起重機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)在航天器AIT工作中的應(yīng)用研究

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 北京 100094

0 引言

隨著“中國制造2025”的不斷推進(jìn)，國內(nèi)制造業(yè)也在不斷向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向轉(zhuǎn)變。對(duì)起重機(jī)制造業(yè)而言，自動(dòng)化起重機(jī)憑借精準(zhǔn)定位、無人操作等特點(diǎn)所帶來的高生產(chǎn)效率和低人力成本的優(yōu)勢，使其越來越受到用戶的青睞。

對(duì)于航天制造業(yè)，起重機(jī)是在航天器產(chǎn)品AIT（總裝、測試、試驗(yàn)）過程中不可或缺的輔助設(shè)備。由于所吊裝產(chǎn)品的重要性，對(duì)起重機(jī)動(dòng)作的精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性都提出了較高的要求，而自動(dòng)化起重機(jī)的特點(diǎn)正能契合這一要求，降低了傳統(tǒng)起重機(jī)依靠操作人員自身操作技巧、經(jīng)驗(yàn)水平等主觀因素對(duì)吊裝作業(yè)質(zhì)量的影響，更加安全、高效地完成航天器產(chǎn)品的AIT工作。

1 吊裝過程中存在的問題

1.1 特定工序下的吊裝問題

在衛(wèi)星產(chǎn)品裝配過程中，某些特定的垂直對(duì)接和水平對(duì)接吊裝工序，對(duì)起重機(jī)動(dòng)作距離的控制要求極為嚴(yán)格。

如圖1所示，在進(jìn)行衛(wèi)星推進(jìn)艙和載荷艙的合艙（垂直對(duì)接）作業(yè)時(shí)，由于載荷艙內(nèi)艙板與推進(jìn)艙承力筒壓條之間間隙極小（約20 mm），對(duì)起重機(jī)升降、平移動(dòng)作的控制精度要求極高，需要控制在毫米級(jí)，否則可能對(duì)內(nèi)艙板與承力筒壓條造成損傷。

圖1 衛(wèi)星合艙作業(yè)

衛(wèi)星在吸波室內(nèi)上DUT轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)，需要通過不斷控制起重機(jī)吊鉤點(diǎn)動(dòng)升降，來微調(diào)衛(wèi)星前端和后端的高度，從而改變衛(wèi)星整體水平度，使衛(wèi)星底面能與轉(zhuǎn)臺(tái)面平行，記錄4個(gè)吊鉤秤的數(shù)值，然后控制起重機(jī)小車平移，緩慢貼近轉(zhuǎn)臺(tái)面，進(jìn)而順利完成水平對(duì)接作業(yè)，圖2所示的這一過程的控制精度通常要求在厘米級(jí)至毫米級(jí)之間。

圖2 衛(wèi)星在DUT轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)

衛(wèi)星下DUT轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)，為了確保4根吊帶的承力狀態(tài)（以之前記錄的吊鉤秤數(shù)值為依據(jù)）與之前上DUT轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)的狀態(tài)一致，避免出現(xiàn)連接螺釘承力難以拆下的情況，需控制起重機(jī)吊鉤點(diǎn)動(dòng)升降，來調(diào)大、調(diào)小吊鉤秤數(shù)值。尤其在即將接近所需的數(shù)值、數(shù)值變化在個(gè)位數(shù)時(shí)，對(duì)點(diǎn)動(dòng)的精度要求控制在毫米級(jí)。

從人員和設(shè)備兩方面綜合考慮，不同水平、經(jīng)驗(yàn)的操作人員，不同性能、特點(diǎn)的起重機(jī)帶來了太多不穩(wěn)定的因素。即使是水平高超、經(jīng)驗(yàn)豐富的吊裝操作人員也難以保證每一次點(diǎn)動(dòng)升降、平移的距離完全相同，這就為此類高精度操作的安全帶來了隱患。

1.2 特殊環(huán)境下的吊裝問題

真空熱試驗(yàn)是航天器試驗(yàn)過程中必不可少的環(huán)節(jié)，但由于熱試驗(yàn)主容器KM6、KM8內(nèi)部空間的局限性，在航天器進(jìn)入主容器或其操作平臺(tái)在主容器內(nèi)進(jìn)行拼接時(shí)，存在更高的風(fēng)險(xiǎn)性和更小的容錯(cuò)率。天和一號(hào)整器，其操作平臺(tái)外側(cè)與KM8主容器內(nèi)壁的間距不足2 m，而整器距離操作平臺(tái)內(nèi)側(cè)的最小距離不足0.7 m；天宮天舟系列整器，其進(jìn)入KM6主容器時(shí)，整器上突出物距離操作平臺(tái)內(nèi)側(cè)最小距離僅約0.1 m，如圖3所示。

圖3 天宮天舟系列整器及操作平臺(tái)進(jìn)入KM6主容器情況

此外，吊裝人員站在主容器頂端鋼平臺(tái)上進(jìn)行操作，由于是俯視作業(yè)，視線被操作平臺(tái)遮擋，為操作人員準(zhǔn)確判斷、調(diào)整航天器與操作平臺(tái)間距離，確保吊裝作業(yè)安全進(jìn)行帶來不便。

綜上所述，在這種空間狹小且視線受阻的情況下，無論是航天器還是其操作平臺(tái)，一旦起吊中心點(diǎn)沒有判斷準(zhǔn)確，導(dǎo)致起吊后航天器或操作平臺(tái)位置發(fā)生偏移，都將可能直接對(duì)航天器造成傷害。

2 起重機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用

2.1 國內(nèi)的應(yīng)用情況

2.1.1 自動(dòng)化起重機(jī)的劃分

目前，起重機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)在國內(nèi)建筑業(yè)、工業(yè)以及產(chǎn)品運(yùn)輸行業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，根據(jù)工作環(huán)境的不同，自動(dòng)化起重機(jī)系統(tǒng)可分為半自動(dòng)和全自動(dòng)兩種：

1）半自動(dòng)起重機(jī)具備人工、半自動(dòng)化控制兩種工作模式，其可以自動(dòng)執(zhí)行一部分工作流，但是在每個(gè)工作流待命點(diǎn)均需要人工干預(yù)方能繼續(xù)。

2）全自動(dòng)起重機(jī)具備人工、半自動(dòng)、全自動(dòng)控制等3種工作模式，可根據(jù)上級(jí)指令自動(dòng)分析工作流，自動(dòng)執(zhí)行全部工作任務(wù)直至人為干預(yù)中斷任務(wù)執(zhí)行。

2.1.2 自動(dòng)化起重機(jī)系統(tǒng)組成

自動(dòng)化起重機(jī)對(duì)比目前主流的以變頻器作為調(diào)速裝置的傳統(tǒng)起重機(jī)，就起重機(jī)本身結(jié)構(gòu)來說差異并不大，主要區(qū)別存在于控制器、軟件系統(tǒng)和傳感器等方面。自動(dòng)化起重機(jī)系統(tǒng)主要包含了遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)、地面系統(tǒng)及機(jī)上系統(tǒng)等3部分。

1）遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng) 用于操作人員進(jìn)行任務(wù)分配、發(fā)出作業(yè)指令、實(shí)施遠(yuǎn)程操作以及實(shí)現(xiàn)視頻、語音的實(shí)時(shí)顯示、儲(chǔ)存和回放。如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)界面

2）地面系統(tǒng) 通過激光掃描儀、旋轉(zhuǎn)云臺(tái)和控制器，對(duì)指定工作區(qū)域內(nèi)的情況進(jìn)行掃描分析和精準(zhǔn)定位，然后將信息傳輸至起重機(jī)控制系統(tǒng)。如圖5所示。

圖5 激光掃描系統(tǒng)

3）機(jī)上系統(tǒng) 根據(jù)傳輸過來的工作指令，依靠伺服電機(jī)、變頻器、編碼器及PLC控制系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)升降機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)動(dòng)作和運(yùn)行機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確定位。如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 在航天器AIT工作中的應(yīng)用

2.2.1 系統(tǒng)功能的適用性

1）遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)適用性 由于航天器AIT廠房內(nèi)設(shè)備的管理模式不同于物流倉儲(chǔ)和一般制造工廠，且視頻、音頻輸入和無線傳輸裝置的安裝、使用也有悖于現(xiàn)場的保密管理規(guī)定，再加上改造成本高、周期長，可能導(dǎo)致起重機(jī)長時(shí)間無法使用，對(duì)科研生產(chǎn)進(jìn)度造成影響，故遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)并不適用。

2）地面系統(tǒng)適用性 由于所吊裝的航天器產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)相較一般貨物結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多、吊裝要求也嚴(yán)格得多，尚不具備僅依靠3D掃描定位后即可保障安全起吊的條件，故地面系統(tǒng)并不適用，仍需要通過人工識(shí)別位置、手動(dòng)調(diào)節(jié)吊具的方式，來確保吊裝作業(yè)的安全。

3）機(jī)上系統(tǒng)適用性 機(jī)上系統(tǒng)是通過PLC系統(tǒng)編程、編碼器定位、變頻器控制來提高起重機(jī)自身的動(dòng)作精度，從而準(zhǔn)確完成工作指令。對(duì)于目前航天器廠房內(nèi)現(xiàn)用的、全車采用變頻控制的起重機(jī)而言，需要再加裝一套PLC系統(tǒng)以及用于定位的編碼器。根據(jù)測試情況，還需要采用加裝齒輪齒條導(dǎo)向軌道或設(shè)置位置校正點(diǎn)的方式來避免車輪丟轉(zhuǎn)兒等因素對(duì)定位精度的影響。因此，機(jī)上系統(tǒng)的可應(yīng)用性較強(qiáng)，改造實(shí)施可行。

綜上所述，自動(dòng)化控制起重機(jī)系統(tǒng)并不能完全適用于航天器吊裝工作，只需選取其機(jī)上系統(tǒng)部分功能對(duì)現(xiàn)用設(shè)備進(jìn)行改造，提升設(shè)備作業(yè)精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性，使其能更好地輔助吊裝操作人員作業(yè)。

改造后的設(shè)備類同于半自動(dòng)化起重機(jī)，具備人工和半自動(dòng)2種控制模式，分別通過2臺(tái)遠(yuǎn)程遙控器發(fā)布動(dòng)作指令，2臺(tái)遙控器間可根據(jù)需求隨時(shí)切換使用。

2.2.2 解決特定工序下的吊裝問題

針對(duì)前述特定工序下，需要起重機(jī)控制的動(dòng)作精度達(dá)到毫米級(jí)的問題，可應(yīng)用機(jī)上系統(tǒng)部分功能解決。起重機(jī)大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，其運(yùn)行速度為

式中：n為車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，D為車輪直徑，i為減速器速比。

起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)，其起升速度為

式中：n為升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，D為卷筒直徑，d為鋼絲繩直徑，i為減速器速比，m為滑輪組倍率。

由式（1）、式（2）可知，可通過PLC系統(tǒng)編程和編碼器（閉合增量編碼器和絕對(duì)值編碼器）控制起重機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間，從而控制起重機(jī)行走、吊鉤升降固定的距離，實(shí)現(xiàn)寸動(dòng)功能，確保操作人員每次操作后，起重機(jī)動(dòng)作的距離精準(zhǔn)且固定。目前國內(nèi)的寸動(dòng)控制精度可達(dá)到1～3 mm。起升機(jī)構(gòu)還需要根據(jù)不同吊載質(zhì)量、不同結(jié)構(gòu)鋼絲繩彈性等因素進(jìn)行調(diào)試和測試，來確保寸動(dòng)精度。高精度的距離控制可有效解決航天器裝配過程中的難點(diǎn)問題，更加安全、高效地完成吊裝作業(yè)。

2.2.3 解決特殊環(huán)境下的吊裝問題

應(yīng)用機(jī)上系統(tǒng)所提供的準(zhǔn)確定位功能，將起重機(jī)吊鉤指定停放點(diǎn)作為區(qū)域坐標(biāo)原點(diǎn)，并通過LED顯示屏實(shí)時(shí)顯示起重機(jī)吊鉤移動(dòng)后的坐標(biāo)位置。利用此功能，可有效解決特殊環(huán)境下的吊裝問題，具體流程如圖7所示。

圖7 航天器熱試驗(yàn)吊裝流程圖

利用起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的精準(zhǔn)定位和實(shí)時(shí)位置顯示功能，輔助吊裝指揮及操作人員來確保每次起吊前吊鉤的位置與之前的落點(diǎn)位置一致，以保證起吊后航天器或操作平臺(tái)不會(huì)出現(xiàn)偏移、晃動(dòng)問題，避免了對(duì)航天器造成傷害。

在此基礎(chǔ)上，可根據(jù)航天器不同產(chǎn)品平臺(tái)結(jié)構(gòu)、突出物位置等，將中心位置及突出物情況一致或相近的歸為一類，根據(jù)歸類情況，通過PLC編程分別設(shè)定2號(hào)、3號(hào)等若干個(gè)坐標(biāo)位置點(diǎn)（吊鉤指定停放位置為原點(diǎn)，編號(hào)0號(hào)；主容器圓心位置編號(hào)1號(hào)），進(jìn)一步免去了流程圖中需要人工操作找準(zhǔn)落點(diǎn)的步驟，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化控制。

同理，除熱試驗(yàn)工作外，對(duì)于質(zhì)測、力學(xué)大廳等試驗(yàn)設(shè)備位置固定的區(qū)域，也可應(yīng)用上述技術(shù)來輔助吊裝作業(yè)，確保航天器吊裝安全。

3 結(jié)語

隨著制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的不斷推進(jìn)，將會(huì)有更多、更好的科技技術(shù)接踵而至，我們應(yīng)不斷跟隨科技潮流，應(yīng)用更好的技術(shù)手段提升、完善基礎(chǔ)設(shè)備、設(shè)施能力，助力航天器AIT工作的順利開展。