一种大型航天器高精密垂直对接系统

摘要

本发明公开了一种大型航天器高精密垂直对接系统，通过上舱悬停支撑调节系统对到达临对接位置的上舱进行悬停固定，采用对接精度测量与监测系统进行两舱对接面实施非接触式精度测量与精度调节指导，通过下舱逆向对接调姿转运系统调节下舱位置精度以满足对接面精度要求，实行微冲击逆向对接实现下舱与上舱的精密对接，并采用对接可视化保障系统、操作可达性保障系统来实现对接过程操作可实现性，将对接风险降至最低，实现大型复杂航天器高效、精密、稳定对接。该系统操作容易、实现流程简单，有效控制大型航天器对接风险，提高装配效率，通用性强，可适用于各种舱段式航天器结构对接，对提高航天器装配精度质量起到重要作用。

权利要求

1.一种大型航天器高精密垂直对接系统，其特征在于，包括上舱悬停支撑调节系统、下舱逆向对接调姿转运系统、对接精度测量与监测系统、对接可靠性保障系统，所述上舱悬停支撑调节系统包括水平基准平台、4组升降支撑组件、辅助支撑组件和对接缓冲组件，升降支撑组件包括伺服电机以及安装在伺服电机上端的支撑杆，所述水平基准平台上设有伺服电机，所述伺服电机上设有支撑杆，所述支撑杆之间通过辅助支撑组件连接，所述辅助支撑组件将升降支撑组件进行横向刚性固连，所述支撑杆上端设有对接缓冲组件，所述下舱逆向对接调姿转运系统包括转运系统、自由度调节系统、控制系统，所述转运系统由系统底座与四组电控万向轮组成，电控万向轮安装在底座下面，可实现系统的各向转运，所述自由度调节系统由旋转角调节、升降调节、Y向运动平台、X向运动平台四级调节功能结构组成，所述X向运动平台安装在底座上，通过电动导轨连接，实现X向平移调节，所述Y向运动平台安装在X向运动平台上，通过电动导轨连接，实现Y向平移调节，Z向运动组件安装在Y向运动平台上，可实现系统的水平度调节与升降高度调节，Z向运动平台安装在Z向运动组件上，电控旋转平台安装在Z向运动平台，所述控制系统包括运动控制器、人机交互单元、电机驱动器、I/O卡及外围附件，连接环作为转接部件，实现与产品之间的接口配合，所述对接精度测量与监测系统包括激光跟踪仪、高度调节辅助支架、跟踪靶球和计算机控制系统，所述高度调节辅助支架位于所述激光跟踪仪下端，所述跟踪靶球为球状结构，设计有产品贴合面与反射镜面，所述对接可靠性保障系统包括操作可达性保障系统、操作与检验视野可达性保障系统。

2.根据权利要求1所述的一种大型航天器高精密垂直对接系统，其特征在于，所述操作可达性保障系统主体为柔性总装操作平台，具有升降、快速转移和侧向拓展功能。

说明书

一种大型航天器高精密垂直对接系统

技术领域

[0001] 本发明涉及大型航天器垂直对接领域，具体涉及一种大型航天器高精密垂直对接系统。

背景技术

[0002] 基于航天器复杂的功能需求，其舱体之间的对接通常伴随：对接精度要求高、对接面附近载荷单机分布复杂、对接面可视化及可操作性差等难点。相对于水平对接，垂直对接工艺流程简便、实现成本较低、通用性更强，更符合航天器竖直发射的工作状态，因此大型舱体之间垂直对接技术具有不可替代的作用。

[0003] 目前航天器大型舱体的垂直对接装配仍然较多采用吊装或移动地面工装的方式来移动对接部件双方，辅以人工观察、手扶，并最终将对接部件双方按定位关系进行对接。在进行大型部件对接装配操作时，由于缺乏精确定位装置和测量手段，移动路径在整个定位过程中依靠工艺人员的工程经验进行定性判断，再加上吊车、简单地面工装移动精度不高和稳定性不好，对接部位的可视性差，难以实现装配定位精度的量化，使装配质量无法得到保证，容易发生产品磕碰、擦伤事件，造成重大损失。

[0004] 通过对现有文献的检索，与本发明相关的专利有:机械自适应辅助平台(CN101954577B)、用于自动装配或者对接系统的被动柔顺机构(CN100445051C)。前者提出了一种可进行对接产品5自由度调节的平台技术，但只能适用于小型机构对接、对复杂对接机构状态适应能力差、对接精度较低、自动化程度低，后者提出了一种对接过程中柔顺导向技术，上述两项技术或技术特点不适用于大型航天器对接，或只是复杂机构对接系统中的辅助技术与基础技术，因此需要一种对接系统以满足大型航天器对接高精度垂直对接需求。

[0005] 针对上述要求，目前尚无专门应用于此需求的垂直对接系统。因此需要一种能够精确测量对接面相对位置精度、精确调节与控制产品位置精度、有效控制对接速度、实现全过程对接面间精度监测的垂直对接系统，大型航天器高精密垂直对接系统即是针对此需求发明设计，与现有垂直对接技术相比具有突出的的先进性和安全实用性，且通用性强，满足航天器大型部件装配等类似工艺需求。

发明内容

[0006] 本发明针对航天器垂直对接过程中精度测量与控制难度大、对接面受冲击大、对接过程风险高等问题，提供一种大型航天器高精密垂直对接系统。

[0007] 本发明通过以下技术方案实现，包括一种大型航天器高精密垂直对接系统，包括上舱悬停支撑调节系统、下舱逆向对接调姿转运系统、对接精度测量与监测系统、对接可靠性保障系统，所述上舱悬停支撑调节系统包括水平基准平台、4组升降支撑组件、辅助支撑组件和对接缓冲组件，水平基准平台为对接过程提供水平基准，避免位置信息转换造成的精度误差；升降支撑组件包括伺服电机以及安装在伺服电机上端的支撑杆，所述水平基准平台上设有伺服电机，所述伺服电机上设有支撑杆，所述支撑杆之间通过辅助支撑组件连接，4组升降支撑组件由底部伺服电机驱动支撑杆，可实现小范围的升降，实现上舱支撑面的平面度与水平度的调节实现；所述辅助支撑组件将升降支撑组件进行横向刚性固连，保证整个支撑系统结构强度，满足上舱悬停支撑稳定性；所述支撑杆上端设有对接缓冲组件，在上舱吊装至支撑系统时起到缓冲作用，降低对接冲击力，减少损伤；所述下舱逆向对接调姿转运系统包括转运系统、自由度调节系统、控制系统，所述转运系统由系统底座与四组电控万向轮组成，电控万向轮安装在底座下面，可实现系统的各向转运，所述转运系统由系统底座与四组电控万向轮组成，所述自由度调节系统由由旋转角调节、升降调节、Y向运动平台、X向运动平台四级调节功能结构组成，所述X向运动平台安装在底座上，通过电动导轨连接，实现X向平移调节，所述Y向运动平台安装在X向运动平台上，通过电动导轨连接，实现Y向平移调节，所述Z向运动组件安装在Y向运动平台，可实现系统的水平度调节与升降高度调节，所述Z向运动平台安装在Z向运动组件上，电控旋转平台安装在Z向运动平台，通过电控转台可实现系统旋转角度调节；所述控制系统包括运动控制器、人机交互单元、电机驱动器、I/O卡及外围附件，连接环作为转接部件，实现与产品之间的接口配合，所述对接精度测量与监测系统包括激光跟踪仪、高度调节辅助支架、跟踪靶球和计算机控制系统，激光跟踪仪作为非接触式精测设备，根据捕获激光信号获取测量目标空间位置信息，精度高、效率高；高度调节辅助支架可调节激光跟踪仪高度，扩大其空间测量范围，满足对接需求；所述高度调节辅助支架位于所述激光跟踪仪下端，所述跟踪靶球为球状结构，设计有产品贴合面与反射镜面，前者可与产品待测位置完美贴合，精确反应待测点位置信息，后者可反射指向球心的激光信号，实现精度测量；计算机控制系统为设备专用系统，实现测量操作控制与位置精度换算处理等工作；所述对接可靠性保障系统包括操作可达性保障系统、操作与检验视野可达性保障系统。

[0008] 其中，所述操作可达性保障系统主体为柔性总装操作平台，具有升降、快速转移、侧向拓展等功能。可将操作人员送至相应的操作高度，送入特殊内嵌状结构空间进行操作，可便捷移动至任何需操作工位；操作与检验视野可达性保障系统主体设备为便携式工业电子内窥镜，通过探头进入视野盲区将图像信息传出至显示屏，可有效控制对接过程盲区操作与检验风险。

[0009] 本发明具有以下有益效果：

[0010] 通过上舱悬停支撑调节系统对到达临对接位置的上舱进行悬停固定，采用对接精度测量与监测系统进行两舱对接面实施非接触式精度测量与精度调节指导，通过下舱逆向对接调姿转运系统调节下舱位置精度以满足对接面精度要求，实行微冲击逆向对接实现下舱与上舱的精密对接，并采用对接可视化保障系统、操作可达性保障系统来实现对接过程操作可实现性，将对接风险降至最低，实现大型复杂航天器高效、精密、稳定对接。该系统操作容易、实现流程简单，有效控制大型航天器对接风险，提高装配效率，通用性强，可适用于各种舱段式航天器结构对接，对提高航天器装配精度质量起到重要作用。

附图说明

[0011] 图1为大型航天器高精密垂直对接系统总体架构图。

[0012] 图2为上舱悬停支撑调节系统示意图。

[0013] 图3为下舱逆向对接调姿转运系统示意图。

[0014] 图4为下舱逆向对接调姿转运系统控制系统架构图。

[0015] 图5为对接系统具体实现工艺流程图。

[0016] 图中：上舱；2、下舱；3、吊具连接件；4、上舱悬停调节系统；5、对接可靠性保障系统；6、下舱逆向对接调姿转运系统；7、对接精度测量与监测系统；8、水平基准平台；9、支撑杆；10、伺服电机；11、辅助支撑组件；12、对接缓冲组件；13、行走电机；14、行星减速机；15、齿轮转盘轴承；16、转向减速机；17、蜗轮蜗杆减速机。

具体实施方式

[0017] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

[0018] 如图1-4所示，本发明实施例提供了一种大型航天器高精密垂直对接系统，包括上舱悬停支撑调节系统4、下舱逆向对接调姿转运系统6、对接精度测量与监测系统7、对接可靠性保障系统5，所述上舱悬停支撑调节系统包括水平基准平台9、4组升降支撑组件、辅助支撑组件11和对接缓冲组件12，水平基准平台为对接过程提供水平基准，避免位置信息转换造成的精度误差；升降支撑组件包括伺服电机10以及安装在伺服电机10上端的支撑杆9，所述水平基准平台9上设有伺服电机10，所述伺服电机10上设有支撑杆9，所述支撑杆9之间通过辅助支撑组件11连接，4组升降支撑组件由底部伺服电机10驱动支撑杆9，可实现小范围的升降，实现上舱支撑面的平面度与水平度的调节实现；所述辅助支撑组件11将升降支撑组件进行横向刚性固连，保证整个支撑系统结构强度，满足上舱悬停支撑稳定性；所述支撑杆9上端设有对接缓冲组件12，在上舱1吊装至支撑系统时起到缓冲作用，降低对接冲击力，减少损伤；

[0019] 所述下舱逆向对接调姿转运系统5包括转运系统、自由度调节系统、控制系统21，所述转运系统由系统底座18与四组电控万向轮19组成，电控万向轮19安装在底座18下面，可实现系统的各向转运；所述自由度调节系统由旋转角调节13、升降调节15、Y向运动平台16、X向运动平台17四级调节功能结构组成，其中X向运动平台17安装在底座18上，通过电动导轨连接，实现X向平移调节，Y向运动平台16安装在X向运动平台17上，通过电动导轨连接，实现Y向平移调节，Z向运动组件15安装在Y向运动平台16，可实现系统的水平度调节与升降高度调节，Z向运动平台14安装在Z向运动组件15上，电控旋转平台13安装在Z向运动平台
14，通过电控转台可实现系统旋转角度调节；所述控制系统20包括运动控制器、人机交互单元、电机驱动器、I/O卡及外围附件；

[0020] 所述对接精度测量与监测系统7包括激光跟踪仪、高度调节辅助支架、跟踪靶球和计算机控制系统，激光跟踪仪作为非接触式精测设备，根据捕获激光信号获取测量目标空间位置信息，精度高、效率高；高度调节辅助支架可调节激光跟踪仪高度，扩大其空间测量范围，满足对接需求；所述高度调节辅助支架位于所述激光跟踪仪下端，所述跟踪靶球为球状结构，设计有产品贴合面与反射镜面，前者可与产品待测位置完美贴合，精确反应待测点位置信息，后者可反射指向球心的激光信号，实现精度测量；计算机控制系统为设备专用系统，实现测量操作控制与位置精度换算处理等工作；所述对接可靠性保障系统5包括操作可达性保障系统、操作与检验视野可达性保障系统，所述操作可达性保障系统主体为柔性总装操作平台，具有升降、快速转移、侧向拓展等功能。可将操作人员送至相应的操作高度，送入特殊内嵌状结构空间进行操作，可便捷移动至任何需操作工位；操作与检验视野可达性保障系统主体设备为便携式工业电子内窥镜，通过探头进入视野盲区将图像信息传出至显示屏，可有效控制对接过程盲区操作与检验风险。

[0021] 本系统具体实施方式的工作流程：

[0022] 对接工作实施前需进行对接前准备工作，主要包括产品结构预装修配、对接系统各个子系统功能检验等，详细工艺实现流程如图5所示。

[0023] 上舱吊装至悬停支撑塔：先悬停支撑架搭建，利用非接触式精测设备指导支撑塔上表面平行度与水平度调节，直至满足上舱停放精度要求；下舱先吊装至调姿转运系统，启动设备，承载下舱一起转运至进入支撑塔内对接工位，并进行位姿初步调整；悬停支撑塔安装辅助支撑组件，上舱进行吊装准备。

[0024] 精测调平：上舱起吊后进行水平调节，上舱吊装至支撑塔并连接紧固件；启动下舱调姿系统，升高下舱直至临对接位置(对接面间距200mm)，应用精测系统进行对接面间位姿精度测量，根据精测输出结果指导装调平台进行精度调节，依次实施平面度、方位角、对中性精度等自由度的调节；调节完毕进行精测复检，直至测量得到对接面精度满足对接要求。

[0025] 对接实施：在对接面间精度满足要求后，升高下舱进行压紧对接，对接速度≤0.1mm/s，对接过程采用可视化保障系统进行对接面处状态监测，必要时可进行对接全程监测；应用应力传感器实时跟踪对接面压紧力变化，反馈数据达到预定值即表示对接进入贴合状态，此后，采用手摇方式完成最终对接，根据应力传感器数据指示，完成对接面完全贴合压紧。

[0026] 后处理：关闭调姿系统，安装舱体紧固件，卸载舱上精测设备，保护工装，拆除上舱悬停支撑塔，完成航天器精密垂直对接。

[0027] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。