楊傳成 張 斌 楊自鵬 王 東 顧晨明 崔 雷

?

激光跟蹤儀在上面級發(fā)動機總裝后精度測量中的應用

楊傳成1張 斌1楊自鵬2王 東1顧晨明1崔 雷1

（1.首都航天機械公司，北京 100076；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

介紹了激光跟蹤儀的測量原理，提出了一種基于激光跟蹤儀測量上面級發(fā)動機總裝精度測量方案和測量方法，闡述了測量過程中測量點布局、坐標系轉換方法。經(jīng)過實際應用，驗證了其可行性，測量數(shù)據(jù)滿足了技術指標要求，提高了上面級發(fā)動機總裝質量可靠性。

上面級發(fā)動機；總裝；激光跟蹤儀；精度測量；可靠性

1 引言

上面級是在基礎級火箭上增加的相對獨立的一級（或多級），有較強的任務適應性，具有多次起動、長時間工作、自主飛行等特點，具備多星發(fā)射和軌道機動、軌道部署能力，是提高火箭性能和任務適應能力的有效途徑。

上面級發(fā)動機裝配各精度指標直接影響上面級姿態(tài)控制與動力系統(tǒng)性能，甚至關系整個衛(wèi)星發(fā)射任務的成功與否。在上面級發(fā)動機與儀器艙對接裝配過程中，不僅受到其安裝平面加工精度的影響，還要受到發(fā)動機裝配精度影響，造成發(fā)動機與安裝面對接后在理論上兩軸線之間偏斜和偏移。目前型號研制中，在發(fā)動機裝配后精度測量上還沒有借鑒的檢測方法，一般直接安裝后不再進行測量和調整。而設計系統(tǒng)對上面級發(fā)動機裝配精度提出了較高的要求，其中發(fā)動機裝配軸線偏移量和噴管軸線的偏斜量是發(fā)動機裝配過程中至關重要的測量參數(shù)，依據(jù)測量參數(shù)結果可以確定是否對發(fā)動機裝配進行適當調整。因此，本文著重從上面級發(fā)動機裝配后精度測量為出發(fā)點，采用激光跟蹤儀，研究了上面級發(fā)動機裝配精度測量的方法，為發(fā)動機裝配后的精度提供一套準確、詳實的測量方法和數(shù)據(jù)。

2 激光跟蹤儀測量原理

激光跟蹤儀是一種高精度、便攜式三維坐標測量設備，激光跟蹤儀發(fā)射出激光束，光束經(jīng)靶標球反射回到激光頭[1]。激光跟蹤儀的測量原理是以極坐標方式實現(xiàn)對被測物體空間三維坐標的測量，以激光收發(fā)器的回轉中心為坐標原點，建立空間測量坐標系[2]。如圖1 所示，測量被測對象時，將激光測量靶標球放置于被測對象點處，激光收發(fā)器發(fā)射、接收靶標球激光信號，測得與軸之的間水平角，與軸之間的垂直角，以及由激光收發(fā)器中心到被測對象點的距離，由式（1）可得出被測點的空間坐標（,,）。

圖1 激光跟蹤儀測量原理

3 上面級發(fā)動機裝配精度測量

根據(jù)上面級發(fā)動機裝配過程及裝配精度測量要求， 制定了其裝配精度測量總體方案和流程。見圖2。

圖2 上面級發(fā)動機精度測量流程圖

3.1 上面級發(fā)動機裝配

使用可升降調整工裝將發(fā)動機對接面緩慢貼合，確保兩對接面完全貼合，對接螺栓孔對正。對接采用4個螺栓和4個墊片連接緊固，并將4個對接螺栓均勻分10N·m、22N·m、33N·m三級施加力矩。在發(fā)動機裝配中采用在發(fā)動機對接面處增加安裝合適厚度調整墊片進行調整發(fā)動機裝配精度。

3.2 測量點布局

圖3 精度測量系統(tǒng)總體布局圖

根據(jù)本測量對象的結構特征，外形最大直徑達到3m，且圓周方向有多個零部組件可能在測量過程中形成障礙物，在測量過程中靠1臺激光跟蹤儀不能保證激光束的連續(xù)性，無法連續(xù)進行。因此，本測量系統(tǒng)測量點布局采用兩臺激光跟蹤儀1和激光跟蹤儀2進行測量，避免了一臺激光跟蹤儀測量因為轉站問題帶來測量誤差。發(fā)動機精測測量總體布局見圖3。

3.2.1 發(fā)動機精測點

在發(fā)動機裝配完成后，由于發(fā)動機噴管在交付前已進行圓度和直線度的測量，滿足設計要求，所以該噴管底端外圓面、中段與喉部交接外圓面可以作為采集坐標點對象。以發(fā)動機噴管底端面的外圓面作為測量目標，將該外圓面上采集1～8共8個目標點，以喉部交接外圓面采集′1～′8共8個目標點，目標點選擇盡量均布。使用激光跟蹤儀自帶靶標球水平面緊貼于發(fā)動機噴管底端面，垂直面緊貼于噴管底端面外圓面。測量噴管底端面外圓上8個目標點，測量喉部交接外圓面8個目標點后，擬合出噴管外圓、喉部交接外圓面截面圓、圓心坐標，將兩圓心之間的連線作為被測發(fā)動機的安裝軸線，如圖3所示。

3.2.2 產品基準面精測點

根據(jù)上面級發(fā)動機安裝面的結構特征，與儀器艙對接形成一個整體后，儀器艙下端低沖擊分離裝置安裝面為基準面，在選擇測量點時以8個分離螺栓安裝孔的中心線為軸線，將該端面一周上采集18共8個目標點，使用激光跟蹤儀自帶靶標球置于儀器艙下端面安裝孔處。測量儀器艙下端面上8個目標點后，擬合出儀器艙下端面截面圓、圓心坐標和截面圓方向的中心軸線，如圖3所示。

3.2.3 公共基準測量點

利用激光跟蹤儀自帶靶標球在裝配后發(fā)動機停放位置周圍平整地面上由測量人員自行設定8 個目標點，如圖3中1～8點。作為將發(fā)動機底端外圓面、發(fā)動機喉部外圓、儀器艙下端基準面采集參數(shù)與公共點采集參數(shù)三者之間建立一種坐標系的轉換關系。

3.3 測量點測量

用激光跟蹤儀激光頭、靶標球對準以上3個坐標系下的各個測量目標點，分別記錄并采集1～8點、′1～8點、1～8點、1～8點的空間位置坐標（1，1，1），（2，2，2）……（x，y，z）。

3.4 測量坐標系建立

根據(jù)發(fā)動機精度測量工藝方案分析，將測量系統(tǒng)坐標系建立為3個坐標系：激光跟蹤儀坐標系；公共基準坐標系；被測產品坐標系。

3.4.1 激光跟蹤儀坐標系

由于測量結構件外形尺寸較大，干涉物較多，根據(jù)測量系統(tǒng)測量點的總體布局，在測量過程中采用兩臺激光跟蹤儀進行測量，并建立坐標系。激光跟蹤儀1的儀器坐標系為1-111，激光跟蹤儀2的儀器坐標系為2-222。

3.4.2 公共基準坐標系

本測量系統(tǒng)中共選用8個公共基準點1～8點構建公共基準坐標系，首先測量8個公共點，測得激光跟蹤儀1，激光跟蹤儀2坐標系下測得的公共點坐標系序列分別為1=（x，y，z），2=（′，′，′），1，2，3，4。激光跟蹤儀1坐標系擬合到激光跟蹤儀2坐標系下時，各點坐標系之間平移量矢量（0i，0i，0i）；、、分別為激光跟蹤儀2的坐標系各點軸、軸、軸在激光跟蹤儀1的坐標系中的旋轉參數(shù)；坐標系各軸之間旋轉參數(shù)為矩陣[3，4]。

則激光跟蹤儀2與激光跟蹤儀1坐標系之間的關系為式（2）。

3.4.3 被測產品坐標系

被測產品坐標系是通過兩臺激光跟蹤儀分別在發(fā)動機下端面外圓1～8點、發(fā)動機喉部交接外圓面′1～′8點，儀器艙基準面1～8點測得建立的各點坐標系。測得產品坐標系后分別在公共基準坐標系下進行各坐標系之間的轉換，即最終反映上面級發(fā)動機安裝后相對于儀器艙基準面上安裝精度情況。

3.5 精度測量數(shù)據(jù)判定

根據(jù)3個坐標系的建立與轉換，可以得出發(fā)動機安裝后測量點擬合截面圓的中心軸線與儀器艙安裝基準面測得各點擬合圓中心軸線之間的偏斜量，和軸線偏移量，若在測量后測量值不能滿足設計要求，則可通過在發(fā)動機安裝面增加合適厚度的墊片進行調整后重新測量，直到滿足技術指標要求。以某發(fā)次上面級發(fā)動機裝配精度測量為實例，按圖3測得在公共坐標系下發(fā)動機噴管下端面外圓部位的8個測量點，發(fā)動機喉部交接外圓面的8個測量點，以及儀器艙基準面8個測量點的坐標數(shù)據(jù)。

對各坐標系下測量數(shù)據(jù)在公共坐標系下進行擬合和分析，得出發(fā)動機噴管下端面外圓擬合圓圓心坐標為1(-1.456，-2.640，-950.364)，發(fā)動機喉部交接外圓擬合圓圓心坐標為2(-0.814，-0.752，-438.973)，1～2之間的連線即為發(fā)動機安裝在安裝面后的軸線。因為發(fā)動機安裝面是以儀器艙下端面為基準面，所以在公共基準坐標系下設定安裝基準面坐標（0，0，0），可將1～2軸線投影到空間坐標各基準面上。

所以，發(fā)動機安裝后相對于安裝基準面坐標軸的偏移量為公式（3）和偏斜量為公式（4）。

得出相對于軸的偏移量為-0.27mm，相對于軸的偏移量為0.86mm，相對于軸的偏斜量為0.223°。

圖4 發(fā)動機裝配精度測量結果圖

通過10次的重復性測量，發(fā)動機裝配精度測量實驗結果如圖4所示，從測量結果可以看出，發(fā)動機裝配后相對于安裝面的偏斜量均小于0.5°，、軸線偏移量均小于2mm，且測量數(shù)據(jù)跳動較小，滿足了發(fā)動機裝配精度技術指標要求。

4 結束語

隨著航天產品對發(fā)動機裝配精度要求越來越高，激光跟蹤儀在發(fā)動機裝配后的精度測量中，以其高效率、高精度特點得到廣泛應用。針對上面級發(fā)動機產品的結構特點、測量任務需求分析，結合工程實踐，通過制定專用的發(fā)動機總裝后的精度測量方案和測量方法，獲得了精準的精度測量參數(shù)，實現(xiàn)了上面級發(fā)動機裝配后的精度量化，指導了其裝配調整目標，保證了上面級發(fā)動機裝配后的質量可靠性。

1 郭潔瑛，劉笑，王偉.激光跟蹤儀水平與垂直角對測量精度影響的試驗研究[J]. 航天器環(huán)境工程，2010，27(5)：643～645

2 王彥喜，閔俊，劉剛. 激光跟蹤儀在飛機型架裝配中的應用[J]. 航空制造技術，2010，19：92～97

3 王孝坤. 利用激光跟蹤儀測量超長導軌直線度的方法[J]. 應用光學，2013，34(4)：686～689

4 張春富，唐文彥，李慧鵬，等. 激光跟蹤儀在固體火箭發(fā)動機推力線測量中的應用[J]. 固體火箭技術，2007，30(6)：548～551

Application of Laser Tracker to Accuracy Measurement after Assembling Engine of Upper Stage

Yang Chuancheng1Zhang Bin1Yang Zipeng2Wang Dong1Gu Chenming1Cui Lei1

(1. Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076; 2. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076)

The measurement principle of laser tracker was introduced, moreover the scheme and the method of the accuracy measurement for assembling the engine of the upper stage were put forward on the basis of the laser tracker. Then the measurement point layout and the transformation method of the coordinate systems in the measurement were explained. At last, the feasibility of the method was verified by the practical application. The measured data met the technical requirements, and the quality reliability of assembling the engine of the upper stage was improved.

engine of upper stage；assembly；laser tracker；accuracy measurement；quality reliability

楊傳成（1984），碩士，機械設計及理論專業(yè)；研究方向：運載火箭及導彈武器總裝技術。

2017-09-27