邢廣強(qiáng) 王國(guó)星 徐云甫 霍珍一 韓 翠 郭迎雪 王炳龍

一種大型轉(zhuǎn)運(yùn)車的同軸度檢測(cè)方案

邢廣強(qiáng) 王國(guó)星 徐云甫 霍珍一 韓 翠 郭迎雪 王炳龍

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

艙體轉(zhuǎn)運(yùn)車是大型空間站艙體轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的重要部件，它的位置精度直接影響了空間站艙體中各艙段的協(xié)調(diào)能力。本文從轉(zhuǎn)運(yùn)車的結(jié)構(gòu)分析入手，分析了大型轉(zhuǎn)運(yùn)車同軸度檢測(cè)過(guò)程中存在的問(wèn)題，并指出了檢測(cè)難點(diǎn)。針對(duì)檢測(cè)難點(diǎn)，提出了一種采用標(biāo)尺和經(jīng)緯儀配合測(cè)量的檢測(cè)方法。該方法先確定大型架車水平方向和垂直方向基準(zhǔn)尺寸，再計(jì)算得出同軸度。試驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的方法檢測(cè)精度高于0.05mm，滿足轉(zhuǎn)運(yùn)車實(shí)際使用要求，對(duì)提高大型艙體轉(zhuǎn)運(yùn)的生產(chǎn)效率檢測(cè)質(zhì)量具有重要意義。

大型轉(zhuǎn)運(yùn)車；同軸度；經(jīng)緯儀

1 引言

中國(guó)空間站由一個(gè)核心艙和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙組成，每個(gè)艙體都重達(dá)20t以上，且各個(gè)艙體都是由不同的柱段或球段對(duì)接而成。艙體徑向尺寸4m，軸向尺寸20m，如此結(jié)構(gòu)復(fù)雜的核心艙在研制過(guò)程中需要經(jīng)歷各種試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程都需要采用大型轉(zhuǎn)運(yùn)車轉(zhuǎn)運(yùn)和停放。

大型空間站艙體轉(zhuǎn)運(yùn)車全長(zhǎng)大約20m，由整器轉(zhuǎn)運(yùn)車和熱控小艙轉(zhuǎn)運(yùn)車兩部分組成。其中整器轉(zhuǎn)運(yùn)車全長(zhǎng)約16.3m，由兩個(gè)4800型架車和一個(gè)4280型架車通過(guò)級(jí)聯(lián)而成。小艙轉(zhuǎn)運(yùn)車與整器轉(zhuǎn)運(yùn)車一起使用時(shí)小艙轉(zhuǎn)運(yùn)車的托架圓弧與整器轉(zhuǎn)運(yùn)車托架上的圓弧需要同軸，整套架車同軸度要求為1mm，以保證空間站艙體在軸向和徑向方向都能避免有應(yīng)力，以防艙體受損，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)停靠及轉(zhuǎn)運(yùn)等功能。

首先結(jié)合中國(guó)空間站大型艙體轉(zhuǎn)運(yùn)車特點(diǎn)分析了其檢測(cè)難點(diǎn)，提出了轉(zhuǎn)運(yùn)車測(cè)量的必要性；然后對(duì)比分析了兩種轉(zhuǎn)運(yùn)車的測(cè)量實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，指出這兩種方法均無(wú)法適用于高效率高精度測(cè)量的要求；隨后提出一種新的同軸度檢測(cè)方法，目的在于在精度滿足測(cè)量要求的前提下提高測(cè)量效率，結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品指標(biāo)給出了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果表明利用該檢測(cè)方法能夠達(dá)到理想的效果。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量需求

實(shí)現(xiàn)大型轉(zhuǎn)運(yùn)車轉(zhuǎn)運(yùn)功能且保護(hù)好艙體最重要的指標(biāo)即為轉(zhuǎn)運(yùn)車各級(jí)聯(lián)段的同軸度。圖1所示為多級(jí)級(jí)聯(lián)的整器轉(zhuǎn)運(yùn)車結(jié)構(gòu)示意圖，同軸度直接決定了轉(zhuǎn)運(yùn)車的質(zhì)量[1]。

圖1 多極級(jí)聯(lián)整器轉(zhuǎn)運(yùn)車結(jié)構(gòu)示意圖

在實(shí)際測(cè)量中，完成大型轉(zhuǎn)運(yùn)車的同軸度檢測(cè)存在以下難點(diǎn)：

a. 轉(zhuǎn)運(yùn)車的長(zhǎng)度達(dá)到16.3m，測(cè)量范圍較大，是典型的大尺寸大范圍檢測(cè)；

c. 轉(zhuǎn)運(yùn)車尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量點(diǎn)位較多并且遮擋嚴(yán)重；

d. 因?yàn)楫a(chǎn)品尺寸大，測(cè)量效率低，且需要多人配合高空作業(yè)，存在較大的安全隱患。因此需要一種高精度高效率且安全性較高的測(cè)量方法。

2.2 常規(guī)大型艙體轉(zhuǎn)運(yùn)車測(cè)量方法分析

2.2.1 常用量具測(cè)量技術(shù)

傳統(tǒng)采用卷尺和拉直線對(duì)大尺寸件同軸度進(jìn)行檢測(cè)。這種檢測(cè)方式的前提是轉(zhuǎn)運(yùn)車放置的平臺(tái)的平面度在允許的公差內(nèi)，首先在轉(zhuǎn)運(yùn)車的托架圓周上從圓周的起始位置到終止位置均分圓周標(biāo)記出需要測(cè)量的點(diǎn)位，多級(jí)架車要求標(biāo)記的位置一致。采用卷尺依次測(cè)量架車上的標(biāo)記點(diǎn)到放置平臺(tái)的垂直距離，以一臺(tái)架車為基準(zhǔn)，計(jì)算另外架車相應(yīng)位置與基準(zhǔn)架車的垂直差值，計(jì)算出多個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的平均值，此值即為架車的垂直方向的調(diào)整量。將各級(jí)架車初步級(jí)聯(lián)后，標(biāo)記出托架的圓弧中心點(diǎn)，用一根直線拉線測(cè)量各個(gè)架車相對(duì)于直線的水平方向偏移距離，調(diào)整后保證各級(jí)架車水平方向的偏差小于0.5mm。此方法存在以下問(wèn)題：

a. 測(cè)量效率低

人工測(cè)量需要多人配合做測(cè)量點(diǎn)位標(biāo)記，多人配合依次測(cè)量，并且測(cè)量時(shí)都需要升降車，單級(jí)架車測(cè)量時(shí)間超過(guò)1h，整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)車測(cè)量需要4h以上。

b. 測(cè)量精度低

此方案的前提是假設(shè)轉(zhuǎn)運(yùn)車放置的平臺(tái)的平面度優(yōu)，由上述分析可得要求平面度優(yōu)于0.1mm，實(shí)際廠房中地面較難達(dá)到此精度。卷尺的最小刻度為1mm，精確讀數(shù)比較困難。此方法也無(wú)法確立全局坐標(biāo)系，不能準(zhǔn)確定位各級(jí)架車各方向的偏差。

綜上，傳統(tǒng)卷尺測(cè)量方式不適用于大型轉(zhuǎn)運(yùn)車同軸度測(cè)量。

2.2.2 激光跟蹤儀測(cè)量技術(shù)

激光跟蹤儀在20m范圍內(nèi)測(cè)量精度為0.11mm，是大尺寸測(cè)量很好的選擇。首先定義測(cè)量坐標(biāo)系，標(biāo)記架車的圓周上測(cè)量點(diǎn)，以中間托架為基準(zhǔn)托架，在每一托架圓弧相同位置取6個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)激光跟蹤儀測(cè)量各點(diǎn)，模擬計(jì)算出各個(gè)托架的圓心位置，依次測(cè)量各個(gè)測(cè)量點(diǎn)，調(diào)整架車使其水平和豎直方向都在公差范圍內(nèi)[2]。此方案存在以下問(wèn)題：

a. 測(cè)量誤差放大

三個(gè)支架的圓弧采點(diǎn)范圍較小，屬于較典型“大圓小圓弧”問(wèn)題，擬合圓計(jì)算中存在較明顯的測(cè)量誤差放大，可能導(dǎo)致測(cè)量精度不符合要求。

b. 調(diào)整難度增加

反饋數(shù)據(jù)為三個(gè)圓弧的圓心點(diǎn)相對(duì)偏移關(guān)系，與產(chǎn)品調(diào)整環(huán)節(jié)不對(duì)應(yīng)，導(dǎo)致三個(gè)支架位姿調(diào)節(jié)“答非所問(wèn)”的問(wèn)題，增加了調(diào)整難度。

c. 調(diào)整項(xiàng)指導(dǎo)不全

對(duì)圓弧的測(cè)量無(wú)法得到三個(gè)支架的俯仰、扭擺和滾動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)位姿調(diào)整沒(méi)有指導(dǎo)作用。

綜上，激光跟蹤儀測(cè)量技術(shù)不適用于大型轉(zhuǎn)運(yùn)車同軸度測(cè)量。

2.3 一種新穎的大型艙體轉(zhuǎn)運(yùn)車同軸度測(cè)量技術(shù)

2.3.1 方案介紹

本文提出的方案是利用經(jīng)緯儀對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)車進(jìn)行分解測(cè)量，再對(duì)測(cè)量結(jié)果綜合計(jì)算，得到轉(zhuǎn)運(yùn)車的同軸度。在組合加工轉(zhuǎn)運(yùn)車圓弧段時(shí)，整體架車以圓弧中心為基準(zhǔn)在各自側(cè)面以及平行于圓弧直徑的水平端面銑削一處輔助基準(zhǔn)面。依次測(cè)量時(shí)可將架車圓弧段替換為圓弧段側(cè)面和輔助基準(zhǔn)面；鎖定經(jīng)緯儀為90°俯仰角，并調(diào)節(jié)扭擺角標(biāo)尺輔助測(cè)量左右側(cè)面基準(zhǔn)面，調(diào)整架車的水平偏差到公差內(nèi)；同理，經(jīng)緯儀為0°扭擺角，并調(diào)節(jié)俯仰角標(biāo)尺輔助測(cè)量水平基準(zhǔn)面，調(diào)整架車的垂直偏差到公差內(nèi)；同軸度值為三個(gè)架車水平偏差和垂直偏差的綜合。圖2所示為經(jīng)緯儀與標(biāo)尺結(jié)合測(cè)量輔助基準(zhǔn)面示意圖[3]。

圖2 經(jīng)緯儀與標(biāo)尺結(jié)合測(cè)量輔助基準(zhǔn)面示意圖

本方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a. 測(cè)量效率提升

測(cè)量?jī)x器由卷尺或者激光跟蹤儀更換為經(jīng)緯儀，在調(diào)整過(guò)程中能實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)，提高檢測(cè)、裝調(diào)兩個(gè)環(huán)節(jié)的互動(dòng)效率。并簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，用加減法代替擬合計(jì)算，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋。

b. 避免誤差放大

利用產(chǎn)品整體機(jī)加的特性，每個(gè)架車增加三處輔助基準(zhǔn)面，實(shí)現(xiàn)對(duì)架車位姿更高效更直接的測(cè)量，避免測(cè)量小圓弧導(dǎo)致的誤差放大。

c. 優(yōu)化調(diào)測(cè)流程

先測(cè)量B支架的姿態(tài)，以B支架為目標(biāo)，測(cè)調(diào)A、C支架位姿，極大地降低了調(diào)節(jié)復(fù)雜性。將檢測(cè)目標(biāo)設(shè)定為使水平方向和鉛垂方向?qū)嶋H偏差都小于0.2mm，以兼顧經(jīng)緯儀精度水平和設(shè)計(jì)公差要求。

2.3.2 檢測(cè)過(guò)程

2.3.2.1 檢測(cè)前期準(zhǔn)備

在轉(zhuǎn)運(yùn)車測(cè)量區(qū)域架設(shè)一臺(tái)經(jīng)緯儀，要求經(jīng)緯儀可無(wú)遮擋地測(cè)量圓弧架側(cè)面輔助基準(zhǔn)面和上表面六處機(jī)加基準(zhǔn)面；選擇導(dǎo)軌側(cè)面距離較遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)位，反復(fù)將標(biāo)尺水平靠在兩點(diǎn)，使用經(jīng)緯儀測(cè)量標(biāo)尺上刻度對(duì)應(yīng)的扭擺角角度，最終找到標(biāo)尺某刻度在兩個(gè)點(diǎn)位的扭擺角相同；將經(jīng)緯儀當(dāng)前扭擺角置0°，得到導(dǎo)軌垂直基準(zhǔn)面。

2.3.2.2 實(shí)施步驟

a. 在轉(zhuǎn)運(yùn)車前方架起一個(gè)經(jīng)緯儀后調(diào)平，見(jiàn)圖3，架設(shè)要求見(jiàn)上述檢測(cè)前準(zhǔn)備；

圖3 經(jīng)緯儀擺放位置示意圖

2.3.2.3 檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

a. 卷尺測(cè)量

以中間托架為基準(zhǔn)托架，在每一托架圓弧相同位置取6個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)卷尺測(cè)量各點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的差值，測(cè)量值為：

垂直方向：A支架：1.2mm，1.5mm，1.1mm，1.8mm，2.1mm，1.4mm，平均值為：1.517mm；B支架：0mm，0mm，0mm，0mm，0mm，0mm；C支架：0.8mm，1.3mm，1.0mm，1.6mm，1.2mm，1.7mm，平均值為：1.267mm。

水平方向：2.1mm，1.7mm，1.2mm，2.5mm，1.9mm，1.4mm，平均值為：1.800mm。整個(gè)過(guò)程測(cè)量用時(shí)2d。

b. 激光跟蹤儀測(cè)量

測(cè)量值為：A支架：垂直方向0.21mm，水平方向0.17mm；B支架：垂直方向0mm，水平方向0mm；C支架：垂直方向-0.15mm，水平方向-0.25mm；無(wú)法得到三個(gè)托架的俯仰、扭擺和滾動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)位姿調(diào)整沒(méi)有借鑒意義。

c. 利用經(jīng)緯儀輔助計(jì)算方法測(cè)量

支架兩個(gè)圓弧輔助基準(zhǔn)水平方向間距理論尺寸為4300，支架水平方向輔助基準(zhǔn)面與圓心的垂直方向距離理論尺寸為1326mm，所以/的比值為1326÷4300=0.3084。

支架水平方向輔助基準(zhǔn)面理論尺寸為1046mm，標(biāo)尺為1000mm，支架水平方向輔助基準(zhǔn)面刻度理論值為1046+1000=2046mm；圓弧輔助基準(zhǔn)面垂直方向刻度理論值為1945mm。

實(shí)物測(cè)量過(guò)程中的測(cè)量值為下述數(shù)值：

水平方向：A支架：2046.45mm；B支架：2046mm；C支架：2046.38mm。

2.3.2.4 試驗(yàn)總結(jié)

表1 各測(cè)量方案測(cè)量結(jié)果比對(duì)

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以看出，采用本文所提出的大型艙體轉(zhuǎn)運(yùn)車同軸度檢測(cè)技術(shù)，可以同時(shí)滿足大型艙體轉(zhuǎn)運(yùn)車檢測(cè)中的測(cè)量精度與測(cè)量效率的要求，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)具有良好的應(yīng)用效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用上述檢測(cè)方法降低了測(cè)量采樣和計(jì)算的難度以及產(chǎn)品調(diào)整的復(fù)雜性?？梢苑奖愕贸鏊铚y(cè)量的同軸度實(shí)測(cè)值，克服了精測(cè)設(shè)備的不足；檢測(cè)方法原理簡(jiǎn)單、容易理解、操作簡(jiǎn)便，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)、工藝人員提供有效的實(shí)際數(shù)據(jù)，檢測(cè)效率高、時(shí)間成本低。

通過(guò)大型架車同軸度檢測(cè)實(shí)例可以得出，測(cè)量方法和測(cè)量工具的選擇是決定測(cè)量結(jié)果精確性的關(guān)鍵因素，同時(shí)也論證了測(cè)量工具對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。因此，在選擇測(cè)量方法和測(cè)量工具的時(shí)候不僅要考慮設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，也要考慮現(xiàn)有測(cè)量工具的局限性和可完善性，才能實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、有效的檢測(cè)。

1 吳慧仙. 一種同軸度檢測(cè)新裝置及其檢測(cè)方法[J]. 科技資訊，2016，14(34)：61～62

2 李巖，孟祥旺，章恩耀. 一種新型激光掃描式大工件孔-孔同軸度測(cè)量?jī)x[J]. 激光與紅外，2000，30(5)：279～282

3 呂乃光，鄧文怡，燕必希，等. 大型機(jī)械零部件孔同軸度測(cè)量技術(shù)研究[J]. 光電子激光，2001，12(7)：694～696

A Coaxiality Detection Scheme for Large Transfer Vehicle

Xing Guangqiang Wang Guoxing Xu Yunfu Huo Zhenyi Han Cui Guo Yingxue Wang Binglong

(Beijing Spacecrafts, Beijing 100094)

The large transfer vehicle is an important component of the cabin transfer device of a large space station, and its position accuracy directly affects the coordination ability of each cabin in the space station cabin. This article starts with the structural analysis of the transfer vehicle, analyzes the problems in the coaxiality detection process of the large transfer vehicle, and points out the detection difficulties. Aiming at the difficulty of detection, this paper proposes a detection method that uses a ruler and theodolite to measure together. This method first determines the horizontal and vertical reference dimensions of the large-scale frame, and then calculates the coaxiality. The test results show that the detection accuracy of the method proposed in this paper is higher than 0.05mm, which meets the actual use requirements of transfer vehicles, and is of great significance for improving the production efficiency of large-scale cabin transfer.

large transfer vehicle；coaxiality；theodolite

邢廣強(qiáng)（1977年），碩士，航天器制造專業(yè)；研究方向：航天器產(chǎn)品檢測(cè)。

2020-05-19