基于激光掃描的火箭對(duì)接裝配測(cè)量及調(diào)整技術(shù)

王 津 朱艷妮 吳華陽(yáng) 陳寶有 張學(xué)偉 崔 蘊(yùn)

(1.天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津 300462；2.中國(guó)人民解放軍空軍指揮學(xué)院，北京 100089；

3.北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

運(yùn)載火箭是一種將人造衛(wèi)星，載人飛船，空間站，空間探測(cè)器等有效載荷送入預(yù)定軌道的航天運(yùn)輸工具[1]。在航天制造業(yè)中，運(yùn)載火箭這種大型航天器均是采用分段制造，整體裝配的方法進(jìn)行制造，所以裝配精度決定最終火箭質(zhì)量[2]。

火箭總裝方式主要分為水平總裝和垂直總裝兩種方式，垂直裝配主要通過吊裝的方式進(jìn)行對(duì)接，具有垂直度易于校正的優(yōu)點(diǎn)。水平裝配則全程需要輔助工裝進(jìn)行火箭的定位與固定，通過調(diào)整工裝姿態(tài)來實(shí)現(xiàn)部段對(duì)接。美國(guó)和俄羅斯作為世界航天技術(shù)的領(lǐng)頭羊，無論是水平裝配還是垂直裝配均已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，通過現(xiàn)代化檢測(cè)測(cè)量手段配合姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置完成[3]。國(guó)內(nèi)火箭總裝主要學(xué)習(xí)俄羅斯的水平裝配方式，目前自動(dòng)化程度較低，主要通過多人同步旋轉(zhuǎn)支撐架車手輪，調(diào)整支撐架車姿態(tài)，進(jìn)而調(diào)整箭體姿態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)接操作。

現(xiàn)代化測(cè)量手段是火箭自動(dòng)裝配的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)精確裝配、完成設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的首要前提。三維位置姿態(tài)測(cè)量方法主要包括經(jīng)緯儀測(cè)量，室內(nèi)GPS測(cè)量，激光跟蹤儀測(cè)量和激光掃描測(cè)量。經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)采用合作目標(biāo)的方式，需要人工瞄準(zhǔn)靶標(biāo)，測(cè)量效率低。室內(nèi)GPS需要放置多組發(fā)射器于廠房?jī)?nèi)，標(biāo)定后需固定多個(gè)接收器于產(chǎn)品上，安裝定位困難。激光跟蹤儀是實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè)量，使用靶球跟隨測(cè)量位置移動(dòng)方可測(cè)量，效率較低[4]。激光掃描測(cè)量為非合作目標(biāo)方式，分層掃描，高效便捷，適用于總裝廠房?jī)?nèi)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。本文采用北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所自主研發(fā)大尺寸非合作目標(biāo)三維形貌測(cè)量?jī)x來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，通過協(xié)調(diào)控制算法驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)接。

2 大尺寸非合作目標(biāo)三維形貌測(cè)量?jī)x介紹

大尺寸非合作目標(biāo)三維形貌測(cè)量?jī)x主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)、精密伺服三維掃描系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示。激光測(cè)距系統(tǒng)的主要功能是發(fā)射激光并對(duì)目標(biāo)距離進(jìn)行測(cè)量。精密伺服三維掃描系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)大角度范圍的目標(biāo)精確掃描，并測(cè)量目標(biāo)的方位、俯仰角度信息。中央控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)整機(jī)的控制、信息處理以及數(shù)據(jù)解算。

激光測(cè)距系統(tǒng)由激光測(cè)距裝置、俯仰軸和水平軸組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的空間球坐標(biāo)系，設(shè)被測(cè)點(diǎn)是此球坐標(biāo)系下任意一點(diǎn)，通過絕對(duì)測(cè)距，得到儀器中心到被測(cè)點(diǎn)P的距離L，利用水平和俯仰兩個(gè)測(cè)角碼盤進(jìn)行水平角α和俯仰角β的同步測(cè)量，從而得到被測(cè)點(diǎn)P的三維坐標(biāo)值(L,α,β)，如圖2所示。多次反復(fù)測(cè)量取平均作為該點(diǎn)的三維坐標(biāo)測(cè)量值。被測(cè)點(diǎn)P坐標(biāo)可表示為

(1)

式中：L——儀器中心到被測(cè)點(diǎn)P距離；β——被測(cè)點(diǎn)P與XY平面的夾角；α——被測(cè)點(diǎn)P在XY平面的投影距離與X方向的夾角。

火箭部段都是薄壁大開口部件，均可用圓柱形來擬合，使用大尺寸非合作目標(biāo)三維形貌測(cè)量?jī)x對(duì)待測(cè)物件進(jìn)行掃描，通過測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合待測(cè)物件的外形，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，可以獲取足夠的高精度測(cè)量信息，如實(shí)反饋部段的形狀[5]。

3 水平自動(dòng)對(duì)接實(shí)現(xiàn)

箭體水平對(duì)接主要是實(shí)現(xiàn)箱體和殼段的連接操作，在完成箱內(nèi)和殼段內(nèi)的部分總裝操作后，進(jìn)行對(duì)接以便后面的箭體總裝工作，布置測(cè)量?jī)x及箭體以實(shí)現(xiàn)水平方向的自動(dòng)對(duì)接，如圖3所示。

圖3 水平對(duì)接系統(tǒng)布置方案Fig.3 Horizontal docking system layout scheme

在布置之前，需要將兩個(gè)測(cè)量?jī)x所測(cè)數(shù)據(jù)融合進(jìn)同一坐標(biāo)系下，在箭體尚未推到預(yù)定位置時(shí)，固定測(cè)量?jī)x。在廠房布置一些基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換靶標(biāo)，這些基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換靶標(biāo)每三個(gè)都不共線。為了提高準(zhǔn)確度，在地面和墻面各布置不共線的4個(gè)靶標(biāo)，兩個(gè)測(cè)量?jī)x均測(cè)量這些靶標(biāo)即可統(tǒng)一進(jìn)同一坐標(biāo)系中，最后建立以大地鉛錘方向?yàn)閆軸，軌道方向?yàn)閄軸的坐標(biāo)系。設(shè)一個(gè)測(cè)量?jī)x測(cè)得的八個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)為

A=RB

(2)

式中：R——兩個(gè)測(cè)量?jī)x測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換矩陣。

R可表示為

R=ABT(BBT)-1

(3)

可以求出

(4)

(5)

(6)

第一個(gè)測(cè)量?jī)x內(nèi)數(shù)據(jù)經(jīng)過一次變換，第二個(gè)測(cè)量?jī)x內(nèi)數(shù)據(jù)經(jīng)過兩次變換，所測(cè)數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換到鉛垂坐標(biāo)系內(nèi)。

標(biāo)定后，將箭體推入預(yù)定位置后，分別測(cè)量箱體端框外表面和殼段端框外表面，由于測(cè)量的是點(diǎn)云數(shù)據(jù)[6]，難免存在粗大誤差，需要將所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合圓柱，利用拉依達(dá)準(zhǔn)則去除粗大誤差后，分別將剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，計(jì)算箱體和殼段的圓柱軸線。再通過調(diào)整支撐架車的控制機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)箭體姿態(tài)實(shí)現(xiàn)兩部段的軸線統(tǒng)一，支撐架車調(diào)整姿態(tài)原理如圖4所示。

圖4 支撐架車姿態(tài)調(diào)整原理Fig.4 Principle of attitude adjustment of support frame

計(jì)算完兩個(gè)部段軸線后，通過Y向和Z向調(diào)整電機(jī)調(diào)整支撐架車姿態(tài)進(jìn)而調(diào)整箭體姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部段的軸線統(tǒng)一，同時(shí)盡量實(shí)現(xiàn)調(diào)整后的兩個(gè)部段支撐電機(jī)處于行程的中間位置。姿態(tài)調(diào)整完后，殼段支撐架車的X向電機(jī)動(dòng)作，使得兩部段對(duì)接面距離2cm左右后，目測(cè)定位銷釘與定位銷孔相對(duì)位置，調(diào)整W向電機(jī)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部段姿態(tài)的完全統(tǒng)一，再動(dòng)作殼段支撐架車的X向電機(jī)完成水平對(duì)接。

4 垂直自動(dòng)對(duì)接實(shí)現(xiàn)

目前國(guó)內(nèi)運(yùn)載火箭主要采用水平裝配的方式進(jìn)行總裝，但國(guó)內(nèi)某型號(hào)的二級(jí)和級(jí)間段試對(duì)過程需要在垂直狀態(tài)進(jìn)行，而垂直試對(duì)過程系統(tǒng)布置如圖5所示。

圖5 垂直對(duì)接系統(tǒng)布置方案Fig.5 Vertical docking system layout scheme

為了保證測(cè)量的級(jí)間段準(zhǔn)確，需使用三個(gè)測(cè)量?jī)x所測(cè)的端面部分重疊，進(jìn)而保證最終計(jì)算的軸線精準(zhǔn)。對(duì)接開始前需要將三個(gè)測(cè)量?jī)x所測(cè)數(shù)據(jù)融合進(jìn)同一坐標(biāo)系下，同水平對(duì)接方法。融合后再分別測(cè)量級(jí)間段和芯二級(jí)的外表面，由于箭體部段加工過程中，對(duì)接框區(qū)域精度最高，故芯二級(jí)分別選取對(duì)接框區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，去除粗大誤差后再通過最小二乘法擬合計(jì)算出軸線位置，其中級(jí)間段為提前固定好，所以通過調(diào)整天車位置實(shí)現(xiàn)兩者軸線的統(tǒng)一，由于天車是通過柔性吊索連接芯二級(jí)，故需緩慢分段下降落至級(jí)間段內(nèi)，每次穩(wěn)定后測(cè)量保證軸線的統(tǒng)一后再緩慢降落芯二級(jí)，直至芯二級(jí)與級(jí)間段對(duì)接完成。

5 對(duì)接角度測(cè)量誤差分析

三維形貌測(cè)量?jī)x在0～50m，水平180°，垂直45°的范圍內(nèi)測(cè)量誤差MPE為±(20+20H)μm，H為儀器中心到被測(cè)點(diǎn)距離。

圖6 水平對(duì)接示意圖Fig.6 Horizontal docking error analysis

建立對(duì)接測(cè)量坐標(biāo)系xyz，其中：x為軸線坐標(biāo)、z為垂直坐標(biāo)、y符合右手法則。則箱體與對(duì)接軸線夾角的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型為

(7)

可測(cè)筒段最遠(yuǎn)端為直徑的一半，最大測(cè)量誤差為

ξ=20+20×(H0+0.5D)

(8)

式中：ξ——最大測(cè)量誤差；H0——測(cè)量?jī)x與測(cè)點(diǎn)距離；D——箱體或筒段直徑。

測(cè)量?jī)x到A點(diǎn)距離HA為20.6m，筒段直徑D為5m，A點(diǎn)最大測(cè)量誤差為

ξA11=20+20×(HA+0.5D)=0.482mm

測(cè)量?jī)x與B點(diǎn)距離HB為5m，B點(diǎn)最大測(cè)量誤差為

ξB11=20+20×(HB+0.5D)=0.17mm

實(shí)際測(cè)量時(shí)，采用兩個(gè)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，A點(diǎn)擬合最大誤差為

B點(diǎn)擬合最大誤差為

箱體與對(duì)接軸線夾角的誤差最大值為

同理，可得筒段上C點(diǎn)與D點(diǎn)最大誤差為

ξC1=0.3mm

ξD1=0.342mm

筒段與對(duì)接軸線夾角的誤差最大值為

則水平對(duì)接時(shí)相對(duì)角度誤差最大值為

ψ1=ψ11+ψ12

(9)

ψ1=0.003°+0.018°=0.021°

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

在某型號(hào)發(fā)射場(chǎng)試驗(yàn)期間，分別采用三維形貌測(cè)量?jī)x和激光跟蹤儀在技術(shù)陣地垂直總裝廠房進(jìn)行了星罩組合體與芯二級(jí)垂直對(duì)接裝配輔助測(cè)量工作，三維形貌測(cè)量?jī)x采用掃描方式測(cè)量三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)并通過軟件獲取節(jié)圓數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)接角度信息解算，激光跟蹤儀測(cè)量相同節(jié)圓并進(jìn)行對(duì)接角度信息解算，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)量結(jié)果Tab.1 Measurementresults(°)角度值測(cè)量次數(shù)三維形貌測(cè)量?jī)x激光跟蹤儀偏差方位角Α15.625.41-0.21A24.184.240.06A31.691.57-0.12俯仰角B110.029.92-0.1B26.716.54-0.17B32.932.77-0.16

續(xù)表1角度值測(cè)量次數(shù)三維形貌測(cè)量?jī)x激光跟蹤儀偏差滾轉(zhuǎn)角C11.721.66-0.06C21.391.570.18C30.380.18-0.2

由表1可知，采用兩種方法對(duì)對(duì)接筒段進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量，最大偏差為0.21°，與激光跟蹤儀具有較好的符合性。

7 結(jié)束語

大尺寸非合作目標(biāo)三維形貌測(cè)量?jī)x具有測(cè)量精度高、測(cè)量速度快，量程大及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等特點(diǎn)，在火箭總裝過程的水平對(duì)接和垂直對(duì)接過程均使用效果良好，大幅度提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)其他火箭型號(hào)乃至航空船舶等總裝過程有一定借鑒意義。