面向航天器微低重力仿真的大型超平支撐平臺精密裝配技術(shù)研究

許 波，趙超澤，張 佶，王立桐，李 博，趙寶山

（1.天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津 300458；2.天津市宇航智能裝備技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗室，天津 300458；3.天津市微低重力環(huán)境模擬技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，天津 300458）

航天器微低重力仿真試驗是在地面有重力狀態(tài)下模擬在軌航天器所有運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)狀態(tài)（微低重力狀態(tài)）的試驗，主要包括航天器機(jī)構(gòu)展開、姿態(tài)調(diào)整、變軌、捕獲、對接等過程的狀態(tài)模擬及功能驗證[1-3]。航天器地面模擬試驗可以有效識別航天器在軌運(yùn)動運(yùn)行風(fēng)險，充分驗證航天器空間功能狀態(tài)，提高航天器結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)的可靠性，是模擬驗證太空環(huán)境下航天器性能最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法[4-5]。

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，未來重點(diǎn)型號航天器對微低重力環(huán)境模擬提出了更高的要求，比如航天器重量與尺寸的增加，對地面微低重力環(huán)境模擬裝置的承載能力、剛度、尺寸、精度指標(biāo)提出更高的要求；傳統(tǒng)地面微低重力仿真試驗系統(tǒng)性能指標(biāo)已經(jīng)無法滿足后續(xù)型號研制的需要，急需對地面微低重力仿真試驗系統(tǒng)升級換代，才能更全面地模擬航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)，避免發(fā)射風(fēng)險[6-7]。

本文所述的大型超平支撐平臺作為航天器微低重力仿真的大型精密試驗設(shè)備，如圖1所示，具備大尺寸、高承載剛度、全自動精密調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，能夠在40m×30m的范圍內(nèi)為月球軌道交會對接模擬器提供穩(wěn)定的高精度水平支撐面。這些顯著特點(diǎn)對大型超平支撐平臺的研制，尤其是快速、高精度拼接裝配技術(shù)提出重大挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的微低重力仿真氣浮平臺拼接裝配基本采用人工撬動操作，首先將平臺放置在托架或拖板車上，然后根據(jù)拼縫寬度人工撬動平臺調(diào)整，經(jīng)過多次調(diào)整后才能達(dá)到要求，拼接過程存在磕碰平臺的風(fēng)險，且裝配效率低、一致性差，嚴(yán)重制約航天器高效、準(zhǔn)確的微低重力仿真試驗進(jìn)行。因此，本文通過對大型超平支撐平臺裝配要求及難點(diǎn)分析，構(gòu)建裝配系統(tǒng)，制定裝配工藝流程，設(shè)計調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及調(diào)節(jié)工藝流程，并對虛擬輪廓構(gòu)建、精密測量、裝配路徑規(guī)劃等數(shù)字化自動裝配關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)大型超平支撐平臺的快速、精密測量與調(diào)節(jié)，短時間內(nèi)完成200塊平臺的精確裝配。

大型超平支撐平臺裝配技術(shù)要求及難點(diǎn)分析

1 裝配技術(shù)要求

為了滿足試驗的要求，大型超平支撐平臺將由200塊3m×2m 花崗巖平臺拼裝組成，如圖2所示。通過分析氣膜厚度、平臺精度、系統(tǒng)剛度等指標(biāo)，制定如下裝配技術(shù)要求：（1）平臺有效面積≥40m×30m；（2）空載時，平臺任意2m×2m 范圍表面與大地水平的傾角≤2″；（3）空載時相鄰拼縫之間的高度差HC＜6μm；（4）拼縫均勻一致，拼縫寬度≤4mm；（5）裝配過程中需保證平臺、支撐、地基的相對位置要求，不可出現(xiàn)偏載情況，使地基產(chǎn)生一側(cè)傾斜。

2 裝配難點(diǎn)

2.1 裝配精度要求高

由于運(yùn)動模擬器的支撐氣墊和平臺之間形成一層薄薄的氣膜，氣膜厚度10～15μm，借助這層氣膜，負(fù)載可在大型平臺表面上做二維無摩擦自由運(yùn)動。其中，平臺水平度和拼縫高度差是運(yùn)動模擬器能否穩(wěn)定試驗的關(guān)鍵，這兩個指標(biāo)精度越高，越有利于減小下滑力和過縫阻力，微低重力仿真試驗可信度越高。為滿足水平度2″和高度差6μm的要求，需要制定合適合理的檢測方法和裝調(diào)方法，同時要選擇高精度檢測儀器和設(shè)計精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。檢測儀器的精度要求比指標(biāo)高一個數(shù)量級，水平度檢測精度優(yōu)于0.3″，高度差檢測精度優(yōu)于0.5μm，精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)微調(diào)精度滿足1μm 要求。

2.2 裝調(diào)范圍大，全局檢測難度大

大型超平支撐平臺總共1200m2，拼裝過程中要保證平臺與調(diào)節(jié)支撐、平臺與地基的相對位置精度，以及相鄰平臺間拼縫寬度的一致性。因此，在裝配過程中必須進(jìn)行全局檢測。由于地基尺寸大（32m×42m），且分布著21 堵承重墻和20條縱向地溝、2條橫向地溝，承重墻上總共安裝著1200 根調(diào)節(jié)支撐，這些因素都增加了全局檢測的難度。

圖1 大型超平支撐平臺試驗系統(tǒng)Fig.1 Test system of large super-flat support platform

圖2 平臺示意圖Fig.2 Platform diagram

大型超平支撐平臺裝配方案

1 裝配系統(tǒng)組成

大型超平支撐平臺裝配系統(tǒng)主要由激光跟蹤儀測量系統(tǒng)、精密測量系統(tǒng)、六自由度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、三點(diǎn)支撐精密調(diào)姿系統(tǒng)和集成控制系統(tǒng)等組成，如圖3所示。

2 裝配工藝流程

大型超平支撐平臺裝配工藝流程如圖4所示。流程如下：（1）借助理論模型數(shù)據(jù)構(gòu)建平臺的虛擬輪廓，構(gòu)建過程中以地基預(yù)埋墊石為參考基準(zhǔn)，采用激光跟蹤儀檢測平臺4個邊角位置，通過理論模型與實(shí)測數(shù)據(jù)調(diào)整迭代，在地基上建立出虛擬輪廓；（2）在虛擬輪廓的基礎(chǔ)上對大型超平支撐平臺進(jìn)行定位，主要是借助虛擬輪廓在地基上安裝8 根定位桿，確定平臺4個邊角和4條邊中點(diǎn)的實(shí)際位置；（3）依據(jù)裝配工藝及路徑規(guī)劃，確定首塊平臺的位置，先借助4 根定位桿形成十字交叉線，對首塊平臺進(jìn)行粗定位，之后在裝調(diào)過程中采用激光跟蹤儀進(jìn)行精定位，并與虛擬輪廓位置數(shù)據(jù)比對，控制裝配誤差；（4）首塊平臺定位后對其進(jìn)行精密裝配，主要采用精密水平儀和高度計進(jìn)行測量，使用調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行粗、精調(diào)節(jié)，直到滿足裝配精度要求，后續(xù)按照裝配路徑沿地溝方向依次進(jìn)行裝配。

圖3 裝配系統(tǒng)基本組成及功能Fig.3 Basic components and functions of assembly system

圖4 大型超平支撐平臺裝配工藝流程Fig.4 Assembly process flow of large super flat support platform

3 單塊平臺裝配調(diào)節(jié)流程

單塊平臺裝配過程中采用吊具、六自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和三點(diǎn)調(diào)節(jié)支撐等設(shè)備，裝配流程如下：（1）準(zhǔn)備工作，使單塊平臺處于吊裝狀態(tài)，六自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和三點(diǎn)調(diào)節(jié)支撐就位；（2）調(diào)整吊裝位置和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)高度，將單塊平臺落于六自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上，確保平臺間的距離便于取出吊具；（3）粗調(diào)平臺的位置與姿態(tài)，使相鄰平臺間的距離滿足3mm 要求，平臺水平度＜180″，高度差＜30μm；（4）升高三點(diǎn)調(diào)節(jié)支撐，使單平臺完全落在其上，同時降低六自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，并移動到下一個安裝位置；（5）精密調(diào)節(jié)三點(diǎn)支撐，確保平臺水平度＜2″，高度差＜6μm；（6）對平臺四邊貼好防護(hù)膠條，單塊平臺裝配完成，單塊平臺裝配調(diào)節(jié)流程如圖5所示。

圖5 單塊平臺裝配調(diào)節(jié)流程Fig.5 Adjustment process of single-block platform assembly

4 六自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計

六自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由兩部分組成：（1）由3套螺旋升降機(jī)組成升降（Z軸）、傾角調(diào)節(jié)（繞X、Y軸）系統(tǒng)，采用手動調(diào)節(jié)。為減輕人工勞動強(qiáng)度以及提高調(diào)節(jié)精度，每根升降桿由蝸輪蝸桿傳動。（2）由導(dǎo)軌滑塊、轉(zhuǎn)盤軸承和絲杠組成X向、Y向移動和繞Z軸回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，各部分是串聯(lián)在一起，調(diào)節(jié)時互不干涉。在絲杠傳動末端增加一級行星減速器，降低調(diào)節(jié)扭矩和提高調(diào)節(jié)精度。六自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖6所示。

圖6 六自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of six degrees of freedom adjusting mechanism

此拼裝機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)X向±80 mm的微調(diào)、Y向±50mm的微調(diào)、Z向升降70mm的微調(diào)、繞Z軸回轉(zhuǎn)±2°、繞X、Y軸傾角調(diào)節(jié)±1°。本機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和效果在于能夠?qū)崿F(xiàn)六自由度調(diào)節(jié)，完全滿足平臺的裝配要求。同時，本裝配機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、承載大，在地溝內(nèi)只需兩人便可操作此機(jī)構(gòu)，重載8t 情況下各方向能夠輕松靈活的精密調(diào)節(jié)。

圖7 虛擬輪廓及測量場示意圖Fig.7 Schematic diagram of virtual contour and measuring field

大型超平支撐平臺裝配的關(guān)鍵技術(shù)

1 虛擬輪廓構(gòu)建

為了確保整個平臺與獨(dú)立地基的相對位置關(guān)系，以及調(diào)節(jié)支撐與單塊平臺的位置關(guān)系，需要在地基上構(gòu)建大型超平支撐平臺的虛擬輪廓，確定每塊平臺在空間內(nèi)的位置，并指導(dǎo)后續(xù)裝配路徑[8-9]。

由于大型超平支撐平臺裝配過程中測量范圍達(dá)幾十米，因此采用激光跟蹤儀進(jìn)行空間定位、位姿精度測量等工作。大型超平支撐平臺裝配過程中，需要通過坐標(biāo)系之間的關(guān)系來確定出每塊花崗巖平臺的準(zhǔn)確位置，而激光跟蹤儀只能根據(jù)自己的坐標(biāo)系測出相關(guān)的數(shù)據(jù)。所以，需要確定出測量坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系之間的聯(lián)系，構(gòu)建出裝配的測量場，如圖7所示。采用廠房獨(dú)立地基的6個位置A1、A2、A3、B1、B2、B3作為基準(zhǔn)，激光跟蹤儀測量各個基準(zhǔn)的實(shí)際值，并與平臺輪廓理論模型對比，擬合獲得平臺裝配的理想位置，即虛擬輪廓，同時確定一處固定位置Tw為全局坐標(biāo)系；依據(jù)虛擬輪廓及全局坐標(biāo)系的空間位置關(guān)系，可得到每塊平臺的裝配位置Ci。依據(jù)裝配位置對每塊平臺進(jìn)行安裝和調(diào)節(jié)，并用激光跟蹤儀復(fù)測安裝位置。

2 裝配路徑規(guī)劃

合理規(guī)劃平臺裝配路徑是保證平臺裝配準(zhǔn)確性、地基穩(wěn)定性以及裝配效率的關(guān)鍵。裝配路徑大致可分為3種：（1）從一側(cè)向另一側(cè)裝配；（2）從兩側(cè)向中心同時安裝；（3）從中心向兩側(cè)同時安裝。其中，從一側(cè)向另一側(cè)安裝的路徑，可以避免出現(xiàn)由于誤差累積導(dǎo)致的平臺拼縫寬度不一致或安裝不進(jìn)去的風(fēng)險，但是這種安裝方式會對地基產(chǎn)生偏載，可能出現(xiàn)地基傾斜的風(fēng)險。從兩側(cè)同時向中心安裝的路徑，可以避免地基偏載，但是存在誤差累積導(dǎo)致的平臺拼縫寬度不一致或安裝不進(jìn)去的風(fēng)險。因此，前兩種安裝路徑不適合平臺裝配。

采用從中心向兩側(cè)同時安裝的路徑規(guī)劃：通過虛擬輪廓構(gòu)建和激光跟蹤儀測量系統(tǒng)確定整體平臺中最為核心的一塊花崗巖臺面，位于平臺中心位置，精確調(diào)整其位置與水平度后，再向四周環(huán)形方向裝配，裝配形式如圖8所示。其中深色打斜線部分為已安裝調(diào)節(jié)好的花崗巖臺面，淺色部分為平臺規(guī)劃安裝位置。這種裝配路徑的好處在于，裝配階段就以中間一塊核心平臺為基準(zhǔn)，裝配累計誤差向外延伸，不會壓縮某塊平臺的安裝空間，使其不可裝配；使總體平臺接縫處高度差控制在很好的精度內(nèi)，等誤差帶以中心環(huán)狀分布，大平臺會有很好的使用效果；與后期的精密調(diào)整操作幾乎是同一種執(zhí)行策略，協(xié)同性較好；對地基穩(wěn)定性較好，不會出現(xiàn)地基傾斜的不均勻沉降現(xiàn)象。

3 精密測量

大型超平支撐平臺是通過無關(guān)聯(lián)方式拼接而成，整個平臺的水平度和平板間的高度差是氣浮裝置平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵，因此大型超平支撐平臺精密測量主要是針對單塊平臺的平面度和相鄰平臺間拼縫高度差的測量。

平臺水平度測量采用粗精兩級測量方法，當(dāng)平臺水平度在5○～0.05○范圍內(nèi)時，使用高精度雙軸水平儀對每一塊平臺的水平度進(jìn)行粗測；當(dāng)平臺水平度小于0.05○時，使用超高精度雙軸水平儀對水平度進(jìn)行精測，將水平度測量結(jié)果作為支撐機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)的反饋量。高度差測量裝置在水平度調(diào)節(jié)完畢后，使用微位移傳感器陣列在平臺拼縫處測量兩塊相鄰平臺的高度差。

為了能夠高效、精確地測量，將水平儀和微位移傳感器按圖9[10]方式安裝。在平臺中心位置測量水平度，在平臺的短邊采集2個位置的高度差，在長邊采集3個位置的高度差，這樣可以保證安裝在平板邊緣位置支撐機(jī)構(gòu)附近有高度差測量位置。

4 精密調(diào)節(jié)

大型超平支撐平臺精密調(diào)節(jié)采用三點(diǎn)調(diào)節(jié)、六點(diǎn)支撐的形式，采用三點(diǎn)調(diào)節(jié)的方法在解算時相對簡單，可以很方便地實(shí)現(xiàn)平臺的自動精密調(diào)節(jié)，且三點(diǎn)受力均勻，系統(tǒng)、穩(wěn)定。六點(diǎn)支撐能夠滿足大承載、高剛度的要求，采用其中的三點(diǎn)支撐進(jìn)行精密調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后采用另三點(diǎn)進(jìn)行輔助支撐，支撐形式如圖10所示,其中支撐1號、3號、5號為精密調(diào)節(jié)支撐，支撐2、4、6為輔助支撐。

首先對1號、3號、5號的3個主要支撐點(diǎn)對應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動調(diào)平控制。調(diào)控后，確保被調(diào)節(jié)的平臺水平度和高度差滿足平臺技術(shù)要求。然后自動控制余下的2號、4號、6號支撐點(diǎn)，在不改變1號、3號、5號已調(diào)節(jié)好的平臺水平度前提下，使其依次向已調(diào)節(jié)好的平臺慢慢靠近，直至完全承重。全部支撐點(diǎn)調(diào)節(jié)完畢時，保證被調(diào)平臺的水平度和高度差符合技術(shù)要求。

大型超平支撐平臺精密調(diào)節(jié)的關(guān)鍵在于調(diào)節(jié)支撐的精度，航天五院原有平臺采用滑動絲杠形式進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于滑動絲杠的摩擦系數(shù)較高，重載低速下會出現(xiàn)機(jī)械爬行，即電機(jī)輸出一個角度后，滑動絲杠末端理論會上升一個很小的位移，但實(shí)際過程中，螺旋副的摩擦轉(zhuǎn)矩致使絲杠出現(xiàn)扭曲變形，而并沒有提升運(yùn)動；繼續(xù)增加電機(jī)輸入，在某個瞬間絲杠存儲的扭曲變形突然釋放，將有一個較大的提升位移，超出精度設(shè)計指標(biāo)，因此，滑動絲杠不適于重載平臺研制。

圖8 環(huán)形裝配方案示意圖Fig.8 Schematic diagram of ring assembly scheme

圖9 水平儀和微位移傳感器安裝位置Fig.9 Installation position of level gauge and micro-displacement sensor

圖10 大型超平支撐平臺支撐形式示意圖Fig.10 Schematic diagram of support form of large super flat support platform

采用滾珠絲杠代替滑動絲杠的調(diào)節(jié)支撐，由于用滾動摩擦代替了滑動摩擦，有效解決了機(jī)械爬行問題，可以達(dá)到理論的高精度，且滾珠絲杠的加工工藝比較成熟，其強(qiáng)度及剛度都比滑動絲杠要高。采用滾珠絲杠的支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖11所示，主要由自適應(yīng)球關(guān)節(jié)、升降機(jī)構(gòu)滾珠絲杠、蝸輪蝸桿減速器、行星減速器、伺服電機(jī)等組成，需要滿足能夠最大承載能力4t、末端最小微動量≤0.2μm、高度調(diào)節(jié)范圍≥30mm的要求，同時具備自鎖功能。根據(jù)載荷重載、平穩(wěn)的特點(diǎn)以及實(shí)現(xiàn)升降微調(diào)的目的，升降精密機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)支撐是通過伺服電機(jī)驅(qū)動行星減速器、蝸輪蝸桿減速器回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)扭矩傳遞至滾珠絲杠螺母，選擇滾動螺旋傳動螺母帶動絲杠上下精密調(diào)節(jié)，并設(shè)置防逆旋機(jī)構(gòu)，能夠滿足精度及安全性要求。通過蝸輪蝸桿的設(shè)計滿足此調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)整體具備高精度微調(diào)和自鎖性要求功能。

5 三點(diǎn)調(diào)控策略

總體思路為“先調(diào)水平度，確定高度差，再調(diào)高度差優(yōu)化水平度”。根據(jù)平臺檢測系統(tǒng)水平儀和高度檢測儀輸出的平臺水平度和相對基準(zhǔn)平臺的高度差，調(diào)節(jié)3個主要支撐點(diǎn)，使3個支撐點(diǎn)支撐下的平臺水平度≤1.8″，高度差絕對值≤1.6μm，調(diào)控前平臺狀態(tài)如圖12所示。

5.1 調(diào)節(jié)平臺的水平度

調(diào)整平臺水平度的環(huán)節(jié)中，水平度的控制算法十分重要，關(guān)系到水平度的調(diào)控精度。首先確定3個支撐點(diǎn)的相對位置關(guān)系，選取最高支撐點(diǎn)所在的水平面作為基準(zhǔn)面（選擇最高的支撐點(diǎn)是保證調(diào)節(jié)過程中，所需調(diào)控的支撐點(diǎn)均向上運(yùn)動，避免機(jī)械上渦輪蝸桿間隙造成的誤差），以最高支撐點(diǎn)所在的慣性空間水平面為水平調(diào)節(jié)的基準(zhǔn)平面，經(jīng)過算法計算出其余兩個支撐點(diǎn)應(yīng)調(diào)節(jié)的位移量。位移量求出以后，除以絲杠的螺距換算成絲杠應(yīng)該轉(zhuǎn)的圈數(shù)，再根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，換算出電機(jī)的步數(shù)后輸出。為避免系統(tǒng)存在的誤差，上述水平調(diào)控的過程重復(fù)進(jìn)行一次，即可保證平臺的水平度≤1.8″。經(jīng)過水平調(diào)節(jié)后的平臺狀態(tài)如圖13所示。

5.2 確定高度差

平臺水平度調(diào)控完成后，待調(diào)節(jié)平臺與相鄰已調(diào)平臺間存在一定高度差，采用平臺檢測系統(tǒng)中的高度測量儀，檢測出待調(diào)平臺與相鄰已調(diào)平臺間的高度差。讀取多個測量位置的高度差并取平均值，將此高度差作為待調(diào)平臺高度差的調(diào)控依據(jù)。待調(diào)節(jié)平臺與相鄰已調(diào)平臺的高度差測量如圖14所示。

5.3 調(diào)節(jié)高度差、優(yōu)化水平度

根據(jù)確定的高度差，判讀此高度差絕對值是否＞1.6μm。當(dāng)高度差的絕對值＞1.6μm時，將該距離除以絲杠的螺距換算成絲杠應(yīng)該轉(zhuǎn)的圈數(shù)，再根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，換算出電機(jī)的步數(shù)后輸出，支撐點(diǎn)1號、3號、5號對應(yīng)的電機(jī)同時動作使得支撐點(diǎn)向上移動該位移量，確保平臺間的高度差絕對值≤1.6μm。

由于高度差的調(diào)節(jié)可能存在誤差或?qū)е滤蕉炔粷M足要求，因此完成一次“調(diào)節(jié)高度差優(yōu)化水平度”后，重新測量確定高度差和水平度，對于不滿足的部分依據(jù)上述步驟再進(jìn)行調(diào)節(jié)一次，確保平臺水平度和高度差均滿足要求，調(diào)節(jié)高度差、優(yōu)化水平度后平臺的狀態(tài)如圖15所示。

圖11 精密支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.11 Schematic diagram of precise support adjusting mechanism

圖12 調(diào)控前平臺狀態(tài)示意圖Fig.12 Schematic diagram of platform status before regulation

圖13 水平度調(diào)節(jié)后平臺狀態(tài)示意圖Fig.13 Schematic diagram of platform status after levelness adjustment

圖14 平臺高度差檢測示意圖Fig.14 Schematic diagram of platform height difference detection