新一代大型运载火箭总装数字化对接技术综述

李 强，张志博，申定贤，孙 伟，李 萌

（天津航天长征火箭制造有限公司，天津 300462）

新一代大型运载火箭作为大推力运载工具，是“载人航天与探月工程”的重要组成部分，是空间站建设的重要基础装备。其芯级直径由Ф3.35 m增大到Ф5 m，贮箱长度由现役火箭的11 m增大到21 m，随着箭体直径增大、长度增加，其结构刚性更弱，在卧式总装过程中，火箭各部段受结构变形、重力变形等情况影响，总装对接工作更加困难，对火箭总装工作提出了更高的要求。

1 国内、国外发展状况

1.1 国内发展状况

近十年来，国内大型设备制造业正逐步开始向数字化、自动化的先进制造技术方向发展，装配方法也正朝着柔性自动化装配技术发展。沈飞、西飞等几大飞机制造厂已经建成或正在建设柔性自动化装配系统，配套的测量技术相对比较成熟，已经应用到实际工程生产当中，代表了国内大型设备制造装配及测量的顶尖水平[1]。

沈飞采用组合式测量方法，测量系统由Indoor GPS测量系统和激光跟踪仪测量系统构成。柔性调整机构基于POGO柱结构实现。所有POGO柱和综合控制台相连，能够通过综合控制台发送控制指令实现自动化调整。

在数字化定位测量方面，随着部件体积的增大和装配要求的提高，对配套的测量检测系统提出了更高层次的要求，单一的数字化测量技术与系统已无法满足整个装配环节的需求，测量目的已从单纯解决大部件对接问题发展到如何全面控制全过程装配质量等一系列问题[2]。在这方面，国内的学者做了大量的相关工作。北京航空航天大学对测量驱动的飞机部件数字化对接系统实现技术进行了研究，提出并开发了部件数字化对接支持系统[3]，进而实现部件的快速精确自动对接。上海交通大学对基于数字化装配偏差建模的飞机舱段对接定位方案进行了研究，采用确定性定位方法对相邻部段对接面位置精度进行了分析，建立不同基准定位方案的装配偏差分析模型和评价指数[4]，并在某机型中后机身和后机身舱段对接协调问题中进行了应用验证。

北京航空制造工程研究所针对大部件对接的数控定位器技术进行了研究，总结设计、制造和装配过程中遇到的技术难点，并提出了解决方法。

1.2 国外发展状况

数字化装配测试技术在当今航空制造领域的整体应用范围更为全面，技术发展水平也更为先进。世界航空制造业发展近100年来，其制造技术的各专业领域均获得了突飞猛进的发展，现代先进飞机装配技术已经完全不同于传统的飞机装配技术，它充分吸收和利用了现代高新科技，如计算机、软件、数字化、激光跟踪定位、自动化控制等技术，发展成无型架定位数字化装配技术，即不用传统的复杂型架来定位和夹紧零部件进行装配工作。

近年来，以国际上空客和波音两大民用飞机制造公司为代表的航空制造企业，大力发展数字化装配技术，大量采用了数字化柔性装配工装。其中，波音737、747、777和空客A320、A340、A380等大型客机的装配过程都能充分反映当前总装测试技术的发展趋势。空客公司在A380客机的装配中提出了实现数字化装配技术的三项关键技术，即自动装配技术、先进定位技术和通用无定位件装配技术。

2 大型运载火箭数字化对接技术

2.1 技术方案

大型运载火箭数字化对接技术采用“技术研究→设备研发→应用验证→标准编制”的总体技术路线，重点突破大型运载火箭总装数字化对接工艺与总体布局、部段总装对接数字化位姿控制与变形分析、面向对接误差控制的多交点实时跟踪测量、大型运载火箭总装数字化对接集成控制方法等关键技术。研发大型运载火箭总装数字化对接定位单元、大型运载火箭总装数字化对接测量单元、大型运载火箭总装数字化对接集成控制单元等装备单元，形成大型运载火箭总装数字化对接成套装备，以新一代大型运载火箭为对象展开应用验证，通过技术总结形成一套面向新一代大型运载火箭总装数字化对接的技术规范。

2.2 大型运载火箭总装数字化对接工艺与总体布局

大型运载火箭各部段尺寸相较以往产品更大，经初步估算整套对接工位将占用1 000 cm2，为满足数字化总装与柔性化生产的要求，总装厂房前期设计需充分考虑地基、布线、轨道安装、吊运工具设计的特殊性。整个对接区域的规划需以生产效率提升与产品质量改进为导向，并兼顾与传统工艺方法的兼容性。每一个箭体部段将对应一个底层控制单元和多个定位单元以实现该部段单独调姿。每一个对接面对应一测量单元以实现在对接过程中对两个对接部段实时位姿测量。为了提高对接效率、降低能源消耗，整个对接场地划分为两个对接区域，第一对接区域主要负责一级箭体部段对接，第二对接区域主要负责二级及以上箭体部分对接。每一对接区域配有一套主控制系统和一个主操作台，用于自动对接时的多定位单元协同控制与人机交互操作。

2.3 部段总装对接数字化位姿控制与变形协调

通过研究大型薄壁环的柔性定位工装，根据工装和对接工艺要求设计部段的六自由度调整结构，研究面向对接工艺的位姿调整轨迹、多轴运动分配和低冲击速度规划方法，以及保证位姿调整精度的全闭环控制方法，实现对接部段高效、高精度、平稳姿态调整。

火箭大部件属于大型薄壁件，在自身重力和外压力作用下会产生变形，使两对接面的定位基准很难对正，成为火箭大部件对接装配的瓶颈问题。如何评估火箭大部段的姿态成为解决上述问题的关键，目前评估大部件的位姿主要应用模型匹配。火箭大部件的外形特征主要是圆形端面和圆柱体，通过数据拟合评估大部件位姿变换及变形情况，基于多个特征点对大部段位姿进行描述和评估。

大部段的空间位姿调整由两个数字化定位单元配合实现。各个定位单元的调整量由跟踪测量系统得到，并通过轨迹规划得到各个自由度的调整速度轨迹与加速度轨迹；仿真系统验证轨迹规划结果，最终得到最优路径。

2.4 面向对接误差控制的多交点实时跟踪测量

面向对接误差控制的多点实时跟踪测量单元开发是大型运载火箭总装数字化对接技术的关键核心技术，其主要包含了测量关键技术的研究、测量系统的构建及测量过程规划与实施。首先构建面向对接过程的全局测量场及测量基准，然后搭建多交点实时跟踪测量系统，并对测量过程进行规划与仿真，结合产品三维数模对实时测量数据进行重构并分析对接误差，最后，结合对接定位单元及集成控制系统对误差数据进行后置处理与分解。

依据对接对象的尺寸、形状、对接精度等信息，构建以激光跟踪仪数量及装配测量范围为目标的多目标优化函数，按照对接阶段划分，对接过程移动式跟踪测量的点位与时序规划，形成全局测量场布局；在全局测量场规划的基础上，以激光跟踪测量为主要测量手段建立面向运载火箭总装数字化对接的测量系统；通过调姿数据不断地向最终实际位姿逼近，最终完成火箭部段的对接，保证最终产品的对接精度。

2.5 多对接目标集成控制系统设计与开发

多对接目标集成控制系统应包括底层控制单元、主控制单元、主操作站、驱动部件、总线通讯等五大模块，整个自动对接过程应分为多个步骤进行，如初始化对接状态、自动对接动态执行阶段、姿态对准确认、完成箭体对接等。

为了保证对接过程的高度可靠性和安全性，将通过建立虚拟对接仿真系统，对对接过程进行全面监控。在对接前，仿真系统会根据输入的箭体模型和测量得到的当前箭体姿态，对整个对接过程进行仿真，对可能产生的碰撞干涉位置进行预警。在自动对接过程中，仿真系统会先于执行系统对来自自动对接程序的运动指令进行虚拟仿真，在仿真通过后才会送到执行部件完成实际的姿态调整运动。

3 结论

新一代大型运载火箭总装数字化对接技术的实现可以产生较大的经济和社会效益，具体表现在以下两个方面：①提高型号装配生产效率。大型运载火箭总装数字化对接技术的应用实施，将实现大型运载火箭总装过程中数字化装配技术的规范化、程序化、指令化、自动化，减少了专用传统装配、定位、检验等工具，减少了大量的人工操作过程，降低了工人劳动强度。与目前装配对接方式比较，将有效提高生产效率。②提高产品装配质量。大型运载火箭总装数字化对接技术的应用实施，可使传统装配过程中的不确定因素和装配过程之间的相互影响得到很好检测与控制。测量精度、定位精度、对接精度较之前有较大的提升，我国运载火箭的装配精度将得到极大提升，从而全面提高运载火箭产品装配质量。