完整配合和螺孔的對齊，因此需經(jīng)常采用撬棍等輔助工具來完成整個(gè)螺栓的安裝如圖3所示。

圖3　運(yùn)載火箭箭體對接裝配

由此可見，目前國內(nèi)運(yùn)載火箭總裝對接主要存在以下問題：

1）箭體變形：運(yùn)載火箭屬于薄壁筒件，容易引起部段變形、且部段變形難以檢測。

2）箭體對接：(1)兩對接面緊固件安裝孔不易對中；(2)對接面間隙、姿態(tài)角等至少需4人目測，容易出現(xiàn)誤差。

3）調(diào)姿困難：人工調(diào)整費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，無法統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，影響總裝對接精度和效率。

2　調(diào)姿裝備方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)火箭級段的準(zhǔn)確對接，需要準(zhǔn)確測量得到兩個(gè)對接火箭級段之間的位姿關(guān)系，初步考慮通過測量安裝在每個(gè)火箭級段上的6個(gè)接受器的空間坐標(biāo)，進(jìn)而得到每個(gè)火箭級段的軸線，從而得到兩個(gè)火箭級段的位姿關(guān)系，通過調(diào)姿設(shè)備使得兩個(gè)火箭級段的位姿誤差滿足級段對接要求。

艙段對接的iGPS初步測量方案如圖4所示。

圖4　iGPS初步測量方案

2.1多余物檢查環(huán)節(jié)分離架車方案

2.1.1總體支撐方案

每個(gè)子級級段采用結(jié)構(gòu)完全相同的兩個(gè)架車作為支撐。其基本支撐方式如圖5所示。每個(gè)火箭級段支撐的架車相同。

圖5　多余物檢查環(huán)節(jié)方案

2.1.2多余物檢查環(huán)節(jié)分離架車方案

多余物檢查環(huán)節(jié)分離架車方案主要是考慮到多余物檢查環(huán)節(jié)對架車的高度參數(shù)有較大的影響，因此，將多余物環(huán)節(jié)與調(diào)姿架車分離，由串聯(lián)疊加的方式改為并聯(lián)的兩套系統(tǒng)。其基本原理如下：調(diào)姿操作時(shí)，首先通過調(diào)姿架車的升降機(jī)構(gòu)將火箭級段推離多余物檢查環(huán)節(jié)一定高度，并將火箭級段的外固定環(huán)與調(diào)姿架車實(shí)現(xiàn)機(jī)械固定連接，然后進(jìn)行調(diào)姿操作；當(dāng)調(diào)姿操作完成實(shí)現(xiàn)火箭級段的對接裝配之后，拆除機(jī)械固定連接，升降機(jī)構(gòu)下降，實(shí)現(xiàn)火箭級段與多余物檢查環(huán)節(jié)摩擦輪的可靠接觸，并與調(diào)姿架車的調(diào)姿環(huán)節(jié)分離，最后完成多余物檢查操作。多余物檢查分離環(huán)節(jié)架車的方案設(shè)計(jì)如圖6所示。

2.2繩索式并聯(lián)機(jī)構(gòu)方案

繩索式并聯(lián)機(jī)構(gòu)方案主要是基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的衍生機(jī)構(gòu)，采用6根鋼絲繩懸掛的方式，通過協(xié)調(diào)控制調(diào)整6根鋼絲繩的長度，從而實(shí)現(xiàn)對火箭級段的調(diào)整。繩索牽引式并聯(lián)機(jī)構(gòu)是目前國內(nèi)外并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)[10～12]。

該方案基本組成如圖7所示。其基本工作原理如下：火箭級段對接裝配操作時(shí)，通過懸掛系統(tǒng)將火箭級段吊離架車，從而通過控制6根鋼絲繩的長度，實(shí)現(xiàn)火箭級段的位姿調(diào)整，并完成對接裝配；多余物檢查和稱重時(shí)，通過懸掛系統(tǒng)將對接完成后的一子級整體放到多余物檢查和稱重一體化架車上，然后將懸掛鋼絲繩從外包環(huán)上的懸掛點(diǎn)處解除，然后進(jìn)行多余物檢查和稱重操作。

圖6　多余物檢查環(huán)節(jié)分離架車方案

圖7　繩索并聯(lián)機(jī)構(gòu)方案

2.3三自由度球鉸定位器方案

三自由度球鉸定位器方案基本組成如圖8所示。包括四個(gè)定位器，定位器1和定位器2為一組，定位器3和定位器4為一組，每個(gè)定位器都具有X、Y、Z方向自由度，定位器（1）、定位器（2）、定位器（3）和定位器（4）的主動(dòng)自由度分別為3（OX、OY、OZ）、1（OX、OZ）、1（OZ）、2（OY、OZ），定位器的其余自由度的運(yùn)動(dòng)均為被動(dòng)跟隨運(yùn)動(dòng)。架車主體具備火箭級段的稱重和多余物檢查驅(qū)動(dòng)。

圖8　三自由度球鉸定位方案

火箭級段各軸的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式主要通過4個(gè)定位器協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

3　定型方案設(shè)計(jì)

3.1三自由度球鉸定位器方案總體組成調(diào)姿原理

根據(jù)高度等重要參數(shù)對比以及系統(tǒng)的可靠性等綜合指標(biāo)最終選擇三自由度球鉸定位器方案作為最終的火箭級段對接裝配方案。

該方案采用調(diào)姿機(jī)構(gòu)與稱重機(jī)構(gòu)以及多余物檢查環(huán)節(jié)分離的方案。此外，為了保證與現(xiàn)有架車高度一致，在設(shè)計(jì)時(shí)，先確定架車高度，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而保證架車的高度。三自由度球鉸定位器方案如圖9所示。

圖9　調(diào)姿設(shè)備系統(tǒng)組成

為了實(shí)現(xiàn)調(diào)姿對接，單個(gè)火箭級段采用4個(gè)定位器支撐的方式，整個(gè)級段調(diào)姿系統(tǒng)的自由度布局采用3-2-2-1的布置方式。

通過協(xié)調(diào)控制算法控制4個(gè)定位器實(shí)現(xiàn)級段6個(gè)自由度方向的位姿調(diào)正，滿足火箭級段之間的裝備對接要求。

3.2三自由度球鉸定位器調(diào)姿方案架車及定位器設(shè)計(jì)

圖10　三自由度球鉸定位器架車設(shè)計(jì)

三自由度球鉸架車的基本組成如圖10所示。主要包括了OX方向（前后）、OY方向（左右）、OZ方向（上下升降）、Roll轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)節(jié)等四個(gè)主動(dòng)自由度以及Pitch和Yaw等兩個(gè)被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，此外增加了一個(gè)多余物檢查環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)自由度。

3.3多余物檢查環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

多余物檢查環(huán)節(jié)采用摩擦輪傳動(dòng)的方式，為了提高多余物檢查的穩(wěn)定性和可靠性，采用雙驅(qū)動(dòng)的方式，即在火箭級段兩段均有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的多余物檢查系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)火箭筒段轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性。多余物檢查環(huán)節(jié)的布局如圖10所示。

3.4質(zhì)心測量環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

質(zhì)心測量與多余物檢查環(huán)節(jié)采用一體化設(shè)計(jì)的方式。多余物檢查環(huán)節(jié)的驅(qū)動(dòng)摩擦輪環(huán)節(jié)采用獨(dú)立模塊化設(shè)計(jì)，與架車主橫梁體之間采用直線導(dǎo)軌連接，可實(shí)現(xiàn)多余物檢查驅(qū)動(dòng)摩擦輪模塊相對主體橫梁的上下運(yùn)動(dòng)。質(zhì)心測量采用四點(diǎn)法質(zhì)心測量的方式，通過四個(gè)壓力傳感器的測量數(shù)值，結(jié)合四個(gè)壓力傳感器的位置關(guān)系，從而可以計(jì)算得到火箭級段的質(zhì)心位置。由于每個(gè)架車上安裝有兩個(gè)壓力傳感器，如圖11所示，因此，火箭級段的質(zhì)心測量必須通過兩個(gè)三自由度球鉸定位器架車才能實(shí)現(xiàn)。

圖11　質(zhì)心測量環(huán)節(jié)組成

4　定型方案校核分析

為了接近實(shí)際工作狀態(tài)，進(jìn)行架車的整體支撐結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析。分析結(jié)果如圖12所示。從分析結(jié)果可以看出，最大應(yīng)力為架車輪軌處的局部應(yīng)力集中的地方，約為35.35Mpa，最大變形發(fā)生支撐筒段的中間位置。架車球鉸基座的變形介于0.1mm～0.4mm之間，OX和OY向?qū)к墐啥说淖冃尾罴s為0.1mm～0.2mm。強(qiáng)度和變形均滿足使用要求。

圖12　整體校核分析結(jié)果

5　結(jié)論

本文以運(yùn)載火箭總裝需求為前提，開展了基于iGPS測量系統(tǒng)的運(yùn)載火箭總對接裝配系統(tǒng)的研究工作，并針對系統(tǒng)的調(diào)姿設(shè)備提出了多種設(shè)計(jì)方案，并對各種方案在完成詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了性能論證和分析工作，從而確定了三自由度球鉸定位器調(diào)姿設(shè)備作為運(yùn)載火箭總對接裝配設(shè)備方案。

該火箭級段總裝設(shè)備具有高度低、系統(tǒng)調(diào)姿靈活、剛度高、柔性大、自動(dòng)化程度高和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，能顯著提升運(yùn)載火箭總裝的效率、質(zhì)量和可靠性，促進(jìn)我國航天制造業(yè)的數(shù)字化、柔性化的發(fā)展水平。

[1] 劉欣,王國慶,李曙光,劉琦.重型運(yùn)載火箭關(guān)鍵制造技術(shù)發(fā)展展望[J].航天制造技術(shù),2013,2(1):1-6.

[2] 首都航天科技公司工藝技術(shù)處.大力發(fā)展運(yùn)載火箭制造技術(shù)[J].航天工業(yè)管理,2010,(9):15-17.

[3] 王亮,李東升,張俐,郭洪杰.數(shù)字化測量技術(shù)及系統(tǒng)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2011,(21):72-75.

[4] 李瀧杲,黃翔,方偉,陳磊.飛機(jī)裝配中的數(shù)字化測量系統(tǒng)[J].航空制造技術(shù),2010,(23):46-59.

[5] 郭洪杰.飛機(jī)數(shù)字化柔性裝配生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)[J].航空制造技術(shù),2011,(17):41-43.

[6] 應(yīng)征.飛機(jī)部件數(shù)字化調(diào)姿過程建模與仿真關(guān)鍵技術(shù)研究[D].浙江:浙江大學(xué),2012:4-16.

[7] Vogel G. Flying the Airbus A380[M]. Marlborough: Crowood Press, 2009.

[8] 皮埃斯.斯帕克.空中客車-一個(gè)真實(shí)的故事[M].北京:航空工業(yè)出版社.

[9] 于用,陶劍,范玉青.波音787飛機(jī)裝配技術(shù)及其裝配過程[J].航空制造技術(shù),2009,(14):44-47.

[10] 鄭亞青,劉雄偉.繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究概況與發(fā)展趨勢[J].中國機(jī)械工程,2003,14(9):94-96.

[11] BEHZASIPOUR S,KHAJEPOUR A. Stiffness of cable-based parallel manipulators with application to stability analysis[J]. Journal of Mechanical Design,2006,128(6):303-310.

[12] YAO Rui,TANG Xiaoqiang,WANG Jinsong,et al. Dimensional optimization design of the four-cable-drivenparallel manipulator in FAST[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2010,15(6):932-941.

Research on the design schemes of the flexible and digital assembly device integrated with the capabiliaty of residual matter checking and the measuring of the center of mass for the launch Vehicle

TUO Fu-xing, FENG Fei, TANG Li-na, GUO Li-jie, FANG Hong-gen

V465

A

1009-0134(2016)02-0111-04

2015-10-08

中國航天科技集團(tuán)重大工藝項(xiàng)目：運(yùn)載火箭筒體構(gòu)件柔性對接裝配技術(shù)及系統(tǒng)研究（ZDGY2014-39）

庹福幸（1985 -），男，工程師，工學(xué)碩士，主要從事航天特種工藝裝備設(shè)計(jì)。