火箭舱体激光引导辅助装配技术研究_叶顺坚.pdf

第45卷 第02期 2023-02【43】收稿日期：2021-03-09作者简介：叶顺坚（1985-），男，浙江乐清人，高级工程师，硕士，研究方向为先进装配技术、数字化质量管理等。火箭舱体激光引导辅助装配技术研究Research on laser guided assisted assembly technology of rocket cabin叶顺坚*，郑 凯，刘立安，张 波，游廷光YE Shun-jian*，ZHENG Kai，LIU Li-an，ZHANG Bo，YOU Ting-guang（上海航天精密机械研究所，上海 201600）摘 要：针对运载火箭舱体手工装配存在的痛点问题,开展了基于激光引导的辅助装配技术研究。采用激光投影系统标定、激光引导装配模拟仿真等关键技术，并构建了激光引导辅助装配方法，实现了火箭贮箱箱底上支架、支座等产品的高精度引导式装配。研究对火箭结构件数字化装配，提高装配质量和效率具有一定的参考价值。关键词：激光投影；引导装配；火箭舱体；辅助装配中图分类号：TH186 文献标志码：A 文章编号：1009-0134(2023)02-0043-030 引言运载火箭舱体(包含铆接舱段和贮箱)是其结构系统的主要组成部分，是它的基体，舱体里安装着各种仪器设备、承载着全部载荷、储存着全部燃料，火箭舱体的装配质量直接决定了火箭的可靠性1。但当前舱体上的支架、支座、角片等产品仍沿用人工手动测量、引基准、划线、定位的方式安装，质量一致性差且效率低、劳动强度大。传统的装配方式无法保障运载火箭高强度研制、高密度发射的需求。随着MBD技术在飞机装配领域的广泛应用，一项新兴的技术-激光引导装配技术在国内外航空、航天、船舶等装配领域得到了快速发展与应用，取得了较好的效果，如利用激光投影技术实现飞机导管支架高效高质安装1、某部件机翼连接孔高精度定位2,3、复合材料高精度铺层4,5、飞机典型壁板结构件高精度装配6等。目前，国内航天领域，正在开展基于激光引导的火箭舱体辅助装配技术研究与应用工作。1 激光引导装配介绍1.1 激光引导装配应用情况随着光电技术、计算机技术的不断发展，上世纪80年代开始，国外航空企业陆续开展了激光引导装配技术应用，取得了很好的效果，如洛马公司在JSF产线上大量应用激光投影设备（如图1所示），每架JSF战斗机的生产周期由之前的15个月缩短到了5个月，工装数量从300多个降低到不足20个，实现降低成本二分之一。激光投影技术是以三维数模为基础，根据装配需要，将被投影产品特征信息以激光线的形式一比一呈现在投影面上，起到高精度的引导式装配，其中激光为CLASS安全等级。同时，激光投影在装配完成后的检验环节，可以完成“智能识别”产品的安装数量、位置与质量，起到检验把关作用。图1 激光引导装配图1.2 激光引导辅助装配原理激光投影设备是激光投影系统的主要部件，一般有激光光源、扩散器、X振镜、Y振镜、光速转向镜、防护镜头等组成，如图2所示7。图2 激光投影原理图激光光源通过一对扩散器以及在X-振镜、Y-振镜上反射与操作，将激光束进行扩散，并在远处物体上进行对焦。再通过控制系统的精确处理，借由转向镜及防护镜头，输出高精度激光线条，即生成可见图案、标识、三维及二维光线等。【44】第45卷 第02期 2023-022 激光引导辅助装配关键技术2.1 激光投影系统标定为了获得高精度的投影成像效果，需要对系统进行标定，统一世界坐标系与激光3D投影系统坐标系。世界坐标系与激光3D投影系统坐标系均符合笛卡尔右手坐标系规则，如图3所示。设世界坐标系0-XYZ的单位矢量(i,j,k)，O为世界坐标系原点。设激光3D投影系统坐标系O-XYZ的单位矢量(i,j,k)，激光3D投影系统坐标系在世界坐标系内的余弦用(uxi,uyi,uzi)表示，i=1,2,3,O为激光3D投影系统坐标系原点，其在世界坐标系内的相对坐标为(xo,yo,zo)。其中是投影工作面上的目标点，在世界坐标系内的坐标为（x,y,z），在激光投影系统坐标系内的坐标为（x,y,z）8,9。图3 坐标系标定原理图可知，世界坐标系和激光3D投影系统坐标系的几何关系如下：+=+=+=kujuiukkujuiujkujuiuizzzyyyxxx321321321 (1)即：+=o 333222111oozyxzyxzyxzyxzyxuuuuuuuuuzyx (2)设旋转矩阵为R：R=32132132x1zzzyyyxxuuuuuuuuu (3)则：=1333222111oooooozyxzyxzyxzzyyxxRzzyyxxuuuuuuuuuzyx (4)在激光投影坐标系转化时，分别绕X、Y和Z轴旋转、角度，可建立2个坐标系的联系，因此激光3D投影系统坐标系和三维数模坐标系之间可以进行相互转换，如式(5)所示：=coscoscossinsincossinsinsincoscoscossinsinsinsincossinsincossincossincoscossinsincoscosxyzRRRR(5)系统标定时，以标准标定板为准，通过标定板上的目标定位点、孔位进行标定，目标定位点和孔的实际数值由激光跟踪仪测得。2.2 激光引导装配模拟仿真舱体支架、支座装配环节最重要的是确定基准，基准位置的准确与否直接决定火箭支架装配质量。由定位原理可知，至少需要3个点才能定位一个产品，但工程实践表明，3点定位往往导致偏差过大，因此在模拟仿真定位时，选取6点定位开展仿真试验。通过测量投影产品上的6个目标点，能够获得包含（，PX，PY，PZ）6个未知数的大量方程，如表1所示，其中V为垂直方位角、H为水平俯仰角10,11，用Matlab软件对方程进行解算。表1 目标点参数值PV（）H（）（x y z）P1V1H1（x1 y1 z1）P2V2H2（x2 y2 z2）P3V3H3（x3 y3 z3）P4V4H4（x4 y4 z4）P5V5H5（x5 y5 z5）P6V6H6（x6 y6 z6）同时，在Catia软件中确定6个目标点的数模参数值，再利用Matlab软件对激光投影坐标系下的目标点数值与Catia软件中的目标点数值进行仿真，仿真误差结果如图3所示，实际激光投影坐标系下的目标点与数模目标点误差约为0.07mm，满足舱体装配需求。图4 偏差曲线图3 激光引导辅助装配方法激光引导辅助装配技术在舱体装配中应用研究主要包括系统标定（详见2.1章节）、模拟仿真（详见2.2章节）、三维建模、特征处理、坐标构建、过程验证、工艺第45卷 第02期 2023-02【45】优化等，总体实施思路如图5所示。舱体三维建模系统标定模拟仿真投影坐标构建被投影特征处理数模导入投影软件过程验证基准的选取、比对被投影零件的定位投影检测投影数据输出工艺优化数字化激光投影技术应用图5 总体实施路径3.1 三维建模选取典型的火箭贮箱箱底，构建其三维数模，产品上的显著特征，如基准线、基准面、被安装产品以及开孔、标准圆等需在数模中一一呈现，如图6所示，并确保三维数模的准确性（装配中不使用或不能作为参考基准的其他特征可不用建模）。图6 产品三维数模3.2 特征处理支架、支座等定位主要依靠特征信息，例如基准线、基准孔、基准边以及其他点线面等，如图7所示。将需投影的零部件特征信息进行筛选、提取，转化。产品安装时，将待定位零部件的特征信息投影至产品表面上，将零部件调整好位置后摆放至外形与激光线条重合，确定航向、孔位等信息无误后，即定位完成。图7 投影特性信息3.3 坐标构建选取XX型号运载火箭箱底作为应用对象，选择箱底上的6处目标点为基准点，构建实物坐标系，如图8所示，实物基准与软件中的三维数模基准进行比对，最大误差为0.12mm，满足贮箱箱底支架、支座等装配要求。图8 激光投影坐标建立3.4 过程验证激光辅助引导装配结束之后，对于引导装配结果的验证可采用两种方法，分别为：1）更换投影坐标系，利用数模重新开展一次投影作业，测量比较实际安装位置与理论安装位置的匹配性；2）采用传统测量方式，利用样板、模具以及量具检验产品安装位置的正确性。4 火箭舱体激光引导辅助装配应用以XX型号运载火箭贮箱箱底装配为对象，采用法如TracerSI型号激光投影系统，开展应用验证。在火箭舱体支架、支座安装上开展了激光引导装配试验，选取4个基准象限以及2处标准孔位，控制激光投影设备捕捉6处基准点靶标，建立实物坐标系，经测量分析实物坐标与三维数模理论坐标存在0.35mm偏差，满足装配要求。选取支架、支座两侧安装边及圆孔等特征信息进行投影输出，如图9所示，经激光跟踪仪测量以及划线验证，激光投影输出线条与理论安装位置无偏差，满足技术文件要求，具有较好地激光引导装配及过程验证效果。图9 支架、支座激光引导装配图5 结语激光引导装配技术是新兴的数字化装配技术，在火箭舱体装配中能够起到高质高效的引导装配，与传统的人工手动划线以及工装、模具等装配方式相比，有如下几个方面的优势：1）通过激光引导式装配，可以最大限度较少人工操作时人为因素的影响，安装精度更高，定位精度能够达到0.3mm每5米；【下转第84页】【84】第45卷 第02期 2023-02Hip Assist Robot Can Improve Gait Function and Cardiopul-monary Metabolic Efficiency in ElderAdults,IEEE Transactions on Neural Systems&Rehabilitation Engineering,2017,25(9):1549-1557.20Ding Y,Kim M,Kuindersma S,et al.Human-in-the-loop optimization of hip assistance with a soft exosuit during walkingJ.Science Robotics,2018,3(15):eaar5438.21 S.Jin,S.Guo,and K.Hashimoto,Effects of a soft wearable robotic suit on metabolic cost and gait characteristics,The 17th International Conference on Control,Automation and Systems,Korea,2017:1001-1012.22Sekiya N,Nagasaki H.Reproducibi-lity of the walking patterns of normal young adults:test-retest reliability of the walk ratio(step-length/steprate)J.Gait&Posture,1998,7(3):225-227.23Rota V,Perucca L,Simone A,et al.Walk ratio(step length/cadence)as a summary index of neuromotor control of gait:application to multiple sclerosis.J.International journal of rehabilitation research.Internationale Zeitschrift fr Rehabilitationsforschung.Revue internationale de recherches de-radaptation,2011,34(3):265-9.24Kalron,Alon.Construct validity of the walk ratio as a measure of gait control in people with multiple sclerosis without mobility aidsJ.Gait