大尺寸测量设备高空精测平台的研制

孙安斌，高廷，乔磊，马骊群，王继虎，甘晓川，曹铁泽

(航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095)

0 引言

激光跟踪仪、激光雷达、经纬仪、摄影测量系统等大尺寸测量设备广泛应用于飞机、空间站、火箭、紧缩场等大型系统部装及总装过程中的精密测量[1-4]。由于大尺寸精测设备原理及测量范围不同，需要将其放置在空间中的不同位置实现站位优化，以实现高精度测量并满足可视化要求。例如：为满足某大型紧缩场测量装配需求，需要将两台激光跟踪仪组网布局。经分析优化，两台激光跟踪仪安装在距离紧缩场12 m、间距6 m、高度8.5 m的位置组网测量才能满足需求精度[5]。为实现精确测量还需要测量设备到达测量位置后,在测量时间内保持其支撑位置的稳定。近年来，随着大型精密系统应用的增多，对测量的准确性及效率提出了更高的要求。因此，迫切需要一种可靠性好、热涨系数低、无需拆卸、方便运输、具有多种大尺寸测量设备承载能力且接口通用性好的精测平台，克服已有支撑装置无法同时满足自动行走自动升降并兼顾稳定性的难题。

1 系统设计

大尺寸测量设备高空精测平台首先需具有良好的载重能力。本文研制的精测平台以能够承载目前最重的大尺寸测量设备——激光雷达为设计目标，确定载荷为60 kg；此外，精测平台的支撑高度需能够满足绝大多数大型装备的检测要求，根据某大型空间探测器星敏传感器、IMU传感器等实际检测需求，设计平台最大支撑高度为8.5 m；根据集装箱运输需求，设计平台收缩后高度为2.4 m；根据跟踪仪及经纬仪等大尺寸测量中的准确性需求，设计平台工作高度范围内的稳定性指标为：沉降率不大于0.02 mm/h，经纬仪水平变化不大于5″/h；同时，考虑到设备支撑的安全性需求，要求平台升降到指定高度后能够进行安全自锁。

根据以上要求，设计了如图1所示的大尺寸测量设备高空精测平台。此平台由自动全向移动的底座、自动稳定升降支撑的主体五级伸缩碳纤维筒部件、增加稳定性的斜支撑固定杆及随动杆、包络多种测量设备安装的设备转接盘、满足经纬仪精测需求的连续升降台及控制系统等部件组成。

图1 大尺寸测量设备高空精测平台结构组成图

1.1 全向移动底座

全向移动底座是整个精测平台的基础，其主体结构采用材质为Q235A的热轧槽钢与钢板焊接而成，采用纵横交错的立筋焊接，具有较高的强度和稳定性，焊接后采用退火工艺消除内应力，以满足使用时的稳定性需要。底座主体结构中间采用凹陷设计，以降低升降筒收缩后的高度；并利用四角空间安装螺旋升降调整装置以固定支撑底座，保持设备精测时的稳定；4个自动全向轮安装在螺旋升降调整装置内侧，实现全向移动。底座主体结构顶面安装有主体伸缩碳纤维部件、斜支撑杆等，实现测量设备的自动稳定升降。整体结构如图2所示，其内部集成有充供电系统、蓄电池系统、控制系统，用于整体设备的供电和控制；整个驱动轮、升降机构安装在其内部，保证结构的紧凑美观；前后及侧面安装有避障传感器用于避开障碍物及障碍物预警。

图2 全向移动底座内部结构图

1.2 主体伸缩碳纤维部件

主体伸缩碳纤维部件作为精测平台的主升降部件，须同时解决自动升降与稳定支撑两个难题以满足精测需要。若采用钢质材料，按照线性膨胀系数为1.2×10-5计算，1℃的温度变化引起8 m支撑高度的热涨为0.1 mm，考虑到实际测量环境的不稳定性，此变化量不能满足精测需求。因此采用热涨系数为1.6×10-6的碳纤维作为主体伸缩部件材料。采用碳纤维材料带来两个难题：一是导向不能采用金属配合实现，因此采用与碳纤维摩擦系数小的聚四氟乙烯材料制造导向环，每节碳纤维筒设计双导向环保证导向稳定；二是采用套筒驱动时同步丝杠须克服转向力矩，故在碳纤维内部嵌装导轨。由于碳纤维热涨系数与普通钢热涨系数相差较大，为防止内嵌导轨与碳纤维产生应力发生变形，影响测量准确性，内嵌导轨采用殷钢材料制造。

为实现大尺寸测量设备的稳定支撑及驱动，研制的主体伸缩碳纤维部件结构由五级伸缩筒、顶层支撑筒、筒间锁紧机构、筒内导向单元、多级套筒驱动丝杠等部件组成。主体伸缩碳纤维部件的一级升降筒固定，三到四级伸缩筒能够同步伸缩，中心采用四级套筒丝杠支撑驱动，传动原理如图3所示。抬升时，底部一级丝杠旋转带动丝杠螺母向上运动，碳纤维筒在殷钢导轨的限制下不能旋转，从而推动二级伸缩筒伸出；一级推杆上部设计的外花键同时将力矩传递到二级推杆内部的内花键上，带动二级推杆绕与一级导向环连接的轴承旋转，从而带动二级导向环上安装的丝杠螺母上升，推动三级升降筒的上升，依次类推，实现整个伸缩结构的抬升。反之缩回过程同理，实现支撑筒的同步伸缩。

图3 伸缩结构示意图

为使碳纤维筒升降后具有支撑作用，在筒间上部导向环处设计有筒间锁紧机构，如图4所示，筒间锁紧机构采用抱紧环内嵌高摩擦性材料的设计方式，实现抱紧环与碳纤维筒之间力的传递。抱紧环采用电机驱动涡轮蜗杆、减速机带动梯形丝杠收缩的方式实现锁紧，并通过力传感器作为锁紧反馈。

图4 筒间锁紧机构

1.3 斜支撑杆

主体伸缩碳纤维部件提升后为悬臂结构，受扰动后难以稳定，本文设计了外层斜支撑杆用于提高主体伸缩碳纤维部件提升后的稳定性，其由底部固定支撑杆和外部随动斜支撑杆构成，固定支撑杆用于增加主体支撑筒底部固定安装的刚度；外部随动斜支撑杆由具有导向的三个套筒式碳纤维杆组合而成，顶部碳纤维杆与四级碳纤维筒顶部的锁紧连接件相连，底部碳纤维杆与安装在全向移动底座上的随动伸缩碳纤维杆连接，主支撑筒升降时，随动碳纤维杆只能随动进行伸缩及俯仰运动，主体伸缩碳纤维部件受到扰动后，外部随动斜支撑杆产生推拉反作用力的约束，从而提高主支撑筒升高后的稳定性。

2 性能测试

2.1 沉降率试验

为验证系统的稳定性，利用跟踪仪进行沉降率试验。将重60 kg的钢板安置在高空精测平台上，并在高空精测平台的顶端安装跟踪仪靶座，上面安放1.5英寸的靶球。将高空精测平台调到8 m高度，并将跟踪仪安置在地面稳定位置上，设定采样间隔时间为1 min，连续测量1 h，记录跟踪仪目标点沿高低方向的坐标值，计算出1 h内目标点坐标的标准偏差为0.01 mm。用2倍的标准偏差反应1 h内高空精测平台在高空作业最高点(8 m)的稳定性为0.02 mm。高空精测平台在8 m处的稳定性测量结果如图5所示。

图5 高空精测平台在8 m处的稳定性测量结果

2.2 加载经纬仪稳定性试验

为验证系统的调平稳定性，采用经纬仪进行试验。将经纬仪安置在高空精测平台上，升降平台的高度调至8 m位置，调整经纬仪水平至1″以内，保持照准部不动，每隔1 h记录经纬仪水平角和垂直角的读数，连续测量5 h，分别求出1 h前后所测两次的水平方向和垂直方向的角度差，测量结果如表1所示。经纬仪本体与升降台的环境保持一致，经纬仪的漂移忽略不计，则仪器与升降台之间的相对变化量小于0.6″，即高空精测平台加载经纬仪稳定性为0.6″。

表1 加载经纬仪稳定性试验测量结果

3 结论

本文论述了一套大尺寸测量设备高空精测平台的完整结构方案，采用全向移动底座作为载运平台，通过基于碳纤维筒的多级同步升降装置实现支撑结构的同步伸缩及自动锁紧；主体支撑筒通过外层固定及随动斜支撑增加支撑稳定性，达到了自动行走、自动升降、热涨系数小、收缩后尺寸紧凑运输方便的设计目标。经实验证明，该平台高空作业时沉降率不大于0.02 mm/h，经纬仪加载稳定性达到0.6″/h，可靠性好，稳定度高，为大尺寸测量设备的高空精测提供了有力保障，并为未来大尺寸测量领域相关设备的设计研制提供了参考。