孫安斌，高廷，喬磊，馬驪群，王繼虎，甘曉川，曹鐵澤

(航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095)

0 引言

激光跟蹤儀、激光雷達(dá)、經(jīng)緯儀、攝影測(cè)量系統(tǒng)等大尺寸測(cè)量設(shè)備廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、空間站、火箭、緊縮場(chǎng)等大型系統(tǒng)部裝及總裝過程中的精密測(cè)量[1-4]。由于大尺寸精測(cè)設(shè)備原理及測(cè)量范圍不同，需要將其放置在空間中的不同位置實(shí)現(xiàn)站位優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量并滿足可視化要求。例如：為滿足某大型緊縮場(chǎng)測(cè)量裝配需求，需要將兩臺(tái)激光跟蹤儀組網(wǎng)布局。經(jīng)分析優(yōu)化，兩臺(tái)激光跟蹤儀安裝在距離緊縮場(chǎng)12 m、間距6 m、高度8.5 m的位置組網(wǎng)測(cè)量才能滿足需求精度[5]。為實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量還需要測(cè)量設(shè)備到達(dá)測(cè)量位置后,在測(cè)量時(shí)間內(nèi)保持其支撐位置的穩(wěn)定。近年來，隨著大型精密系統(tǒng)應(yīng)用的增多，對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性及效率提出了更高的要求。因此，迫切需要一種可靠性好、熱漲系數(shù)低、無需拆卸、方便運(yùn)輸、具有多種大尺寸測(cè)量設(shè)備承載能力且接口通用性好的精測(cè)平臺(tái)，克服已有支撐裝置無法同時(shí)滿足自動(dòng)行走自動(dòng)升降并兼顧穩(wěn)定性的難題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大尺寸測(cè)量設(shè)備高空精測(cè)平臺(tái)首先需具有良好的載重能力。本文研制的精測(cè)平臺(tái)以能夠承載目前最重的大尺寸測(cè)量設(shè)備——激光雷達(dá)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定載荷為60 kg；此外，精測(cè)平臺(tái)的支撐高度需能夠滿足絕大多數(shù)大型裝備的檢測(cè)要求，根據(jù)某大型空間探測(cè)器星敏傳感器、IMU傳感器等實(shí)際檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)平臺(tái)最大支撐高度為8.5 m；根據(jù)集裝箱運(yùn)輸需求，設(shè)計(jì)平臺(tái)收縮后高度為2.4 m；根據(jù)跟蹤儀及經(jīng)緯儀等大尺寸測(cè)量中的準(zhǔn)確性需求，設(shè)計(jì)平臺(tái)工作高度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性指標(biāo)為：沉降率不大于0.02 mm/h，經(jīng)緯儀水平變化不大于5″/h；同時(shí)，考慮到設(shè)備支撐的安全性需求，要求平臺(tái)升降到指定高度后能夠進(jìn)行安全自鎖。

根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)了如圖1所示的大尺寸測(cè)量設(shè)備高空精測(cè)平臺(tái)。此平臺(tái)由自動(dòng)全向移動(dòng)的底座、自動(dòng)穩(wěn)定升降支撐的主體五級(jí)伸縮碳纖維筒部件、增加穩(wěn)定性的斜支撐固定桿及隨動(dòng)桿、包絡(luò)多種測(cè)量設(shè)備安裝的設(shè)備轉(zhuǎn)接盤、滿足經(jīng)緯儀精測(cè)需求的連續(xù)升降臺(tái)及控制系統(tǒng)等部件組成。

圖1 大尺寸測(cè)量設(shè)備高空精測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成圖

1.1 全向移動(dòng)底座

全向移動(dòng)底座是整個(gè)精測(cè)平臺(tái)的基礎(chǔ)，其主體結(jié)構(gòu)采用材質(zhì)為Q235A的熱軋槽鋼與鋼板焊接而成，采用縱橫交錯(cuò)的立筋焊接，具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，焊接后采用退火工藝消除內(nèi)應(yīng)力，以滿足使用時(shí)的穩(wěn)定性需要。底座主體結(jié)構(gòu)中間采用凹陷設(shè)計(jì)，以降低升降筒收縮后的高度；并利用四角空間安裝螺旋升降調(diào)整裝置以固定支撐底座，保持設(shè)備精測(cè)時(shí)的穩(wěn)定；4個(gè)自動(dòng)全向輪安裝在螺旋升降調(diào)整裝置內(nèi)側(cè)，實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)。底座主體結(jié)構(gòu)頂面安裝有主體伸縮碳纖維部件、斜支撐桿等，實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)備的自動(dòng)穩(wěn)定升降。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其內(nèi)部集成有充供電系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，用于整體設(shè)備的供電和控制；整個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、升降機(jī)構(gòu)安裝在其內(nèi)部，保證結(jié)構(gòu)的緊湊美觀；前后及側(cè)面安裝有避障傳感器用于避開障礙物及障礙物預(yù)警。

圖2 全向移動(dòng)底座內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 主體伸縮碳纖維部件

主體伸縮碳纖維部件作為精測(cè)平臺(tái)的主升降部件，須同時(shí)解決自動(dòng)升降與穩(wěn)定支撐兩個(gè)難題以滿足精測(cè)需要。若采用鋼質(zhì)材料，按照線性膨脹系數(shù)為1.2×10-5計(jì)算，1℃的溫度變化引起8 m支撐高度的熱漲為0.1 mm，考慮到實(shí)際測(cè)量環(huán)境的不穩(wěn)定性，此變化量不能滿足精測(cè)需求。因此采用熱漲系數(shù)為1.6×10-6的碳纖維作為主體伸縮部件材料。采用碳纖維材料帶來兩個(gè)難題：一是導(dǎo)向不能采用金屬配合實(shí)現(xiàn)，因此采用與碳纖維摩擦系數(shù)小的聚四氟乙烯材料制造導(dǎo)向環(huán)，每節(jié)碳纖維筒設(shè)計(jì)雙導(dǎo)向環(huán)保證導(dǎo)向穩(wěn)定；二是采用套筒驅(qū)動(dòng)時(shí)同步絲杠須克服轉(zhuǎn)向力矩，故在碳纖維內(nèi)部嵌裝導(dǎo)軌。由于碳纖維熱漲系數(shù)與普通鋼熱漲系數(shù)相差較大，為防止內(nèi)嵌導(dǎo)軌與碳纖維產(chǎn)生應(yīng)力發(fā)生變形，影響測(cè)量準(zhǔn)確性，內(nèi)嵌導(dǎo)軌采用殷鋼材料制造。

為實(shí)現(xiàn)大尺寸測(cè)量設(shè)備的穩(wěn)定支撐及驅(qū)動(dòng)，研制的主體伸縮碳纖維部件結(jié)構(gòu)由五級(jí)伸縮筒、頂層支撐筒、筒間鎖緊機(jī)構(gòu)、筒內(nèi)導(dǎo)向單元、多級(jí)套筒驅(qū)動(dòng)絲杠等部件組成。主體伸縮碳纖維部件的一級(jí)升降筒固定，三到四級(jí)伸縮筒能夠同步伸縮，中心采用四級(jí)套筒絲杠支撐驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)原理如圖3所示。抬升時(shí)，底部一級(jí)絲杠旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲杠螺母向上運(yùn)動(dòng)，碳纖維筒在殷鋼導(dǎo)軌的限制下不能旋轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)二級(jí)伸縮筒伸出；一級(jí)推桿上部設(shè)計(jì)的外花鍵同時(shí)將力矩傳遞到二級(jí)推桿內(nèi)部的內(nèi)花鍵上，帶動(dòng)二級(jí)推桿繞與一級(jí)導(dǎo)向環(huán)連接的軸承旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)二級(jí)導(dǎo)向環(huán)上安裝的絲杠螺母上升，推動(dòng)三級(jí)升降筒的上升，依次類推，實(shí)現(xiàn)整個(gè)伸縮結(jié)構(gòu)的抬升。反之縮回過程同理，實(shí)現(xiàn)支撐筒的同步伸縮。

圖3 伸縮結(jié)構(gòu)示意圖

為使碳纖維筒升降后具有支撐作用，在筒間上部導(dǎo)向環(huán)處設(shè)計(jì)有筒間鎖緊機(jī)構(gòu)，如圖4所示，筒間鎖緊機(jī)構(gòu)采用抱緊環(huán)內(nèi)嵌高摩擦性材料的設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)抱緊環(huán)與碳纖維筒之間力的傳遞。抱緊環(huán)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪蝸桿、減速機(jī)帶動(dòng)梯形絲杠收縮的方式實(shí)現(xiàn)鎖緊，并通過力傳感器作為鎖緊反饋。

圖4 筒間鎖緊機(jī)構(gòu)

1.3 斜支撐桿

主體伸縮碳纖維部件提升后為懸臂結(jié)構(gòu)，受擾動(dòng)后難以穩(wěn)定，本文設(shè)計(jì)了外層斜支撐桿用于提高主體伸縮碳纖維部件提升后的穩(wěn)定性，其由底部固定支撐桿和外部隨動(dòng)斜支撐桿構(gòu)成，固定支撐桿用于增加主體支撐筒底部固定安裝的剛度；外部隨動(dòng)斜支撐桿由具有導(dǎo)向的三個(gè)套筒式碳纖維桿組合而成，頂部碳纖維桿與四級(jí)碳纖維筒頂部的鎖緊連接件相連，底部碳纖維桿與安裝在全向移動(dòng)底座上的隨動(dòng)伸縮碳纖維桿連接，主支撐筒升降時(shí)，隨動(dòng)碳纖維桿只能隨動(dòng)進(jìn)行伸縮及俯仰運(yùn)動(dòng)，主體伸縮碳纖維部件受到擾動(dòng)后，外部隨動(dòng)斜支撐桿產(chǎn)生推拉反作用力的約束，從而提高主支撐筒升高后的穩(wěn)定性。

2 性能測(cè)試

2.1 沉降率試驗(yàn)

為驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，利用跟蹤儀進(jìn)行沉降率試驗(yàn)。將重60 kg的鋼板安置在高空精測(cè)平臺(tái)上，并在高空精測(cè)平臺(tái)的頂端安裝跟蹤儀靶座，上面安放1.5英寸的靶球。將高空精測(cè)平臺(tái)調(diào)到8 m高度，并將跟蹤儀安置在地面穩(wěn)定位置上，設(shè)定采樣間隔時(shí)間為1 min，連續(xù)測(cè)量1 h，記錄跟蹤儀目標(biāo)點(diǎn)沿高低方向的坐標(biāo)值，計(jì)算出1 h內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.01 mm。用2倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差反應(yīng)1 h內(nèi)高空精測(cè)平臺(tái)在高空作業(yè)最高點(diǎn)(8 m)的穩(wěn)定性為0.02 mm。高空精測(cè)平臺(tái)在8 m處的穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖5 高空精測(cè)平臺(tái)在8 m處的穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果

2.2 加載經(jīng)緯儀穩(wěn)定性試驗(yàn)

為驗(yàn)證系統(tǒng)的調(diào)平穩(wěn)定性，采用經(jīng)緯儀進(jìn)行試驗(yàn)。將經(jīng)緯儀安置在高空精測(cè)平臺(tái)上，升降平臺(tái)的高度調(diào)至8 m位置，調(diào)整經(jīng)緯儀水平至1″以內(nèi)，保持照準(zhǔn)部不動(dòng)，每隔1 h記錄經(jīng)緯儀水平角和垂直角的讀數(shù)，連續(xù)測(cè)量5 h，分別求出1 h前后所測(cè)兩次的水平方向和垂直方向的角度差，測(cè)量結(jié)果如表1所示。經(jīng)緯儀本體與升降臺(tái)的環(huán)境保持一致，經(jīng)緯儀的漂移忽略不計(jì)，則儀器與升降臺(tái)之間的相對(duì)變化量小于0.6″，即高空精測(cè)平臺(tái)加載經(jīng)緯儀穩(wěn)定性為0.6″。

表1 加載經(jīng)緯儀穩(wěn)定性試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

3 結(jié)論

本文論述了一套大尺寸測(cè)量設(shè)備高空精測(cè)平臺(tái)的完整結(jié)構(gòu)方案，采用全向移動(dòng)底座作為載運(yùn)平臺(tái)，通過基于碳纖維筒的多級(jí)同步升降裝置實(shí)現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)的同步伸縮及自動(dòng)鎖緊；主體支撐筒通過外層固定及隨動(dòng)斜支撐增加支撐穩(wěn)定性，達(dá)到了自動(dòng)行走、自動(dòng)升降、熱漲系數(shù)小、收縮后尺寸緊湊運(yùn)輸方便的設(shè)計(jì)目標(biāo)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該平臺(tái)高空作業(yè)時(shí)沉降率不大于0.02 mm/h，經(jīng)緯儀加載穩(wěn)定性達(dá)到0.6″/h，可靠性好，穩(wěn)定度高，為大尺寸測(cè)量設(shè)備的高空精測(cè)提供了有力保障，并為未來大尺寸測(cè)量領(lǐng)域相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)研制提供了參考。