航天器貯箱在狹小空間內(nèi)的安裝方法與應(yīng)用

趙爾華，閆建剛，安欣欣，谷平，顧雨蛟，程北陽，張恩煜，支 鑫

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

0 引言

貯箱廣泛應(yīng)用于航天產(chǎn)品，主要用于液體介質(zhì)的貯存和供應(yīng)使用，在航天產(chǎn)品的發(fā)射過程中承受著巨大的動靜載荷。貯箱均為大型薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，具有大尺寸、弱剛度等特征，同時在裝配過程中過約束裝夾和焊接變形的耦合作用導(dǎo)致大型薄壁貯箱制造偏差難以精準預(yù)測[1]，因此貯箱安裝到箭體內(nèi)部，尤其是狹小空間的過程存在一定的難度。針對貯箱結(jié)構(gòu)形式的不同，國內(nèi)外提出了多種貯箱安裝方案，并成功用于航天型號貯箱安裝過程中。例如中國運載火箭研究院專利“一種雙導(dǎo)軌貯箱安裝裝置及其安裝流程”提出了一種基于L 型雙導(dǎo)軌貯箱安裝裝置[2]?！昂教炱鳈C械臂柔性力控輔助裝配方法”提出一種航天器機械臂柔性力控輔助裝配方法，使用機械臂在狹小空間內(nèi)進行大重量工件安裝[3]?！皺C器人在衛(wèi)星艙板裝配中的應(yīng)用研究”提出在衛(wèi)星艙板過程中機器人輔助自動化裝配、半自動化裝配的方案，有效地提高了裝配工作效率[4]。這兩種方法均能夠?qū)崿F(xiàn)在狹小空間位置可調(diào)和可重復(fù)裝配。本文將上述兩種方法應(yīng)用在航天器狹小空間內(nèi)貯箱安裝上，并成功完成了貯箱在狹小空間內(nèi)的裝配。

1 航天器貯箱安裝分析

某航天器為單件小批量產(chǎn)品，且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為不同于傳統(tǒng)的運載火箭的非回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品中艙部段長度為5.3 m，艙內(nèi)裝填機構(gòu)系統(tǒng)、增壓輸送管路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和氣瓶等，且需在內(nèi)部安裝兩個尺寸較大的貯箱，造成內(nèi)部安裝空間狹窄、結(jié)構(gòu)緊湊、裝填密度大，導(dǎo)致貯箱安裝空間狹小，貯箱安裝過程中需要實現(xiàn)精確對準，同時要求貯箱安裝裝置占用的空間位置小[2]。

液氧貯箱安裝在前端，貯箱后部通過后短殼與機身框進行連接，前部則在貯箱裝配后通過在錐段與艙體之間填充緩沖墊連接支撐。液氧貯箱長度約3 m，外直徑（含絕熱層）約1.5 m，貯箱具有尺寸大、壁薄、剛性不足等特點，且表面包覆有絕熱層，僅有前底人孔蓋及后短殼下方側(cè)壁上4 個Φ8 的通孔可供支撐及承力；且艙體內(nèi)壁與貯箱外表面最大間隙約為20 mm，最小間隙不足10 mm；煤油貯箱安裝在中艙后段，煤油貯箱后部叉形環(huán)上設(shè)置外翻支耳與艙體結(jié)構(gòu)對接，前部通過4 個定位錐銷與框上的定位孔配合實現(xiàn)前連接；煤油貯箱長度約2 m，外直徑約1.2 m，按照裝配流程煤油貯箱需要在氧箱及其他產(chǎn)品安裝完成后才能進行安裝，此時艙內(nèi)已沒有裝配空間。因此基于以上情況該航天器貯箱安裝存在以下三個問題：

（1）艙內(nèi)安裝空間狹小，貯箱與艙體之間間隙小，且按照裝配流程需要在管路系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)組件安裝完成后方可安裝，因此，艙內(nèi)可調(diào)裕度較小，需要精確安裝到位。

（2）艙內(nèi)安裝間隙小，液氧貯箱壁薄、剛度不足，且表面包覆熱防護涂層，因此安裝過程中需保證液氧貯箱熱防護涂層與艙體及其他系統(tǒng)不發(fā)生刮蹭碰撞等問題。

（3）艙內(nèi)安裝空間不足，煤油箱安裝前艙內(nèi)空間已基本填充滿了，安裝煤油箱時，操作人員無法進入艙內(nèi)進行操作。

針對以上3 個問題，本文對狹小空間的貯箱裝配方法進行研究分析，最終選擇了雙導(dǎo)軌水平安裝液氧貯箱和機械臂精密柔性安裝煤油貯箱，并對上述方法進行改進，并成功應(yīng)用于航天器裝配上。

2 雙導(dǎo)軌水平安裝氧箱

2.1 設(shè)計思路

液氧貯箱采用橫向雙導(dǎo)軌水平安裝工裝，其包括內(nèi)、外部軌道（L 形導(dǎo)軌）、外部軌道支架、軌道連接裝置、帶軸承件的人孔蓋支架、帶滾珠的軌道滑塊、外部軌道調(diào)節(jié)機構(gòu)和末端調(diào)節(jié)機構(gòu)。在艙體內(nèi)、外部分別相向放置L 形雙導(dǎo)軌，內(nèi)部軌道安裝在產(chǎn)品內(nèi)部，外部軌道安裝在外部軌道支架上，使用軌道連接裝置將其連接在一起；外部軌道調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝在外部軌道支架上，兩個末端調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝在內(nèi)部導(dǎo)軌支架上，末端調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝在產(chǎn)品內(nèi)部用于調(diào)節(jié)內(nèi)部導(dǎo)軌的高度和水平，采用內(nèi)外部導(dǎo)軌提供主要支撐固定并保證其安裝剛度，采用末端調(diào)節(jié)機構(gòu)和外部軌道支架調(diào)節(jié)內(nèi)外部軌道高度和水平。安裝前采用激光跟蹤儀測量并調(diào)節(jié)滑軌高度及水平。在液氧貯箱前端人孔法蘭上安裝帶軸承件的人孔蓋支架，后端加強框處安裝帶滾珠的滑塊，帶有軸承件和滾珠滑塊的液氧貯箱放置沿滑軌移動，由外部導(dǎo)軌移動到內(nèi)部導(dǎo)軌，直至最終安裝位置，解決了大結(jié)構(gòu)薄壁液氧貯箱在狹小空間內(nèi)的安裝難題，實現(xiàn)了液氧貯箱橫向安裝目標。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 雙導(dǎo)軌水平安裝裝置

2.2 實施方案

首先將液氧貯箱橫向?qū)к壏謩e安裝于機身內(nèi)部及外部軌道支架上，在液氧貯箱軌道裝置安裝過程中，利用激光跟蹤儀測量內(nèi)外部導(dǎo)軌的高度及水平，并通過末端調(diào)節(jié)機構(gòu)及外部導(dǎo)軌的絲杠調(diào)節(jié)機構(gòu)進行調(diào)節(jié)。然后將液氧貯箱調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)至I 象限向下后，分別將液氧貯箱安裝軌道裝置的前端支撐與前底人孔蓋連接、軌道滑塊與液氧貯箱后底連接，然后起吊至液氧貯箱安裝軌道裝置上，貯箱沿導(dǎo)軌移動至最終安裝位置后，微調(diào)末端調(diào)節(jié)機構(gòu)和絲杠調(diào)節(jié)機構(gòu)使液氧貯箱后端面與安裝框上的安裝孔基本重合，同時測量液氧貯箱錐段與艙體之間的間隙并記錄，微調(diào)貯箱盡量保持間隙均勻后，安裝連接螺栓固定液氧貯箱，將人孔蓋支架及滾珠滑塊拆下后，再將內(nèi)部軌道取出，即完成了液氧貯箱的安裝。

3 機械臂精密柔性安裝煤油箱

機械臂在汽車焊接、航空工業(yè)艙段對接等領(lǐng)域的應(yīng)用很成熟，在國外航天領(lǐng)域也有一些應(yīng)用。機械臂具有載重量大、定位精度高、響應(yīng)速度快等特點，可以實現(xiàn)大重量零部件裝配的位姿保持與精確調(diào)整，在工況復(fù)雜多變的航天器裝配中有效、靈活地發(fā)揮機械臂的特點，減少工裝的設(shè)計制造，并提高生產(chǎn)效率[3]。與大批量工業(yè)產(chǎn)品相比，航天器研制通常為單件小批量，裝配工況不固定，變化多樣，需要機械臂具有充分的柔性來適應(yīng)不同的裝配約束條件[3]。本文結(jié)合狹小空間內(nèi)貯箱裝配的特點，提出一種航天器貯箱機械臂柔性裝配的方法，旨在提高貯箱裝配質(zhì)量，減少大型工裝的制造生產(chǎn)。

3.1 設(shè)計思路

煤油貯箱安裝在中機身后端，煤油箱在機身內(nèi)的位置如圖2 所示。安裝過程存在偏心上移，將煤油貯箱水平送入到艙體內(nèi)后，再將煤油箱抬高一定高度后才能將煤油箱安裝到位。

圖2 煤油箱安裝位置示意圖

煤油箱前后分別通過前短殼和后轉(zhuǎn)接環(huán)外翻邊與機體進行連接。煤油箱前短殼上設(shè)計4 個直徑10 mm 的導(dǎo)向錐銷，在貯箱裝入機身后錐銷與框上的定位孔配合實現(xiàn)前連接；在煤油箱后轉(zhuǎn)接環(huán)外翻邊分度圓上設(shè)置22 個φ11 的通孔，作為與結(jié)構(gòu)對接的后連接接口，煤油箱結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 煤油箱結(jié)構(gòu)示意圖

按照裝配流程在中機身裝配基本完成后，才能開始安裝煤油貯箱，此時中艙內(nèi)沒有操作空間，操作人員無法進入艙內(nèi)進行操作。由于產(chǎn)品的這種結(jié)構(gòu)特點，導(dǎo)致普通工裝無法實現(xiàn)煤油箱的安裝，因此煤油貯箱只能進行懸臂安裝，為解決煤油箱安裝問題考慮KUKA KR 360 R2830 型號機器人進行柔性高精度懸臂安裝，最小控制精度≤0.1 mm，角度控制≤0.005°，具體指標如圖4 所示。

圖4 KR360 R2830 技術(shù)指標

為解決這個問題設(shè)計了轉(zhuǎn)接工裝（圖5），利用轉(zhuǎn)接工裝將煤油貯箱后轉(zhuǎn)接環(huán)與機械臂連接在一起，通過操控機械臂懸臂抓取煤油貯箱，在煤油貯箱距離安裝位置較遠時采用快速連續(xù)的柔性力控方式將其移動至結(jié)構(gòu)艙內(nèi)，待煤油貯箱后底連接環(huán)前端面接近安裝位置時，采用慢速點動的柔性力控方式進行微調(diào)將其緩慢平穩(wěn)的移動到安裝位置，從而實現(xiàn)煤油貯箱高精度精密安裝，具體形式如圖6 所示。

圖5 轉(zhuǎn)接工裝

圖6 機械臂柔性力控安裝示意圖

3.2 實施方案

貯箱精密柔性力控安裝裝置由機器人、力控模塊、工裝等組成。其中，力控模塊上含有供工人操作使用的手柄，工人可以通過手柄控制機器人將煤油貯箱安裝到待裝位置。具體裝配流程如下：

首先確認機械臂基座的安裝位置，保證滿足煤油貯箱的安裝行程，將機械臂放置在基座上并與基座連接可靠后，通過示教器、操縱桿等手動控制機械臂運動人工示教裝配軌跡[5]。使用轉(zhuǎn)接工裝連接煤油貯箱與機械臂，將裝配工裝大端與煤油箱后連接支耳固定連接在一起，小端與機械臂連接一起。操控機械臂按照示教軌跡使用快速連續(xù)的柔性力控模式操控機械臂將煤油貯箱移動至結(jié)構(gòu)艙內(nèi)，待煤油貯箱后底連接環(huán)前端面接近機身內(nèi)安裝框時，采取慢速點動的柔性力控模式進行微調(diào)，要求直至中艙前安裝框上的底孔與煤油貯箱前底鋼支座導(dǎo)向銷重合，同時煤油貯箱后底連接環(huán)前端面與機身內(nèi)后安裝框貼合且底孔基本重合，從而實現(xiàn)通過操控機械臂將煤油貯箱通過艙體后端偏心裝入到位。煤油貯箱安裝到位后，安裝前連接導(dǎo)向錐銷和后連接的工藝導(dǎo)向銷，將煤油貯箱和轉(zhuǎn)接工裝分離，控制機器人將轉(zhuǎn)接工裝回收到初始位置后，連接煤油貯箱，完成煤油貯箱安裝如7 所示。

圖7 煤油箱裝配示意圖

4 結(jié)語

這兩種方法均能實現(xiàn)航天飛行器在狹小空間內(nèi)的貯箱的精確安裝，且都能夠滿足重復(fù)拆卸和安裝的要求。

雙導(dǎo)軌水平安裝方法適用于前后均有操作空間，且安裝路線簡單的情況，操作人員需要進入艙內(nèi)完成連接，工裝安裝調(diào)試較為復(fù)雜，需要在產(chǎn)品內(nèi)、外部分別安裝長度大于貯箱長度的工裝軌道，工裝占用空間較大，產(chǎn)品安裝所需空間較大，操作人員需要進入到艙內(nèi)完成貯箱安裝，安裝完成后需要將內(nèi)部軌道拆卸并取出。每次安裝或者拆卸液氧貯箱時需要提前安裝內(nèi)、外部軌道。安裝過程簡單直接，能夠?qū)崿F(xiàn)液氧貯箱快速精確安裝到位。

機械臂精密柔性安裝方法主要用于艙內(nèi)沒有安裝空間，或者安裝路線比較復(fù)雜，安裝過程中工件質(zhì)心發(fā)生跳躍性偏移的情況，工裝簡單，只需要在機械臂與煤油貯箱之間安裝一個轉(zhuǎn)接工裝即可。但安裝前需要提前計算機械臂放置位置，確保產(chǎn)品的安裝位置在機械臂的行程范圍內(nèi)且每次安裝或拆卸都需要提前進行示教，從而確定機械臂的運動軌跡。機械臂尤其適合于內(nèi)部操作空間緊張且產(chǎn)品安裝路線復(fù)雜的情況，使用機械臂直接進行懸臂安裝，操作人員無需進入艙內(nèi)即可完成操作。

經(jīng)過驗證，這兩種方法均能夠?qū)崿F(xiàn)狹小空間大尺寸產(chǎn)品安裝，且能夠?qū)崿F(xiàn)反復(fù)拆卸和安裝的要求，可以推廣應(yīng)用于其它狹小空間內(nèi)的安裝裝配，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使用機械臂進行數(shù)字化安裝的裝配方式將是未來的發(fā)展方向。