航天器舱段在地面上的自动化装配系统技术方案

航天器舱段在地面上的自动化装配系统，属于大尺寸空间测量装配技术领域。为了解决目前航天器舱段在地面上装配时稳定性差和对接精度低的问题。所述装配系统包括总控系统、激光跟踪仪和并联机构；总控系统，用于控制激光跟踪仪，并根据激光跟踪仪测量的位置信息，获得舱段的固定段端面、移动段端面和并联机构的位置，根据获得的位置信息，解算得到固定段端面和移动段端面的相对位置数据，并根据所述相对位置数据，控制并联机构；激光跟踪仪，用于利用T-Probe或靶球测量固定段端面、移动段端面和并联机构的位置信息；并联机构，用于根据总控系统的控制，控制舱段的移动段运动。本发明专利技术用于航天器生产中。

【技术实现步骤摘要】
航天器舱段在地面上的自动化装配系统
本专利技术属于大尺寸空间测量装配

技术介绍
现代飞机、火箭及导弹的部件数量繁多、外形复杂、结构轻薄易变形的特点使得其装配成为了一项难度大、设计多领域的复杂工程。装配工艺在很大程度上决定了飞机、火箭及导弹的最终质量、制造成本和生产周期。目前，大部分航天器大型舱段的对接和分离为垂直状态的吊装方式，其安全与质量主要依靠工艺人员的工程经验和操作人员的个体技能水平，对接的稳定性与精度均无法得到保证。大尺寸空间测量装配技术在飞机、火箭及导弹的自动化生产过程中发挥了不可替代的重要作用。因此开展大尺寸空间测量装配技术的研究，对于提升航天器生产的技术水平，具有非常重大的意义和价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决目前航天器舱段在地面上装配时稳定性差和对接精度低的问题，本专利技术提供一种航天器舱段在地面上的自动化装配系统。本专利技术的航天器舱段在地面上的自动化装配系统，所述装配系统包括总控系统、激光跟踪仪和并联机构；总控系统，用于控制激光跟踪仪，并根据激光跟踪仪测量的位置信息，获得舱段的固定段端面、移动段端面和并联机构的位置，根据获得的位置信息，解算得到固定段端面和移动段端面的相对位置数据，并根据所述相对位置数据，控制并联机构；激光跟踪仪，用于利用T-Probe或靶球测量固定段端面、移动段端面和并联机构的位置信息；并联机构，用于根据总控系统的控制，控制舱段的移动段运动。所述总控系统，根据获得的位置信息，控制并联机构包括：根据获得的位置信息，建立固定段端面的标定坐标系O1-X1Y1Z1和移动段端面的标定坐标系O2-X2Y2Z2；根据获得的位置信息，建立并联机构在三维转动时的并联机构坐标系O3-X3Y3Z3；当固定段端面与移动段端面坐标系原点的距离大于或等于(l+dl)mm时，获得固定段端面的标定坐标系相对于移动段端面的标定坐标系在并联机构坐标系下的转换矩阵；当固定段端面与移动段端面坐标系原点的距离小于(l+dl)mm时，对并联机构进行误差补偿，获得固定段端面的标定坐标系相对于移动段端面的标定坐标系在并联机构坐标系下的转换矩阵；固定段端面上的销钉的长度为lmm，0.1<d<1；根据获得转换矩阵，求得并联机构需要转动的角度和移动的位移，利用坐标系转换将获得的角度和位移转换到并联机构的六自由度数据；根据六自由度数据，控制并联机构运动到指定位置。所述激光跟踪仪，用于利用靶球测量固定段端面和移动段端面的位置信息包括：靶球测量后输出靶球中心的空间三自由度坐标；固定段端面与移动段端面均为平面，在固定段端面和移动段端面分别选取三个基准点，在选取的基准点上各固定一个靶球；所述总控系统，根据获得的位置信息，建立固定段端面的标定坐标系O1-X1Y1Z1和移动段端面的标定坐标系O2-X2Y2Z2包括：固定段端面三个靶球S1、S2和S3，取S1和S2连线的中点S左移dmm的点O1为坐标原点，以向量为Z1轴，向量为Y1轴，X1轴垂直于S1、S2和S3组成的平面，指向由右手定则确定，且过点O1，由此建立固定段端面的标定坐标系O1-X1Y1Z1；d为端面到靶球球心的距离；移动段端面三个靶球M1、M2和M3，取M1和M2连线的中点M右移dmm的点O2为坐标原点，以向量为Z2轴，向量为Y2轴，X2轴垂直于组成的平面，指向由右手定则确定，且过点O2，建立移动段端面的标定坐标系O2-X2Y2Z2。所述总控系统，根据获得的位置信息，建立固定段端面的标定坐标系O1-X1Y1Z1和移动段端面的标定坐标系O2-X2Y2Z2进一步包括：激光跟踪仪分别测量三个靶球点在激光跟踪仪坐标系下的坐标分别为和且S1和S2连线的中点S在激光跟踪仪坐标系下的坐标为根据求得的三个基准点的坐标求出向量和向量获得向量和向量的夹角余弦值从而求出S1、S2和S3在固定段端面的标定坐标系下的坐标S1其中，根据S1、S2和S3在固定段端面的标定坐标系下的坐标，获得向量和利用叉乘公式求得向量将向量和单位化，得到固定段端面的标定坐标系下的矩阵垂直于向量和向量根据S1、S2和S3在激光跟踪仪坐标系下的坐标，获得三个单位化后向量在激光跟踪仪坐标系下的矩阵根据公式Q＝RLSP，求出固定段端面的标定坐标系到激光跟踪仪坐标系的转换矩阵RLS；根据获得的转换矩阵RLS，利用公式获得固定段端面的标定坐标系下原点在激光跟踪仪坐标系下的坐标O1＝(XS,YS,ZS)'，以向量为Z1轴，向量为Y1轴，X1轴垂直于S1、S2和S3组成的平面，指向由右手定则确定，且过点O1，获得固定段端面的标定坐标系相对于激光跟踪仪坐标系的转换坐标系O1-X1Y1Z1；根据上述方法获得移动段端面的标定坐标系到激光跟踪仪坐标系的转换矩阵RLM和固定段端面的标定坐标系相对于激光跟踪仪坐标系的转换坐标系O2-X2Y2Z2。所述总控系统，根据获得的位置信息，建立并联机构在三维转动时的并联机构坐标系O3-X3Y3Z3包括：所述并联机构为正三角形结构；分别选取并联机构的三条边的中点处为基准点，分别设置靶球P1、P2和P3，P1、P2和P3构成正三角形，所述正三角形的正下方dmm处为坐标原点O3，并联机构做三自由度转动时，O3在空间中的坐标保持不变，所述正三角形的中心为P，向量为X3轴，向量为Y3轴，Z3轴过原点O3，并垂直于所述正三角形所长平面，由此建立并联机构坐标系O3-X3Y3Z3，并求出并联机构坐标系相对于激光跟踪仪坐标系的转换矩阵RLP。所述总控系统，获得固定段端面的标定坐标系相对于移动段端面的标定坐标系在并联机构坐标系下的转换矩阵包括：利用转换矩阵RLS和RLM，获得移动段端面的标定坐标系相对于固定段端面的标定坐标系的转换矩阵RSM＝RLS·RLM，进而求得移动段端面的标定坐标系相对于并联机构坐标系的转换矩阵RPM＝RLP·RLM；求得并联机构从初始姿态到最终姿态的旋转矩阵所述矩阵R即为固定段端面的标定坐标系相对于移动段端面的标定坐标系在并联坐标系下的转换矩阵。所述总控系统，根据获得的转换矩阵，求得并联机构需要转动的角度和移动的位移包括：所述转换矩阵R：其中，α为并联机构沿X轴的滚转角，β为沿Y轴的偏航角，γ为沿Z轴的俯仰角；根据转换矩阵R，通过反三角函数解算出并联机构转动的角度；对移动段端面的标定坐标系的原点坐标O2进行转换，获得转换后的移动段端面的标定坐标系原点的坐标为其中O3为并联机构坐标系的坐标原点；根据固定段端面的标定坐标系的原点在激光跟踪仪坐标系中的位置O3和转换后的移动段端面的标定坐标系原点的坐标O′2，获得移动段端面的标定坐标系的原点与固定段端面的标定坐标系的原点的向量将向量投影到并联机构坐标系下即可求出并联机构应该移动的位移L：所述当固定段端面与移动段端面接近时，对并联机构进行误差补偿，获得固定段端面的标定坐标系相对于移动段端面的标定坐标系在并联机构坐标系下的转换矩阵包括：当采用T-Probe时，根据T-Probe测得滚转角、偏航角和俯仰角，利用激光跟踪仪默认的转换顺序求出T-Probe坐标系到激光跟踪仪坐标系的转换矩阵RLeica：α为并联机构沿X轴的滚转角，β为沿Y轴的偏航角，γ为沿Z轴的俯仰角；由移动段端面的标定坐标系到T-Probe坐标系的转换矩阵为RTM：R本文档来自技高网...

【技术保护点】
航天器舱段在地面上的自动化装配系统，其特征在于，所述装配系统包括总控系统、激光跟踪仪和并联机构；总控系统，用于控制激光跟踪仪，并根据激光跟踪仪测量的位置信息，获得舱段的固定段端面、移动段端面和并联机构的位置，根据获得的位置信息，解算得到固定段端面和移动段端面的相对位置数据，并根据所述相对位置数据，控制并联机构；激光跟踪仪，用于利用T‑Probe或靶球测量固定段端面、移动段端面和并联机构的位置信息；并联机构，用于根据总控系统的控制，控制舱段的移动段运动。

【技术特征摘要】
1.航天器舱段在地面上的自动化装配系统的装配方法，所述装配系统包括总控系统、激光跟踪仪和并联机构；总控系统，用于控制激光跟踪仪，并根据激光跟踪仪测量的位置信息，获得舱段的固定段端面、移动段端面和并联机构的位置，根据获得的位置信息，解算得到固定段端面和移动段端面的相对位置数据，并根据所述相对位置数据，控制并联机构；激光跟踪仪，用于利用T-Probe或靶球测量固定段端面、移动段端面和并联机构的位置信息；并联机构，用于根据总控系统的控制，控制舱段的移动段运动；所述总控系统，根据获得的位置信息，控制并联机构包括：根据获得的位置信息，建立固定段端面的标定坐标系O1-X1Y1Z1和移动段端面的标定坐标系O2-X2Y2Z2；根据获得的位置信息，建立并联机构在三维转动时的并联机构坐标系O3-X3Y3Z3；当固定段端面与移动段端面坐标系原点的距离大于或等于(l+δ*l)mm时，获得固定段端面的标定坐标系相对于移动段端面的标定坐标系在并联机构坐标系下的转换矩阵；当固定段端面与移动段端面坐标系原点的距离小于(l+δ*l)mm时，对并联机构进行误差补偿，获得固定段端面的标定坐标系相对于移动段端面的标定坐标系在并联机构坐标系下的转换矩阵；固定段端面上的销钉的长度为lmm，0.1<δ<1；根据获得转换矩阵，求得并联机构需要转动的角度和移动的位移，利用坐标系转换将获得的角度和位移转换到并联机构的六自由度数据；根据六自由度数据，控制并联机构运动到指定位置；其特征在于，所述当固定段端面与移动段端面接近时，对并联机构进行误差补偿，获得固定段端面的标定坐标系相对于移动段端面的标定坐标系在并联机构坐标系下的转换矩阵包括：当采用T-Probe时，根据T-Probe测得滚转角、偏航角和俯仰角，利用激光跟踪仪默认的转换顺序求出T-Probe坐标系到激光跟踪仪坐标系的转换矩阵RLeica：α为并联机构沿X轴的滚转角，β为沿Y轴的偏航角，γ为沿Z轴的俯仰角；由移动段端面的标定坐标系到T-Probe坐标系的转换矩阵为RTM：RTM＝(RLeica)-1·RLM；RLM为移动段端面的标定坐标系到激光跟踪仪坐标系的转换矩阵，而T-Probe坐标系相对于固定段端面的标定坐标系的转换矩阵RST：RLS为固定段端面的标定坐标系到激光跟踪仪坐标系的转换矩阵，因此可以求出并联机构移动过程中移动段端面的标定坐标系相对于固定段端面的标定坐标系的并联机构矩阵从而求得固定段端面的标定坐标系相对于移动段端面的标定坐标系在并联机构坐标系下的转换矩阵Rt：RPM为移动段端面的标定坐标系相对于并联机构坐标系的转换矩阵。2.根据权利要求1所述的航天器舱段在地面上的自动化装配系统的装配方法，其特征在于，所述激光跟踪仪，用于利用靶球测量固定段端面和移动段端面的位置信息包括：靶球测量后输出靶球中心的空间三自由度坐标；固定段端面与移动段端面均为平面，在固定段端面和移动段端面分别选取三个基准点，在选取的基准点上各固定一个靶球；所述总控系统，根据获得的位置信息，建立固定段端面的标定坐标系O1-X1Y1Z1和移动段端面的标定坐标系O2-X2Y2Z2包括：固定段端面三个靶球S1、S2和S3，取S1和S2连线的中点S左移dmm的点O1为坐标原点，以向量为Z1轴，向量为Y1轴，X1轴垂直于S1、S2和S3组成的平面，指向由右手定则确定，且过点O1，由此建立固定段端面的标定坐标系O1-X1Y1Z1；d为端面到靶球球心的距离；移动段端面三个靶球M1、M2和M3，取M1和M2连线的中点M右移dmm的点O2为坐标原点，以向量为Z2轴，向量为Y2轴，X2轴垂直于组成的平面，指向由右手定则确定，且过点O2，建立移动段端面的标定坐标系O2-X2Y2Z2。3.根据权利要求2所述的航天器舱段在地面上的自动化装配系统的装配方法，其特征在于，所述总控系统，根据获得的位置信息，建立固定段端面的标定坐标系O1-X1Y1Z1和移动段端面的标定坐标系O2-X2Y2Z2进一步包括：激光跟踪仪分别测量三个靶球点在激光跟踪仪坐标系下的坐标分别为和且S1和S2连线的中点S在激光跟踪仪坐标系下的坐标为根据求得的三个基准点的坐标求出向量和向量获得向量和向量的夹角余弦值从而求出S1、S2和S3在固定段端面的标定坐标系下的坐标S1其中，根据S1、S2和S3在固定段端面的标定坐标系下的坐标，获得向量和利用叉乘公式求得向量将...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴勇波，齐乃明，刘延芳，张强，张丹丹，赵一鸣，马明阳，
申请(专利权)人：北京星航机电装备有限公司，哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11