新一代大型運載火箭總裝數(shù)字化對接技術綜述

李 強，張志博，申定賢，孫 偉，李 萌

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

新一代大型運載火箭作為大推力運載工具，是“載人航天與探月工程”的重要組成部分，是空間站建設的重要基礎裝備。其芯級直徑由Ф3.35 m增大到Ф5 m，貯箱長度由現(xiàn)役火箭的11 m增大到21 m，隨著箭體直徑增大、長度增加，其結(jié)構(gòu)剛性更弱，在臥式總裝過程中，火箭各部段受結(jié)構(gòu)變形、重力變形等情況影響，總裝對接工作更加困難，對火箭總裝工作提出了更高的要求。

1 國內(nèi)、國外發(fā)展狀況

1.1 國內(nèi)發(fā)展狀況

近十年來，國內(nèi)大型設備制造業(yè)正逐步開始向數(shù)字化、自動化的先進制造技術方向發(fā)展，裝配方法也正朝著柔性自動化裝配技術發(fā)展。沈飛、西飛等幾大飛機制造廠已經(jīng)建成或正在建設柔性自動化裝配系統(tǒng)，配套的測量技術相對比較成熟，已經(jīng)應用到實際工程生產(chǎn)當中，代表了國內(nèi)大型設備制造裝配及測量的頂尖水平[1]。

沈飛采用組合式測量方法，測量系統(tǒng)由Indoor GPS測量系統(tǒng)和激光跟蹤儀測量系統(tǒng)構(gòu)成。柔性調(diào)整機構(gòu)基于POGO柱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。所有POGO柱和綜合控制臺相連，能夠通過綜合控制臺發(fā)送控制指令實現(xiàn)自動化調(diào)整。

在數(shù)字化定位測量方面，隨著部件體積的增大和裝配要求的提高，對配套的測量檢測系統(tǒng)提出了更高層次的要求，單一的數(shù)字化測量技術與系統(tǒng)已無法滿足整個裝配環(huán)節(jié)的需求，測量目的已從單純解決大部件對接問題發(fā)展到如何全面控制全過程裝配質(zhì)量等一系列問題[2]。在這方面，國內(nèi)的學者做了大量的相關工作。北京航空航天大學對測量驅(qū)動的飛機部件數(shù)字化對接系統(tǒng)實現(xiàn)技術進行了研究，提出并開發(fā)了部件數(shù)字化對接支持系統(tǒng)[3]，進而實現(xiàn)部件的快速精確自動對接。上海交通大學對基于數(shù)字化裝配偏差建模的飛機艙段對接定位方案進行了研究，采用確定性定位方法對相鄰部段對接面位置精度進行了分析，建立不同基準定位方案的裝配偏差分析模型和評價指數(shù)[4]，并在某機型中后機身和后機身艙段對接協(xié)調(diào)問題中進行了應用驗證。

北京航空制造工程研究所針對大部件對接的數(shù)控定位器技術進行了研究，總結(jié)設計、制造和裝配過程中遇到的技術難點，并提出了解決方法。

1.2 國外發(fā)展狀況

數(shù)字化裝配測試技術在當今航空制造領域的整體應用范圍更為全面，技術發(fā)展水平也更為先進。世界航空制造業(yè)發(fā)展近100年來，其制造技術的各專業(yè)領域均獲得了突飛猛進的發(fā)展，現(xiàn)代先進飛機裝配技術已經(jīng)完全不同于傳統(tǒng)的飛機裝配技術，它充分吸收和利用了現(xiàn)代高新科技，如計算機、軟件、數(shù)字化、激光跟蹤定位、自動化控制等技術，發(fā)展成無型架定位數(shù)字化裝配技術，即不用傳統(tǒng)的復雜型架來定位和夾緊零部件進行裝配工作。

近年來，以國際上空客和波音兩大民用飛機制造公司為代表的航空制造企業(yè)，大力發(fā)展數(shù)字化裝配技術，大量采用了數(shù)字化柔性裝配工裝。其中，波音737、747、777和空客A320、A340、A380等大型客機的裝配過程都能充分反映當前總裝測試技術的發(fā)展趨勢。空客公司在A380客機的裝配中提出了實現(xiàn)數(shù)字化裝配技術的三項關鍵技術，即自動裝配技術、先進定位技術和通用無定位件裝配技術。

2 大型運載火箭數(shù)字化對接技術

2.1 技術方案

大型運載火箭數(shù)字化對接技術采用“技術研究→設備研發(fā)→應用驗證→標準編制”的總體技術路線，重點突破大型運載火箭總裝數(shù)字化對接工藝與總體布局、部段總裝對接數(shù)字化位姿控制與變形分析、面向?qū)诱`差控制的多交點實時跟蹤測量、大型運載火箭總裝數(shù)字化對接集成控制方法等關鍵技術。研發(fā)大型運載火箭總裝數(shù)字化對接定位單元、大型運載火箭總裝數(shù)字化對接測量單元、大型運載火箭總裝數(shù)字化對接集成控制單元等裝備單元，形成大型運載火箭總裝數(shù)字化對接成套裝備，以新一代大型運載火箭為對象展開應用驗證，通過技術總結(jié)形成一套面向新一代大型運載火箭總裝數(shù)字化對接的技術規(guī)范。

2.2 大型運載火箭總裝數(shù)字化對接工藝與總體布局

大型運載火箭各部段尺寸相較以往產(chǎn)品更大，經(jīng)初步估算整套對接工位將占用1 000 cm2，為滿足數(shù)字化總裝與柔性化生產(chǎn)的要求，總裝廠房前期設計需充分考慮地基、布線、軌道安裝、吊運工具設計的特殊性。整個對接區(qū)域的規(guī)劃需以生產(chǎn)效率提升與產(chǎn)品質(zhì)量改進為導向，并兼顧與傳統(tǒng)工藝方法的兼容性。每一個箭體部段將對應一個底層控制單元和多個定位單元以實現(xiàn)該部段單獨調(diào)姿。每一個對接面對應一測量單元以實現(xiàn)在對接過程中對兩個對接部段實時位姿測量。為了提高對接效率、降低能源消耗，整個對接場地劃分為兩個對接區(qū)域，第一對接區(qū)域主要負責一級箭體部段對接，第二對接區(qū)域主要負責二級及以上箭體部分對接。每一對接區(qū)域配有一套主控制系統(tǒng)和一個主操作臺，用于自動對接時的多定位單元協(xié)同控制與人機交互操作。

2.3 部段總裝對接數(shù)字化位姿控制與變形協(xié)調(diào)

通過研究大型薄壁環(huán)的柔性定位工裝，根據(jù)工裝和對接工藝要求設計部段的六自由度調(diào)整結(jié)構(gòu)，研究面向?qū)庸に嚨奈蛔苏{(diào)整軌跡、多軸運動分配和低沖擊速度規(guī)劃方法，以及保證位姿調(diào)整精度的全閉環(huán)控制方法，實現(xiàn)對接部段高效、高精度、平穩(wěn)姿態(tài)調(diào)整。

火箭大部件屬于大型薄壁件，在自身重力和外壓力作用下會產(chǎn)生變形，使兩對接面的定位基準很難對正，成為火箭大部件對接裝配的瓶頸問題。如何評估火箭大部段的姿態(tài)成為解決上述問題的關鍵，目前評估大部件的位姿主要應用模型匹配。火箭大部件的外形特征主要是圓形端面和圓柱體，通過數(shù)據(jù)擬合評估大部件位姿變換及變形情況，基于多個特征點對大部段位姿進行描述和評估。

大部段的空間位姿調(diào)整由兩個數(shù)字化定位單元配合實現(xiàn)。各個定位單元的調(diào)整量由跟蹤測量系統(tǒng)得到，并通過軌跡規(guī)劃得到各個自由度的調(diào)整速度軌跡與加速度軌跡；仿真系統(tǒng)驗證軌跡規(guī)劃結(jié)果，最終得到最優(yōu)路徑。

2.4 面向?qū)诱`差控制的多交點實時跟蹤測量

面向?qū)诱`差控制的多點實時跟蹤測量單元開發(fā)是大型運載火箭總裝數(shù)字化對接技術的關鍵核心技術，其主要包含了測量關鍵技術的研究、測量系統(tǒng)的構(gòu)建及測量過程規(guī)劃與實施。首先構(gòu)建面向?qū)舆^程的全局測量場及測量基準，然后搭建多交點實時跟蹤測量系統(tǒng)，并對測量過程進行規(guī)劃與仿真，結(jié)合產(chǎn)品三維數(shù)模對實時測量數(shù)據(jù)進行重構(gòu)并分析對接誤差，最后，結(jié)合對接定位單元及集成控制系統(tǒng)對誤差數(shù)據(jù)進行后置處理與分解。

依據(jù)對接對象的尺寸、形狀、對接精度等信息，構(gòu)建以激光跟蹤儀數(shù)量及裝配測量范圍為目標的多目標優(yōu)化函數(shù)，按照對接階段劃分，對接過程移動式跟蹤測量的點位與時序規(guī)劃，形成全局測量場布局；在全局測量場規(guī)劃的基礎上，以激光跟蹤測量為主要測量手段建立面向運載火箭總裝數(shù)字化對接的測量系統(tǒng)；通過調(diào)姿數(shù)據(jù)不斷地向最終實際位姿逼近，最終完成火箭部段的對接，保證最終產(chǎn)品的對接精度。

2.5 多對接目標集成控制系統(tǒng)設計與開發(fā)

多對接目標集成控制系統(tǒng)應包括底層控制單元、主控制單元、主操作站、驅(qū)動部件、總線通訊等五大模塊，整個自動對接過程應分為多個步驟進行，如初始化對接狀態(tài)、自動對接動態(tài)執(zhí)行階段、姿態(tài)對準確認、完成箭體對接等。

為了保證對接過程的高度可靠性和安全性，將通過建立虛擬對接仿真系統(tǒng)，對對接過程進行全面監(jiān)控。在對接前，仿真系統(tǒng)會根據(jù)輸入的箭體模型和測量得到的當前箭體姿態(tài)，對整個對接過程進行仿真，對可能產(chǎn)生的碰撞干涉位置進行預警。在自動對接過程中，仿真系統(tǒng)會先于執(zhí)行系統(tǒng)對來自自動對接程序的運動指令進行虛擬仿真，在仿真通過后才會送到執(zhí)行部件完成實際的姿態(tài)調(diào)整運動。

3 結(jié)論

新一代大型運載火箭總裝數(shù)字化對接技術的實現(xiàn)可以產(chǎn)生較大的經(jīng)濟和社會效益，具體表現(xiàn)在以下兩個方面：①提高型號裝配生產(chǎn)效率。大型運載火箭總裝數(shù)字化對接技術的應用實施，將實現(xiàn)大型運載火箭總裝過程中數(shù)字化裝配技術的規(guī)范化、程序化、指令化、自動化，減少了專用傳統(tǒng)裝配、定位、檢驗等工具，減少了大量的人工操作過程，降低了工人勞動強度。與目前裝配對接方式比較，將有效提高生產(chǎn)效率。②提高產(chǎn)品裝配質(zhì)量。大型運載火箭總裝數(shù)字化對接技術的應用實施，可使傳統(tǒng)裝配過程中的不確定因素和裝配過程之間的相互影響得到很好檢測與控制。測量精度、定位精度、對接精度較之前有較大的提升，我國運載火箭的裝配精度將得到極大提升，從而全面提高運載火箭產(chǎn)品裝配質(zhì)量。