运载火箭的总对接装备详细解析

4.2.4.1　新型柔性总装对接装备概述

（1）运载火箭自动化总对接装备柔性化需求。我国运载火箭在呈现产品化、系列化、规模化趋势的同时，在具体型号上也表现出很强的个性化和差异性，在生产装配中不仅对装配效率、质量一致性等方面提出了高要求，同时也对装配调姿装备的柔性化、集成化提出了强烈需求，以便提高装配过程的装配效率，适应不同型号、不同设计参数运载火箭的高质量高效率装配。

（2）多余物检查、质量质心测试功能集成化需求。按照目前的工艺流程，大型部件对接装配、多余物滚动检查和质量质心测试环节都须在不同工位完成，而且质量质心测试和多余物检查都需要多次装拆滚动环、采用行车在多工位之间吊转、经人工辅助完成，整个流程步骤复杂、工位多，严重影响了运载火箭总装效率。因此，我国航天企业对集成多余物检查、质量质心测试功能于一体的运载火箭自动化柔性对接装备有迫切的需求。

（3）多功能集成的自动化动力系统斜主导管安装装备需求。以长征四号运载火箭为代表的二子级斜导管安装调姿装备除了需要集成多余物滚动检查、质量质心测试功能外，由于斜主导管需要安装于二子级燃料箱的隧道管中，燃料箱隧道管轴线与燃料箱轴线存在11°10′的角度，所以二子级主导管安装工艺流程及工艺装备与一子级不同。 目前安装工艺既难以保证对接端面的平行度，也难以保证燃料箱隧道管处于贮箱中心水平面内，经常使动力系统斜主导管处于带载状态，不仅装配效率低，而且存在安全隐患。因此，我国航天企业也对多功能集成的自动化动力系统斜主导管安装装备提出了迫切需求。

（4）基于水平装配模式的自动化发动机翻转对接装备的需求。发动机安装过程相当复杂：发动机是通过桁车吊装进行对接，调节自由度少，姿态调整困难；对接精度依靠人员目测对接面的安装螺孔是否对齐，通过口令协调指挥精车司机和地面人员继续调整，甚至采用撬棍等辅助工具完成安装；对接时间长，配合人员多，存在信息传递丢失情况。因此，我国航天企业亟需研制基于水平装配模式的自动化发动机翻转对接装备来解决其对接过程中存在的装配周期长、数据采集和过程追踪困难以及质量一致性不高等问题。

（5）垂直装配装备的研制需求。三级火箭现阶段采取的是水平装配，从美国、俄罗斯等国最新的装配工艺设计来看，垂直装配可以增加装配人员的可达范围，对其提供良好的作业环境，有效避免对箭体、发动机或管线的踩踏，减少高空作业的难度。我国三级箭体结构配套产品共有8项，主要产品有发动机舱、支承舱、发动机、姿控发动机组合、三级过渡段、三级伺服机构。三子级结构件的特点是体积小、重量轻，因此我国对研制自动化垂直装配装备以避免踩踏箭体或者发动机，提高装配质量一致性和装配效率有强烈需求。

4.2.4.2　运载火箭总对接设备研制

1）运载火箭自动化柔性总装工艺

为了提高运载火箭装配工艺中的质量控制难题，首先开展大部段结构对接装配最优匹配位形综合评价方法研究，实现总装过程的最佳位形对接；在最佳位形对接的基础上，进行运载火箭总装过程装配偏差传递建模及偏差累积计算，定量分析装配前后偏差的传递规律；最后进行基于自动化调姿装配的总装工艺设计，实现自动化装配。总体技术路线如图4-76所示。

图4-76　运载火箭自动化柔性总装工艺技术路线

基于自动化调姿装配的总转工艺与传动的基于手工调试的工艺有很大区别，如图4-77所示，整个自动化调姿总装工艺可以分为三个部分：测量系统通过高精度数字化测量设备对部件对接结构关键特征点进行测量，实现零件偏差和装配协调偏差的检测；最佳调姿对接系统根据部件的装配需求和检测得到的匹配偏差，通过计算模拟得到零件最佳匹配位置，实现最优装配。装配数据库保存装配部件主要几何参数、关键特征偏差模型，以及装配过程的其他必要数据信息。

销孔对接是火箭部段装配最主要的装配形式，由于关键特征点的数量不多，且点的对应关系是已知的，采用带权重的对应点距离平方和建立综合偏差评价模型，权重的设置根据现场经验或对接结构特征的刚度分布特性进行选取，如图4-78所示。通过迭代优化算法获得最佳位姿调整量，采用点集最佳配准后的对应点距离的最大值作为点集匹配的偏差评价指标。

图4-77　自动化柔性总装工艺设计方法示意图

图4-78　火箭部段对接装配关键特征位置

火箭部段装配时，直线特征的匹配以导管轴线配合为主，通过旋转平移矩阵获得经过刚体位姿变换后的对应直线上测点的位置，根据最小二乘拟合获得对应直线的方向向量，计算匹配的两直线上所有测点到另一直线的有向距离，从中选取极值作为两个直线特征匹配偏差评价指标，并根据实际经验或各特征刚度特性分配权重值，用于指导后续装配。将实际测量坐标系和理论参考坐标系内的各测点在同一坐标系下描述，建立以旋转矩阵和平移矩阵为优化变量，各偏差评价指标为目标函数的多目标优化模型，通过优化计算可知在特定旋转和平移矩阵作用下优化目标函数的最优解，将此时的综合偏差评价指标作为描述部件制造准确度和协调装配准确度的评价指标，并用得到的旋转矩阵和平移矩阵用于指导部件的最优位置装配，如图4-79所示。

2）基于水平装配的多功能调姿装备拓扑结构设计

根据火箭总装工艺要求，火箭装配主要包括筒段对接和发动机对接两个部分的工作，自动化对接装配总体方案如图4-80所示：Y箱是火箭装配固定筒段，R箱是火箭装配运动筒段，分别由两个筒段调姿机构支撑，通过两个筒段调姿机构的配合可实现R箱相对于Y箱的空间6自由度运动；在调姿同时，机构需要具有多余物检测（部段需实现全周回转）和自动称重功能。翻转机构通过缓存框架带动火箭发动机运动，进行与尾段之间的卧式装配。

图4-79　部件对接装配偏差综合评价方法

图4-80　运载火箭一子级自动化对接装配示意图

根据各筒段和发动机的结构特点和对接工艺要求，首先需要分析调姿和对接操作的任务特征，确定单台定位机构的结构和自由度；其次，根据各调姿方向上运动范围需求，对机构进行运动学分析和参数优化，确定调姿机构主要构件尺寸和驱动布置参数；根据一子级部件重量和支撑机构末端定位精度要求，进行机构静力分析，优化支撑机构末端承载能力和末端刚度特性，确定支撑机构主要构件结构设计方案。

图4-81　筒段调姿机构结构与功能示意图

（1）六自由度调姿装备机构拓扑构型设计。根据装配工艺要求，单个调姿机构（图4-81）需要具有沿导轨X轴方向、垂直导轨的Y轴向和Z轴向的三维移动自由度，以及绕X轴的全周回转自由度。具体实现方式如下：X轴方向可通过推动实现沿轨道运动、垂直导轨的Y轴向移动自由度通过直线导轨滑块实现，驱动载荷可由电机丝杠直接提供；沿竖直Z轴向的移动自由度由对称布置的双侧推杆驱动，通过冗余驱动实现大负载下的举升操作，支撑环形架通过移动-转动复合铰链与Y轴向移动平台连接，在保证竖直运动不受阻碍的条件下对筒段的横向移动进行限位保护。

图4-82　筒段调姿机构的协调运动

在实际的调姿过程中，筒段固定于两台调姿机构之上，通过两台四自由度架车的协调运动，可实现筒段的六自由度调姿。当两台架车同步运动时，可实现X、Y、Z轴方向的平动以及绕X轴的滚转。当前后两台架车进行差动驱动时，通过对应运动的差速或反向运动，则可以实现筒段对接所需的绕Y轴以及绕Z轴的转动（图4-82）。具体实现方式如下：X轴向移动：前、后两台调姿机构的X轴方向电机同步运动；Y轴向移动：前、后两台调姿机构的Y轴方向电机同步运动；Z轴向移动：前、后两台调姿机构的对称布置双侧推杆同步运动；绕X轴整周滚转（多余物检查）：前调姿机构驱动，后调姿机构随动；绕Y轴转动（俯仰）：前、后两台调姿机构在Z轴方向上以不同位移运动，筒段的支撑通过环形支撑架下方的虎克铰实现自适应调节；绕Z轴转动（偏航）：前、后两台调姿机构在Y轴方向上以不同位移运动，筒段的支撑通过随动回转平台实现自适应调节。(www.xing528.com)

（2）具有多型号适应性的柔性托架设计。通过丝杠滑轨结构，将托架内用于支撑抱箍的“齿轮—滚轮”固定结构设计为“横向可动，高度可调”的活动支撑结构。两个方向的调整能力可使得支撑点随不同型号的直径变化而进行相应的改变，进而使得架车具有更换多个直径抱箍的能力，从而实现一车多用，提高装备柔性，适应柔性装配的要求。

图4-83　筒段调姿机构示意图

（3）多余物检测功能设计。绕X轴的全周回转运动可由回转驱动电机、齿轮和齿圈抱箍配合实现，齿圈抱箍由两个半齿圈组成，下半部分一直保存于架车内部，与多组齿轮相啮合；上半部分可分离吊装至车间保存工位，待筒段上架后再吊装至筒段上方并与下半部分进行连接。抱箍外圈为与齿轮模数一致的齿形，与回转驱动齿轮实现啮合传动（图4-83）；通过抱箍的转动带动筒段进行整周转动，即可实现多余物检测功能。

（4）质量特性检测。调姿机构的机架上装有称重传感器，称重传感器由六维力传感器以及托架组成，当支撑环形架向下运动至最低位置时，部段本体会与称重单元相接触并脱离抱箍，如图4-84所示。此时，各称重传感器将检测出各自位置所表现出的各个方向的力以及力矩情况。将称重传感器所反馈的实时数据分别进行质量叠加与质量分配计算及几何分析，即可实现自动称重与质心测量功能。

3）基于水平装配的斜主导管安装装备拓扑结构设计

（1）调姿定位机构设计。斜导轨对接架车上部采取与一子级对接架车相同的方案，具备多自由度协调功能；同时在底车上方添加斜向导轨，方向与主导管方向平行，如图4-85所示。

（2）二子级总体对接装配方案。运载火箭二子级斜导管对接装配总体示意图如图4-86所示。整体工作过程如下：对接架车首先沿地面竖直导轨向前运动；当底端框架足够靠近时，下方导轨轮停止运动，上端调姿装置开始沿斜导轨运动；当燃料箱和氧化剂箱足够靠近时，开始进行精密调姿进行安装。

图4-84　筒段称重装置示意图

图4-85　运载火箭二子级斜导管对接调姿机构

图4-86　运载火箭二子级斜导管对接装配示意图

图4-87　发动机翻转机构示意图

（3）基于水平装配的发动机翻转装备拓扑结构设计。根据发动机对接工艺要求，调姿机构（图4-87）需要具有沿Z轴方向的移动自由度和绕Y轴的全周回转自由度，同时调姿机构整体需要能够沿导轨进行大范围的进给运动，以满足对接要求。

4）三子级垂直装配装备拓扑结构设计

火箭三子级舱段-发动机垂直对接机构最终实现四个自由度的运动，即三平动一转动。考虑到并联机构控制复杂，加工制造精度较高，这里采用类直角轴机床形式布局。此调姿机构的总体布局形式见图4-88，其中沿轨道方向为X轴方向。上级筒段和对应工装金属笼置于翻转机构上；发动机垂直对接机构位于翻转机构下方，实现对发动机的四自由度调姿运动。

调姿机构具体工作流程如图4-89所示，共分为八个核心步骤。初始时如图4-89所示，对其Y轴方向位置进行校正，校正后如图4-89a所示。随后调姿机构沿X轴方向运动，使得发动机的工装与上级筒段工装同心对准，如图4-89 b所示。然后调整Z轴方向转角，使得工装孔位对齐，如图4-89c所示。升高立柱，调整Z轴方向位置，使得工装孔位相接触，完成对接，如图4-89d所示。随后调整立柱高度，撤出调姿机构。降低对接完成的部件高度，如图4-89e所示。最后驱动翻转机构进行90°翻转，使部件中心轴线水平，完成调姿过程，如图4-89f所示。

4.2.4.3　运载火箭总对接设备工艺验证

针对运载火箭箭体对接依赖人工协调口令指挥、箭体对接调姿困难、存在强行装配等问题，开展了自动化对接装配技术研究，使得适用于运载火箭结构的多功能多自由度调姿装备的设计、大尺寸测量系统现场快速标定方法、大尺寸测量系统不确定度表达合成及传递规律等四项关键技术有所突破，研制了调姿装备、测量系统及控制系统，实现了运载火箭筒体构件的自主测量—调整—匹配—对接的闭环装配。

图4-88　垂直对接机构示意图

图4-89　垂直装配过程示意图

针对火箭筒体总装对接装配的生产特点，研制了装配调节多点支撑的拓扑结构，分析运动范围、灵巧工作空间、承载能力和末端刚度特性，优化了机构的布置方式；研究系统误差传播规律，最终实现调姿系统结构的方案设计与制造。火箭总对接装备如图4-90所示。

图4-90　火箭总对接装备

构建了大范围装配位姿测量系统，建立测量系统的定位模型，研究现场标定技术、布站规划和测点优化技术、多源误差测量信息融合技术、传感器优化配置技术，最终实现大尺寸部件装配位姿的精确测量。以轨迹规划算法计算出的轨迹为期望位置，以局域空间定位系统的实际位置为反馈信号，通过伺服控制器的进行多轴运动分解，实现多自由度调姿系统的协调控制，最终实现减少调整次数，提高总装对接的效率。

基于开发多自由度调姿系统、大尺寸实时装配位姿测量系统、多自由度协调控制系统，对装配对象实施测量—匹配—调姿的全闭环验证，实现大部件装配对接的自动化、柔性化。