CN106134364B - 一种卫星自动化装配平台 - Google Patents

Abstract

一种卫星自动化装配平台，由装配定位机构、接口姿态捕获器和控制机箱三部分组成。本发明在接口姿态捕获器的卫星对接框架处均匀设置的激光位移传感器，能够精确测量卫星吊装时与卫星接口适配器的相对位移，在接口姿态捕获器的卫星对接框架处均匀设置的承重传感器，实现卫星质心的测量；在装配定位机构中设置的升降机和倾角传感器，实现平台自动的调平；在装配定位机构中设置圆形回转支撑使卫星自动化装配平台具备了精密转台的功能，可以使卫星在架车上精确旋转，精度可以达到1’。本发明的卫星自动化装配平台可以通过更换卫星接口适配器来适应不同卫星的使用要求。

Description

一种卫星自动化装配平台

技术领域

本发明涉及一种卫星自动化装配平台，主要用于卫星数字化装配，还可以应用于航空航天、汽车制造等行业大型精密设备的装配平台，可对装配产品提供精密的姿态调整和数据捕获功能。

背景技术

随着航天技术的不断进步，卫星的研制生产逐步向批量化、系列化方向发展，在卫星总装过程中，过去常用的各种装配架车，由于功能单一，型号繁多，已不符合批量化生产的要求。过去在卫星装配生产过程中，大量使用到架车，其主要功能是提供一个卫星停放的平台。在装配或测试卫星时还需要将卫星移动到其他专用工装上进行操作。传统架车一般由钢骨架焊接构成，各个卫星需要单独研制各自接口的架车，根据使用工况还要生产不同高度的架车。每一个型号的卫星就需要配备一台或多台架车才能满足生产要求。传统架车为纯机械产品，不具备电气控制功能。卫星的旋转需要转动停放架车来实现，架车放置的水平度调节需要人工转动丝杆并观察水平尺来实现，操作不方便且精度性能也不能保证。

卫星自动化装配平台具有传统架车所不具备的许多功能。传统架车不能检测卫星吊装时状态，一般不具备自身旋转功能，依靠手工转动丝杠和观察气泡水平仪来调节水平度，没有测量卫星质量和质心的功能。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有卫星装配平台功能单一的缺点，提供了一种卫星自动化装配平台，能够自动捕获卫星对接面姿态参数，自动水平调节卫星对接面，自动测量卫星质心，拖动卫星自动旋转定位。

本发明的技术解决方案是：一种卫星自动化装配平台，其特征在于：由装配定位机构、接口姿态捕获器和控制机箱三部分组成；

所述装配定位机构包括牵引机构、底盘、旋转机构、倾角传感器、保护罩、角位移传感器、升降机、回转支撑、万向轮，底盘的四个底角安装四只万向轮，在底盘上与四只万向轮对应安装四个用于支撑底盘升降的升降机，底盘的一侧安装牵引机构，牵引机构与其中一组万向轮连接，底盘上端中心位置安装有圆形回转支撑，回转支撑的外部安装保护罩，回转支撑的内圈安装有倾角传感器，回转支撑的旋转依靠安装在底盘下方的旋转机构进行驱动，与旋转机构同轴安装有角位移传感器；

所述接口姿态捕获器包括卫星支撑框、称重机构、激光位移传感器和卫星接口适配器，卫星支撑框由回转支撑对接框和卫星对接框通过六个支撑杆焊接构成，回转支撑对接框安装在回转支撑的外圈上随回转支撑旋转，卫星对接框上等间距安装三个激光位移传感器和三个称重机构，三个称重机构由三个激光位移传感器相互隔开，卫星接口适配器安装在卫星对接框上；

控制机箱内安装计算机控制系统用于对旋转机构、倾角传感器、称重机构、激光位移传感器、角位移传感器、升降机进行调节和控制。

所述回转支撑包括大齿轮、滚珠、密封圈和端面轴承，大齿轮与卫星支撑框的回转支撑对接框同轴安装，端面轴承与底盘固定，大齿轮内圈与端面轴承之间安装滚珠和密封圈，大齿轮的外圈与旋转机构啮合。

所述旋转机构由齿轮、推力轴承、转轴、减速器以及控制电机组成，控制电机连接减速器，转轴连接减速器和齿轮，推力轴承安装在转轴上，齿轮与回转支撑中的大齿轮啮合，齿轮的上端面安装角位移传感器。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明在接口姿态捕获器的卫星对接框架处均匀设置的激光位移传感器，在卫星安装时能够精确测量卫星吊装时与卫星接口适配器的相对位移，可以实现精密吊装对接作业，同时在接口姿态捕获器的卫星对接框架处均匀设置的承重传感器，可以在一个平台实现卫星质心的测量；

(2)本发明在装配定位机构中设置的升降机和倾角传感器，二者配合可以实现平台自动的调平，克服原卫星平台的操作不稳定性、过多依赖人为因素和经验判断等缺点，提升了卫星总装中精密对接装配环节的装配质量和安全性；

(3)为了确保卫星在卫星自动化装配平台上的使用安全，卫星对接环设计成双层结构，当卫星需要测量质量和质心时，上层接口适配器可以升起一定距离。

(4)在装配定位机构中设置圆形回转支撑使卫星自动化装配平台具备了精密转台的功能，可以使卫星在架车上精确旋转，精度可以达到1′，卫星自动化装配平台可以更换卫星接口适配器来适应不同卫星的使用要求。

附图说明

图1为本发明的组成结构图；

图2为本发明称重机构组成结构图；

图3为本发明旋转机构组成结构图；

图4为本发明回转支撑组成结构图；

图5为本发明螺旋升降机结构图；

图6为本发明称重传感器安装位置坐标图；

图7为本发明中心不动调平原理图；

图8为本发明倾角传感器与平台系统坐标系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做如下详细阐述。

如图1所示，装配平台由装配定位机构、接口姿态捕获器和控制机箱三部分构成。装配定位机构作为结构本体的主支撑结构，完成主体的停放、运输、旋转功能；接口姿态捕获器完成被吊产品与定位机之间的对接面姿态数字化捕获，并能对被吊产品进行一定的质心粗测。控制机箱内安装电控系统、计算机及相应的操作部件，通过电控箱5中的计算机操作自动化装配平台，包括卫星吊装时和装配平台之间距离的测量以及卫星旋转、升降和卫星水平调节，用于对旋转机构、倾角传感器、称重机构、激光位移传感器、角位移传感器、升降机进行调节和控制。

装配定位机构主要由牵引机构1、底盘2、旋转机构3、倾角传感器6、保护罩9、角位移传感器10、升降机12、回转支撑13、万向轮14等组成。底盘2由60mm×80mm壁厚为5的空心方钢管焊接构成，外形轮廓为正方形。在底盘2的四角分别安装了四只万向轮14，便于平台的移动。底盘2为自动化装配平台的安装基础，上面安装有旋转机构3、卫星支撑框4、电控箱5、倾角传感器6、保护罩9、角位移传感器10、卫星接口适配器11、电动螺旋升降机12。在底盘2的四只万向轮14的内侧各安装了一个用于支撑底盘2升降的螺旋升降机12，带动卫星接口适配器11和卫星的整体升降，利用倾角传感器6的测量结果来达到控制底盘水平的目的，实现卫星接口适配器11和卫星的整体水平度调节。在底盘2的一侧安装了一套牵引机构1，牵引机构1与一组万向轮14连接，以便于平台的移动和转向，牵引机构1在存放时可以拆卸，单独存放。底盘2上端中心位置安装了一个圆形回转支撑13，回转支撑13外部安装了保护罩9，在保护罩9上刻各个象限标记，回转支撑13内圈上安装了一个倾角传感器6用以底盘的水平测量，回转支撑13的旋转依靠安装在底盘下方的旋转机构3进行驱动，旋转机构3利用一台控制电机通过减速机构驱动，旋转机构3同轴安装了一个角位移传感器10用以测量平台旋转角度。

接口姿态捕获器由卫星支撑框4、称重机构7、激光位移传感器8和卫星接口适配器11组成。卫星支撑框4结构框架由六个支撑杆和卫星对接框以及回转支撑对接框构成，回转支撑对接框安装在回转支撑13的外圈上，可随回转支撑13旋转，卫星对接框上等间距安装了3个激光位移传感器8，用于测量卫星吊装时与卫星接口适配器11的相对位移，同时在卫星对接框上还等间距安装了3个称重机构，用于测量卫星质量，以便计算卫星的质心。

如图2所示，当测量卫星质心时，需要对卫星称重。这时需要将卫星和卫星接口适配器11离开才能准确称重，当对卫星称重时，使用安装于称重传感器22下的升降机构将卫星接口适配器11顶起，称重完毕后，将称重传感器22落下，使卫星接口适配器11落座于卫星对接框上。这个过程是通过手动旋转轴25在轴套24内带动轴承23转动，轴承23转动带动称重传感器22上升，称重传感器22带动顶起螺钉20在传感器托架21中转动上升，顶起螺钉20将卫星接口适配器11和卫星一起顶起。顶起螺钉20为三套，沿卫星对接面120°安装，操作时需要电机同步使顶起螺钉同步转动，这样可以将卫星平稳升起，通过指针观察，转动三圈，顶起螺钉20的顶起距离为3mm，卫星离开接口适配器11，即可进行称重操作。

如图3所示，旋转机构包括控制电机34、减速器33、转轴32、推力轴承31以及齿轮30组成，控制电机34通过减速器33减速调整转速，转轴32连接减速器33和齿轮30，推力轴承31安装在转轴32上，齿轮30的上端面安装角位移传感器10用来测量旋转角度，齿轮30与回转支撑13啮合转动，精确控制卫星转动。

如图4所示，回转支撑13包括大齿轮40、滚珠41、密封圈42和端面轴承43，大齿轮40与卫星支撑框4的回转支撑对接框同轴安装，端面轴承43与底盘2固定，大齿轮40内圈与端面轴承43之间安装滚珠41和密封圈42，大齿轮40的外圈与旋转机构3啮合。通过利用控制电机34带动齿轮30旋转，齿轮30通过啮合大齿轮40转动，大齿轮40带动卫星支撑框4旋转。

称重传感器22采用CYB-602SS型拉压力传感器，量程1.5T，测量精度0.1％。角位移传感器10采用FB900C绝对式轴角编码器，可多圈测量，测量精度为0.01°。倾角传感器6采用XWQJ02-005两轴倾角传感器，量程±10°，测量精度为0.001°。

如图5所示，升降机12的操作采用步进电机驱动，包括升降丝杆51、电机驱动装置52和支撑腿53，电机驱动装置52运动，带动升降丝杆51上下运动，支撑腿53接触地面后，带动底盘2运动。

本发明的质心测量原理是：

三个称重传感器等间距安装在卫星对接框上，以卫星对接框平面建立YOZ坐标系(与星上相同)，以卫星对接框圆心为坐标圆点，三个称重传感器的安装位置见图6。图中所示OY、OZ为装置参考轴，三个称重传感器在原点为O半径为R的卫星对接框上均匀分布，C点为卫星在XOY平面的质心位置，各传感器的坐标为：

Y₁＝0.5R Z₁＝Rcos30°

Y₂＝0.5R Z₂＝Rcos30°

Y₃＝R Z₃＝0

设3个称重传感器的实测值分别为m1，m2，m3，被测卫星重量为m，根据力平衡原理有：

m＝m₁+m₂+m₃

则在YOZ平面内卫星的质心坐标为：

Y_c＝(m₁·Y₁+m₂·Y₂-m₃·Y₂)÷m (1)

Z_c＝(m₁·Z₁-m₂·Y₂)÷m (2)

本发明中底盘调平和支点虚腿消除原理为：

(1)中心不动调平模型

由于卫星自动化装配平台对调平后的高度有严格的要求，为了保证调平前后高度一致，采用中心点不动的调平模型，其工作原理见图7，A、B、C、D为卫星自动化装配平台底盘四个支撑点调平前的初始位置。如图6A所示，在开始调平时，A、C两支撑首先上下相对同步运动，使水平台绕BD轴转动，调整AC直线的水平度直到该轴的倾角达到设定的范围内；如图6B所示，以AC为轴，B、D两点同步上下调整，平台绕AC轴转动，调整BD方向的水平度直到该轴的倾角达到允许的范围，从而完成一轮的调平工作，在调平过程中O点位置始终保持不变。

(2)升降机调节量计算

倾角传感器坐标系与系统坐标系不一定完全重合，因而需要将其转换成系统坐标系下的数值，并进而计算出各升降机支腿的调整量。具体方法如下：

如图8所示，设倾角传感器的坐标系O-X⁰Y⁰与平台系统坐标系之间的角度为α(α可以通过安装标定获得)，倾角传感器的读数为则系统坐标系中的水平度{θ_X，θ_Y}为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_X\\ {\mathrm{\θ}}_Y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\α}& -sin\mathrm{\α}\\ sin\mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{X^0}\\ {\mathrm{\θ}}_{Y^0}\end{array}\right]---\left(3\right)$

式中：及{θ_X，θ_Y}均以弧度表示

将{θ_X，θ_Y}转成倾斜平台方向β和倾斜角θ：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}=\sqrt{{\mathrm{\θ}}_X^2+{\mathrm{\θ}}_Y^2}\\ \mathrm{\β}=artan\frac{{\mathrm{\θ}}_Y}{{\mathrm{\θ}}_X}\end{array}\right.---\left(4\right)$

设升降机支腿i在系统坐标系中的坐标为[X_i，Y_i]，则以系统原点O为调节中心时，该支腿的调节量为：

ΔL_i＝X_iθ_X+Y_iθ_Y i＝1，2，3，4 (5)

在本方案为了提高自动调平精确和简化调平模型，在倾角传感器安装时，采用0.5”级高精度经纬仪进行标定，较好的保证了传感器坐标轴与系统坐标系统一致性，α角很小，因此可以忽略不计。倾角传感器与升降机支腿之间的关系为，设升降机对角之间的距离为D，则R＝D/2，则四个支腿的调节量分别为：

${\mathrm{\ΔL}}_1=-R\·{\mathrm{Sin\θ}}_{Y^0}---\left(6\right)$

${\mathrm{\ΔL}}_2=R\·{\mathrm{Sin\θ}}_{Y^0}---\left(7\right)$

${\mathrm{\ΔL}}_3=R\·{\mathrm{Sin\θ}}_{X^0}---\left(8\right)$

${\mathrm{\ΔL}}_4=-R\·{\mathrm{Sin\θ}}_{X^0}---\left(9\right)$

(3)升降机虚腿调节

卫星自动化装配平台调平系统属于四点支撑调平方式，四点支撑调平系统是一种常见的调平形式，与三点支撑调平形式比较，这种方式构成的支撑面积更大，各支撑点的受力较小。但是四点支撑调平系统存在一次超静定问题，易出现支撑腿悬空现象。此时，悬空的支撑与其对角支撑往往不受力或受力远小于另外两个支撑，当悬空支撑受到较小的力时，容易形成绕非悬空对角支撑轴的“翘翘板”，造成系统失稳。

本系统采用逐个伸展支撑的方法解决虚腿间题，方法如下：在调平完后，逐个测试每个支撑的虚实，将要测试的支撑腿往下伸展(其它支腿不动)，直到传感器对应轴的倾角变化一个角度α，说明该支腿已经可靠着地，但此时由于该支腿的向下伸展，平台已经存在一定的倾角，为了将平台回到零位，将该腿向上收缩，直到传感器的读数恢复到原状。该方法较好的保证了虚腿调节后的水平度，但是在实际调节时，往往不能达到目的，由于受传感器的精度和平台刚性的影响，有时在支腿向上收缩时，支腿已经离地，但是传感器相应轴的角度仍未恢复到原状，此时可能会造成更严重的虚腿现象。为了解决虚腿调节的可靠性，在支腿上升到当前角度与α角度之间满足一定范围即可。

(4)虚腿调节量记忆

为了进一步提高虚腿调节的可靠性，在虚腿调节过程中，对虚腿的调节进行累计，腿向下伸展时，调节量增加，向上收缩时，调节量减小，软件将自动判断调节量，若调节量＜-1mm，说明向上调节距离已经大于向下调节距离1mm，此时虚腿调节出现故障，软件将自动终止虚腿调节过程，以便保护虚腿调节失败时，造成更严重的虚腿现象。

(5)倾角标定

本发明倾角传感器安装在卫星装配平台上，而实际需要调平的是接口姿态捕获器上边沿，由于传感器的安装无法保证接口姿态捕获器与倾角传感器的绝对水平，需要对系统误差进行标定，标定方法如下：首先通过软件将平台调平，软件显示水平后，用高精度经纬仪进行测量，将测量偏差经过计算后，换算成X，Y轴的角度，将该偏差角度输入计算机，通过软件进行误差消除。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种卫星自动化装配平台，其特征在于：由装配定位机构、接口姿态捕获器和控制机箱三部分组成；

所述装配定位机构包括牵引机构(1)、底盘(2)、旋转机构(3)、倾角传感器(6)、保护罩(9)、角位移传感器(10)、升降机(12)、回转支撑(13)、万向轮(14)，底盘(2)的四个底角安装四只万向轮(14)，在底盘(2)上与四只万向轮(14)对应安装四个用于支撑底盘(2)升降的升降机(12)，底盘(2)的一侧安装牵引机构(1)，牵引机构(1)与其中一组万向轮(14)连接，底盘(2)上端中心位置安装有圆形的回转支撑(13)，回转支撑(13)的外部安装保护罩(9)，回转支撑(13)的内圈安装有倾角传感器(6)，回转支撑(13)的旋转依靠安装在底盘(2)下方的旋转机构(3)进行驱动，与旋转机构(3)同轴安装有角位移传感器(10)；

所述接口姿态捕获器包括卫星支撑框(4)、称重机构(7)、激光位移传感器(8)和卫星接口适配器(11)，卫星支撑框(4)由回转支撑对接框和卫星对接框通过六个支撑杆焊接构成，回转支撑对接框安装在回转支撑(13)的外圈上随回转支撑(13)旋转，卫星对接框上等间距安装三个激光位移传感器(8)和三个称重机构(7)，三个称重机构(7)由三个激光位移传感器(8)相互隔开，卫星接口适配器(11)安装在卫星对接框上；

控制机箱(5)内安装计算机控制系统用于对旋转机构(3)、倾角传感器(6)、称重机构(7)、激光位移传感器(8)、角位移传感器(10)、升降机(12)进行调节和控制。

2.根据权利要求1所述的一种卫星自动化装配平台，其特征在于：所述回转支撑(13)包括大齿轮(40)、滚珠(41)、密封圈(42)和端面轴承(43)，大齿轮(40)与卫星支撑框(4)的回转支撑对接框同轴安装，端面轴承(43)与底盘(2)固定，大齿轮(40)内圈与端面轴承(43)之间安装滚珠(41)和密封圈(42)，大齿轮(40)的外圈与旋转机构(3)啮合。

3.根据权利要求1所述的一种卫星自动化装配平台，其特征在于：所述旋转机构(3)由齿轮(30)、推力轴承(31)、转轴(32)、减速器(33)以及控制电机(34)组成，控制电机(34)连接减速器(33)，转轴(32)连接减速器(33)和齿轮(30)，推力轴承(31)安装在转轴(32)上，齿轮(30)与回转支撑(13)中的大齿轮(40)啮合，齿轮(30)的上端面安装角位移传感器(10)。

4.根据权利要求1所述的一种卫星自动化装配平台，其特征在于：所述称重机构(7)包括顶起螺钉(20)、传感器托架(21)、称重传感器(22)、轴承(23)、轴套(24)和旋转轴(25)，通过手动旋转操作旋转轴(25)带动轴承(23)转动，称重传感器(22)实现上升动作，称重传感器(22)带动顶起螺钉(20)在传感器托架(21)中转动上升，顶起螺钉(20)将卫星接口适配器(11)和卫星一起顶起。

5.根据权利要求1所述的一种卫星自动化装配平台，其特征在于：所述的升降机(12)包括升降丝杆(51)、电机驱动装置(52)和支撑腿(53)，电机驱动装置(52)运动带动升降丝杆(51)上下运动，支撑腿(53)接触地面后带动底盘(2)上下运动。