火箭级段柔性数字化总对接装配设备及方法
【专利摘要】本发明公开了火箭级段柔性数字化总对接装配设备，其特征在于，包括：架车，所述架车用于支撑火箭级段；定位器，所述定位器安装于架车，用于调整火箭级段的位置。通过本发明的方案不仅可以提高火箭装配的自动化和数字化程度，降低劳动强度，提高火箭总装效率，而且可以显著减小火箭级段对接装配过程中产生的应力，从而提高火箭对接装配的质量和装配精度。
【专利说明】火箭级段柔性数字化总对接装配设备及方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及运载火箭级段数字化总对接装配领域，尤其涉及到集多余物检查与质心测量于一体的火箭级段柔性数字化总对接装配设备及方法。
【背景技术】
[0003]运载火箭作为卫星及其他航天器的主要运载工具，随着航天技术的发展，发射载荷的多样性及发射次数的密集性，对运载火箭的数量和质量需求越来越高。运载火箭总装是一个复杂的装配过程，主要分为结构安装、设备电缆安装、动力系统安装三大部分，其中结构安装是火箭总装中的重要组成部分。对多级火箭结构安装而言，其总装对接装配任务主要包括:火箭发动机与过渡段的对接、氧化剂箱与箱间段对接、燃料箱与箱间段对接、尾段与过渡段对接、级间杆系与氧化剂箱对接、级间段与燃料箱对接、组合体对接等总装工作。随着技术的发展，大型机电设备、船舶、飞机等行业已广泛利用大尺寸测量系统来指导大部件的对接装配，特别是在航空领域，由大尺寸测量系统、调姿系统、伺服控制系统构成的自动对接装配系统已大大提高了飞机的装配效率和质量。在航天领域，大型空间飞行器装配的测量主要是依赖激光跟踪仪等测量手段，大部件的对接装配也主要以手工和经验为主。
[0004]随着我国航天技术的发展，运载火箭、载人航天、登月工程和深空探测将迎来高密度并行研制、多型号密集发射和应急发射的高峰期。运载火箭要实现高性能、高可靠性和低成本的目标，在强度、刚度、质量稳定性等方面具有新的需求，同时对工艺过程控制的可靠性和稳定性提出了更高的要求。而当前火箭的对接装配工作缺乏有效的测量辅助装配手段，对接装配过程中，主要依赖经验操作，即使采用激光跟踪仪辅助装配，也较难实现目标的自动的识别和瞄准，很难实现高质量、高精度的火箭装配。因此对火箭的生产提出了“快速、高效、高可靠、数字化、柔性化、自动化装配”的强烈应用需求。
[0005]
【发明内容】
[0006]本发明解决的问题是现有技术中火箭对接装配中，难以实现目标的自动识别和瞄准，难以实现高质量、高精度的火箭装配;为解决所述问题本发明提供一种火箭级段柔性数字化总对接装配设备及方法。
[0007]本发明提供的火箭级段柔性数字化总对接装配设备包括:架车，所述架车用于支撑火箭级段;定位器，所述定位器安装于架车，用于调整火箭级段的位置。
[0008]进一步，所述架车包括结构相同的第一架车和第二架车，所述第一架车和第二架车分别设置于第一火箭级段的两端;所述定位器包括:安装于第一架车底座相对两端的第一定位器和第二定位器;安装于第二架车底座相对两端的第三定位器和第四定位器。
[0009]进一步，建立直角坐标系，第一定位器在0Χ、0Υ、0Ζ方向，第二定位器在OZ方向，第三定位器在OZ方向，第四定位器在OZ和OY方向为主动自由度;第二定位器在OY和OX方向，第三定位器在OY和OX方向，第四定位器在OX方向为被动自由度。
[00?0]进一步，所述第一定位器、第二定位器、第三定位器、第四定位器在主动自由度方向采用伺服电机+减速器+高精密滚珠丝杠的驱动和传动方式;在主动自由度和被动自由度方向采用高精度直线导轨副的支撑方式。
[0011 ]进一步，所述第一架车包括架车基座横梁、与架车基座横梁固定连接的轨道运动系统;所述第一定位器通过两套支撑直线导轨副连接在架车基座横梁，所述两套支撑直线导轨副在三自由度球铰定位器方向对称分布。
[0012]进一步，所述第一定位器包括:定位器球铰机械接口、球铰头柱、球铰柱基座、定位器基座、OX自由度的支撑导轨、OY自由度的支撑导轨、OZ自由度的支撑导轨;所述定位器球铰机械接口用于和火箭级段的外包覆环进行连接，定位器球铰机械接口通过球窝与球铰头柱上端连接;球铰头柱的下端固定在球铰柱基座上;球铰柱基座固定安装在OY自由度的支撑导轨上，OY自由度的支撑导轨通过配合面安装于OY自由度运动机构的底座平板上;OY自由度运动机构的底座平板安装在OX自由度的支撑导轨上上;OX自由度的支撑导轨安装通过配合面安装于定位器基座上;定位器基座通过OZ自由度的支撑导轨固定在架车基座横梁的一端。
[0013]进一步，OY自由度的运动通过伺服电机和减速器系统以及滚珠丝杠螺母副系统实现，伺服电机和减速器系统固定安装在OY自由度运动机构的底座平板上，滚珠丝杠螺母副系统的螺母与球铰柱基座通过螺接固定连接，滚珠丝杠螺母副系统的两端轴承支座则固定安装在OY自由度运动机构的底座平板上，OX自由度的运动通过伺服电机和减速器系统以及滚珠丝杠螺母副系统实现，伺服电机和减速器系统固定安装在定位器基座上，滚珠丝杠螺母副系统的螺母与OY自由度运动机构的底座平板之间通过螺接固定连接，滚珠丝杠螺母副系统的两端轴承支座固定安装在定位器基座上;OX自由度的运动通过伺服电机和减速器系统以及滚珠丝杠螺母副系统实现。
[0014]进一步，第二定位器的结构与第一定位器的结构一样，安装在第一架车的架车基座横梁的另一端，第二定位器的OZ自由度方向连接有伺服电机和减速器系统以及滚珠丝杠螺母副系统;所述第一架车和第二架车的结构相同，第三定位器的结构与第一定位器的结构一样，安装在第二架车的架车基座横梁的一端，第三定位器的OZ自由度方向连接有伺服电机和减速器系统以及滚珠丝杠螺母副系统；第四定位器的结构与第三定位器的结构一样，安装在第二架车的架车基座横梁的另一端;第四定位器在OZ和OY方向连接有伺服电机和减速器系统以及滚珠丝杠螺母副系统。
[0015]进一步，还包括多余物检查系统;所述多余物检查系统包括:固定连接在架车基座横梁的第一被动摩擦轮部件和第二被动摩擦轮部件;所述第一被动摩擦轮部件和第二被动摩擦轮部件分别位于安装于同一架车的两个定位器的内侧，被动摩擦轮部件通过螺旋传动沿火箭级段径向方向互相靠近或远离;还包括:安装在架车基座横梁内部的第一主动摩擦轮部件和第二主动摩擦轮部件；安装在架车基座横梁7-19内部的质心测量传感器模块基座;第一质心测量传感器、第二质心测量传感器的顶部与质心测量传感器模块基座下底面配合连接，第一质心测量传感器、第二质心测量传感器的底部分别与第一刚度增强梁、第二刚度增强梁固定连接;刚度增强梁固定在架车基座横梁底部。
[0016]本发明还提供所述火箭级段柔性数字化对接装配设备的对接装配方法。
[0017]本发明的优点包括:
该本发明提供的火箭级段柔性数字化对接装配设备集火箭级段对接调姿系统、多余物检查系统和质心测量系统于一体，通过对基于三自由度球铰定位器的调姿设备各主动自由度的控制，实现待对接火箭级段的位姿调整，并完成高精度、高质量的火箭级段对接装配操作;待火箭级段对接完成之后，可以通过定位器OZ方向的运动，使得火箭级段的外包覆环与多余物检查环节的主动驱动摩擦轮和被动支撑摩擦轮相接触，然后通过主动摩擦轮的转动带动火箭级段的外包覆环转动，从而实现整个火箭级段的转动，完成火箭级段的多余物检查;多余物检查完成后，解除被动摩擦轮与火箭外包覆环的接触，消除被动摩擦轮对火箭级段质心测量的影响，从而通过架车上的高精度压力传感器，采用四点法实现火箭级段质心测量。通过调姿系统、多余物检查系统和质心测量系统的集成满足火箭级段的数字化生产需求。
[0018]
【附图说明】
[0019]图1是本发明实施例提供的火箭级段柔性数字化总对接装配设备的工作原理示意图；
图2是本发明实施例提供的火箭级段柔性数字化总对接装配设备的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的火箭级段柔性数字化总对接装配设备的剖视图；
图4是本发明实施例提供的火箭级段柔性数字化总对接装配设备的截面图。
[0020]
【具体实施方式】
[0021]下文中，结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
[0022]请参阅图1，本实施例提供的火箭级段柔性数字化总对接装配设备对第一火箭级段和第二火箭级段进行对接装配，所述第一火箭级段由燃料箱I和级间段2组成，第二火箭级段由氧化剂箱3和过渡段4组成。
[0023]结合参考图1和图2，本实施例提供的火箭级段柔性数字化总对接装配设备包括:安装有第二定位器9和第一定位器10的第一架车7，安装有第三定位器11和第四定位器12的第二架车8，第一架车7和第二架车8通过火箭级段包覆环13对燃料箱I和级间段2组成的第一火箭级段进行支撑及调姿操作，而由氧化剂箱3和过渡段4组成的第二火箭级段则采用系统的方式通过与第一架车7相同结构的第三架车6以及与第二架车相同结构的第四架车5进行支撑和调姿。继续参考图2，每个定位器均具有0Χ、0Υ和OZ三个方向的运动自由度，因此每个火箭级段的调姿系统包括两个架车和4个定位器，若每个定位器均具有3个主动自由度，则总共具有12个自由度，而火箭级段的空间位姿仅需要6个主动自由度即可实现，每个火箭级段的调姿机构为超冗余机构，为了提高调姿精度并降低调姿运动解算和控制的难度，从而保证火箭对接装配的可靠性，第一架车7和第二架车8上的第一定位器10、第二定位器9、第三定位器11以及第四定位器12的主动自由度配置分别为3-1-2-1的自由度布局方式。第一定位器10的自由度配置:0X(前后)、0Y(左右)、oz(升降)均为主动自由度，因此，第一定位器10具有3个主动自由度;第二定位器9的自由度配置:OZ(升降)为主动自由度，OY(左右)和0X(前后)为被动自由度，因此，第二定位器9具有I个主动自由度，2个被动自由度;第三定位器11的自由度配置:0Z(升降)为主动自由度，OY(左右)和0X(前后)为被动自由度，因此，第三定位器11具有I个主动自由度和2个被动自由度;第四定位器12的自由度配置:0Z(升降)和OY(左右)为主动自由度，而0X(前后)为被动自由度，因此，第四定位器12具有2个主动自由度和I个被动自由度。
[0024]因此，各架车的主动自由度分布为:第一架车7有5个主动自由度，其中第一定位器10有3个主动自由度，第二定位器9有I个主动自由度，多余物检查有I个主动自由度;第二架车8有4个自由度，其中第四定位器12有2个主动自由度，第三定位器11有I个主动自由度，多余物检查有I个自由度;第三架车6的自由度数量及自由度配置与第一架车7—样;第四架车5的自由度数量及自由度配置与第二架车8—样。
[0025]在本发明的其他实施例中，定位器的自由度可以有不同的配置方法，调整同一火箭级段的定位器共有6个主动自由度可以使调姿精度较高，并可以降低调姿运动解算和控制的难度。
[0026]请进一步参考图3和图4，各架车的基本结构一样，架车上定位器的结构基本一致。区别在于主动自由度采用伺服电机+减速器+高精密滚珠丝杠的驱动和传动方式，以及高精度直线导轨副的支撑方式，被动自由度没有驱动和传动系统，但采用与主动自由度相同的支撑方式。因此，以第一架车7为例说明架车的构成。第一架车7上安装有两个三自由度第一定位器10和第二定位器9。第一定位器10通过三自由度球铰定位器OZ方向的两套支撑直线导轨副7-17(两套对称)连接在架车基座横梁7-19上，第二定位器9的与架车基座横梁7-19的连接方式与第一定位器10—样。架车基座横梁7-19为板材焊接而成的箱式结构，架车基座横梁7-19通过焊接的方式与架车的轨道运动系统7-18固定连接。多余物检查系统的被动摩擦轮部件7-1和7-4固定连接在架车基座横梁7-19上，并分别位于第一定位器10和第二定位器9的内侧，被动摩擦轮具有径向可调整功能，即可通过螺旋传动推动被动两个摩擦轮部件7-1进而7-4沿火箭级段径向方向互相靠近或远离，从而调整与火箭级段外包覆环系统13的接触程度，满足火箭级段辅助支撑的要求。多余物检查系统的主动摩擦轮部件7-2和7-3安装在主动摩擦轮部件和质心测量传感器模块基座7-15上，主动摩擦轮部件和质心测量传感器模块基座7-15同样采用板材焊接的结构形式，主动摩擦轮部件和质心测量传感器模块基座7-15通过两套高精度直线导轨副7-20和7-26安装在架车基座横梁7-19内部，质心测量传感器7-21和7-23的顶部均通过传感器的安装柱与主动摩擦轮部件和质心测量传感器模块基座7-15的下底面配合连接，而质心测量传感器7-21和7-23的底部则采用螺接的方式分别于刚度增强梁7-22和7-24固定连接，刚度增强梁7-22和7-24采用螺接的方式固定在架车基座横梁7-19底部。多余物检查系统的主动摩擦轮部件7-2和7-3采用同步带7-3-3同步驱动，其中伺服电机7-3-1的输出轴与高精度涡轮蜗杆减速器7-3-2的输入轴相连，而高精度涡轮蜗杆减速器7-3-2的输出轴与主动摩擦轮部件7-3的转动轴相连。主动摩擦轮部件7-2和7-3与被动摩擦轮部件7-1和7-4的轴线平行，且摩擦轮的两侧端面均分别在同一平面内。
[0027]继续参阅图3和图4，架车上定位器结构一样，区别在于主动和被动自由度的配置不一样，因此，以具有三个主动自由度的第一定位器10说明定位器组成。第一定位器10的组成如下:定位器球铰机械接口 7-5用于和火箭级段的外包覆环进行连接，球铰机械接口 7-5上有球窝，从而与球铰头柱7-30连接，球铰头柱7-30的球铰头通过下球铰衬套7-7约束在球铰机械接口 7-5上的球窝内，球铰头柱7-30的下端通过止口的配合方式通过螺接固定在球铰柱基座7-8上，球铰柱基座7-8固定安装在OY自由度的支撑导轨7-11(两套对称)上，OY自由度的支撑导轨7-11安装通过配合面安装OY自由度运动机构的底座平板上，OY自由度的运动通过伺服电机和减速器系统7-10以及滚珠丝杠螺母副系统7-9实现，伺服电机和减速器系统7-10固定安装在OY自由度运动机构的底座平板上，滚珠丝杠螺母副系统7-9的螺母与球铰柱基座7-8通过螺接固定连接，而滚珠丝杠螺母副系统7-9的两端轴承支座则固定安装在OY自由度运动机构的底座平板上，OY自由度运动机构的底座平板安装在OX自由度的支撑导轨上7-13(两套对称)上;OX自由度的支撑导轨7-13安装通过配合面安装定位器基座7-16上，OX自由度的运动通过伺服电机和减速器系统7-15以及滚珠丝杠螺母副系统7-14实现，伺服电机和减速器系统7-15固定安装在定位器基座7-16上，滚珠丝杠螺母副系统7-14的螺母与OY自由度运动机构的底座平板之间通过螺接固定连接，而滚珠丝杠螺母副系统7-14的两端轴承支座则固定安装在定位器基座7-16上，定位器基座7-16通过OZ方向的两套支撑直线导轨副7-17(两套对称)固定在架车基座横梁7-19的左侧。第二定位器9的结构形式与第一定位器10的结构一样，安装在架车基座横梁7-19的右侧，其区别在于OX和OY自由度没有伺服电机和减速器系统以及滚珠丝杠螺母副系统而已。
[0028]参阅图1、图2、图3和图4，第二架车8的结构形式与第一架车7的结构完全一样，区别在于第二架车8上的第四定位器12有2个主动自由度，第三定位器11有I个主动自由度，SP第四定位器12的OX自由度没有伺服电机和减速器系统以及滚珠丝杠螺母副系统，而第三定位器11的结构与第二定位器9的结构完全一样;此外，第三架车6的结构与第一架车7完全一样;第四架车5的结构与第二架车8完全一样。
[0029]综上所述，本发明通过将多余物检查和质心测量集成到基于三自由度球铰定位器的调姿设备上，从而可以通过基于iGPS或者激光跟踪仪的测量反馈信息得到待对接火箭级段的位姿，并通过控制算法中的运动解算和轨迹规划等，实现调姿设备个主动自由度的协调控制，完成待对接级段之间的位姿偏差调整直满足对接装配要求，该设备可以实现火箭级段对接的数字化和自动化。此外，集成的多余物检查和质心检测系统，可以通过一次预吊装即可完成多种火箭装配和检测操作。通过本发明，解决目前火箭级段对接装配对对高质量、高精度、高效率、自动化和数字化程度高的需求问题。
[0030]本发明实施例提供的火箭级段柔性数字化总对接装配设备可以根据iGPS测量得到的待对接装配的两段火箭级段的位姿信息，及由测量得到的待对接火箭级段的相对位姿偏差解算得到的各轴运动轨迹，实现待对接装配火箭级段的相对位姿偏差调整，从而使得待对接火箭级段的位姿满足对接装配的要求。此外，本发明中的集多余物检查与质心测量于一体的火箭级段数字化柔性总对接装配设备，将火箭级段的多余物检查和质心测量集成到调姿设备上，从而不仅可以实现火箭级段的对接装配需求，而且可完成火箭级段的多与物检查和质心测量。
[0031]本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
【主权项】
1.火箭级段柔性数字化总对接装配设备，其特征在于，包括:架车，所述架车用于支撑火箭级段;定位器，所述定位器安装于架车，用于调整火箭级段的位置。2.依据权利要求1所述的火箭级段柔性数字化总对接装配设备，其特征在于，所述架车包括结构相同的第一架车和第二架车，所述第一架车和第二架车分别设置于第一火箭级段的两端;所述定位器包括:安装于第一架车底座相对两端的第一定位器和第二定位器;安装于第二架车底座相对两端的第三定位器和第四定位器。3.依据权利要求2所述的火箭级段柔性数字化总对接装配设备，其特征在于，建立直角坐标系，第一定位器在OX、OY、OZ方向，第二定位器在OZ方向，第三定位器在OZ方向，第四定位器在OZ和OY方向为主动自由度;第二定位器在OY和OX方向，第三定位器在OY和OX方向，第四定位器在OX方向为被动自由度。4.依据权利要求3所述的火箭级段柔性数字化总对接装配设备，其特征在于，所述第一定位器、第二定位器、第三定位器、第四定位器在主动自由度方向采用伺服电机+减速器+高精密滚珠丝杠的驱动和传动方式;在主动自由度和被动自由度方向采用高精度直线导轨副的支撑方式。5.依据权利要求3所述的火箭级段柔性数字化总对接装配设备，其特征在于，所述第一架车包括架车基座横梁、与架车基座横梁固定连接的轨道运动系统;所述第一定位器通过两套支撑直线导轨副连接在架车基座横梁，所述两套支撑直线导轨副在三自由度球铰定位器方向对称分布。6.依据权利要求3所述的火箭级段柔性数字化总对接装配设备，其特征在于，所述第一定位器包括:定位器球铰机械接口、球铰头柱、球铰柱基座、定位器基座、OX自由度的支撑导轨、OY自由度的支撑导轨、OZ自由度的支撑导轨;所述定位器球铰机械接口用于和第一火箭级段的外包覆环进行连接，定位器球铰机械接口通过球窝与球铰头柱上端连接;球铰头柱的下端固定在球铰柱基座上;球铰柱基座固定安装在OY自由度的支撑导轨上，OY自由度的支撑导轨通过配合面安装于OY自由度运动机构的底座平板上;OY自由度运动机构的底座平板安装在OX自由度的支撑导轨上上;OX自由度的支撑导轨安装通过配合面安装于定位器基座上;定位器基座通过OZ自由度的支撑导轨固定在架车基座横梁的一端。7.依据权利要求6所述的火箭级段柔性数字化总对接装配设备，其特征在于，OY自由度的运动通过伺服电机和减速器系统以及滚珠丝杠螺母副系统实现，伺服电机和减速器系统固定安装在OY自由度运动机构的底座平板上，滚珠丝杠螺母副系统的螺母与球铰柱基座通过螺接固定连接，滚珠丝杠螺母副系统的两端轴承支座则固定安装在OY自由度运动机构的底座平板上，OX自由度的运动通过伺服电机和减速器系统以及滚珠丝杠螺母副系统实现，伺服电机和减速器系统固定安装在定位器基座上，滚珠丝杠螺母副系统的螺母与OY自由度运动机构的底座平板之间通过螺接固定连接，滚珠丝杠螺母副系统的两端轴承支座固定安装在定位器基座上;OX自由度的运动通过伺服电机和减速器系统以及滚珠丝杠螺母副系统实现。8.依据权利要求7所述的火箭级段柔性数字化总对接装配设备，其特征在于，第二定位器的结构与第一定位器的结构一样，安装在第一架车的架车基座横梁的另一端，第二定位器的OZ自由度方向连接有伺服电机和减速器系统以及滚珠丝杠螺母副系统;所述第一架车和第二架车的结构相同，第三定位器的结构与第一定位器的结构一样，安装在第二架车的架车基座横梁的一端，第三定位器的OZ自由度方向连接有伺服电机和减速器系统以及滚珠丝杠螺母副系统;第四定位器的结构与第三定位器的结构一样，安装在第二架车的架车基座横梁的另一端;第四定位器在OZ和OY方向连接有伺服电机和减速器系统以及滚珠丝杠螺母副系统。9.依据权利要求8所述的火箭级段柔性数字化总对接装配设备，其特征在于，还包括多余物检查系统;所述多余物检查系统包括:固定连接在架车基座横梁的第一被动摩擦轮部件和第二被动摩擦轮部件;所述第一被动摩擦轮部件和第二被动摩擦轮部件分别位于安装于同一架车的两个定位器的内侧，被动摩擦轮部件通过螺旋传动沿火箭级段径向方向互相靠近或远离;还包括:安装在架车基座横梁内部的第一主动摩擦轮部件和第二主动摩擦轮部件;安装在架车基座横梁7-19内部的质心测量传感器模块基座;第一质心测量传感器、第二质心测量传感器的顶部与质心测量传感器模块基座下底面配合连接，第一质心测量传感器、第二质心测量传感器的底部分别与第一刚度增强梁、第二刚度增强梁固定连接;刚度增强梁固定在架车基座横梁底部。10.权利要求1至9所提供的火箭级段柔性数字化总对接装配设备的对接装配方法。
【文档编号】B23P19/10GK106078190SQ201610528851
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】庹福幸, 郭立杰, 曹晓
【申请人】上海航天设备制造总厂