CN108775876A - 卫星调装检测一体化移动平台 - Google Patents

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    • G01S19/01Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/02Details of the space or ground control segments

Abstract

本发明涉及卫星调装检测一体化移动平台,包括底盘、回转支承机构、通用对接平台、圆筒形直线伺服电机、测量基准集成承载板和自动控制系统。自动控制系统读取圆筒形直线伺服电机的伸长量,接收回转支承机构转动的相对角度值,结合输入的产品参数,计算卫星坐标系与平台坐标系之间的转换矩阵,实现实时测量。本发明提供了一种统一的基准建立平台,能够覆盖国内80%的卫星总装需求,实现从卫星零部件到卫星总成的装配检测转运过程全部在本发明所述平台上直接完成。本发明提供了一种多角度姿态调整的方式来满足卫星总装过程中的调姿需求,能够实现卫星装配检测调装的高度自动化且调整精度高,提高效率的同时提高装配质量,降低对人员的技能要求。

Description

卫星调装检测一体化移动平台
技术领域
本发明涉及航空航天制造领域,尤其是涉及一种卫星调装检测一体化转运平台。
背景技术
目前卫星总装过程中的精密测量和调装手段纷繁复杂,调装检测设备较多,有三坐标测量机、关节臂测量机、激光跟踪仪和经纬仪等设备,所有设备都有一套自己的测量基准建立方法,互相之间不能通用统一。
目前卫星光学精密测量主要依靠经纬仪光学准直手段,需要人工来回搬运经纬仪支架,并且全部依靠人眼及手动测量,通过经纬仪瞄准卫星上面的立方镜,使得经纬仪镜面与立方镜平行,才能开始准直测量。人工光学准直测量,费时费力,效率不高的同时还不适合批量检测,同时测量精度也没有办法保证。
卫星总装过程中需要进行厂内的卫星姿态调整或者将转运对接,一般需要依靠吊车再辅助各种测量设备不断调整,进行吊装转运。依靠吊车进行卫星的姿态调整或转运对接,精度不高,还需要辅助各种测量设备不断调整,从而达到高精度姿态调整的目的,效率低,而且存在一定安全隐患。并且卫星种类较多,每一个卫星均需要设计独特的吊具及相关姿态调整或转运对接方案,效率不高,没有通用型。
目前卫星装配过程中的调装检测手段的主要原理都是参照卫星的设计坐标系Oxyz,将卫星各精度单机或结构件装配到指定位置,对精度单机或结构件(以下简称“零件”)提出了很高的形状和位置度要求,需要在装配过程不断修磨零件的形状和调装零件的位置并最终达到要求,这些形状和位置度要求最终都可以转换到设计坐标系中的笛卡尔坐标系值,所以只需要实时地参照卫星的设计坐标系并测量出零件在此坐标系下的坐标值即可实现调装检测。
目前卫星零件坐标的测量手段包括机械式接触测量、光学准直测量和其他非接触式测量。由于目前没有一种航天器装配、精密测量、转运一体化的平台,因此本申请提供了一种卫星调装检测一体化移动平台,主要集成了以上三种测量手段的基准建立。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷,本发明的目的在于提供一种卫星调装检测一体化移动平台,以解决卫星在总装过程中出现的调装检测姿态调整及转运对接等问题。
为达到以上目的,本发明采取的技术方案是:
卫星调装检测一体化移动平台,包括底盘、回转支承机构2、通用对接平台3、测量基准集成承载板5以及自动控制系统6;所述底盘包括底座1和底盘上支承,底座1的四周设有4个麦克纳姆轮或2 组聚氨酯橡胶履带行走架;底盘上支承包括圆筒形直线伺服电机4和回转电机安装板9,圆筒形直线伺服电机4的下端与底座1连接,上端通过减振橡胶垫8与回转支承机构2连接,圆筒形直线伺服电机4 的上端设有回转机构固定孔,用于固定回转支承机构2;所述回转电机安装板9焊接于圆筒形直线伺服电机4的上部,用于安装回转伺服电机15;
所述自动控制系统6固定于底座1的底部,测量基准集成承载板 5固定于底座1的上方,测量基准集成承载板5用于承载测量基准集成,通用对接平台3固定于回转支承机构2的上方;
测量基准集成承载板5的四角处分别设有1个直径为6mm的锥孔10和1组定位块11;所述定位块11为永磁体定位块,用于吸附基准球棒19,锥孔10用于放置基准球20;
回转支承机构2包括回转支承内圈12、回转支承外圈13、回转轴承14、回转伺服电机15和环形光栅16,回转支承内圈12与回转支承外圈13之间通过回转轴承14滑动连接,回转伺服电机15与回转支承内圈12紧密啮合,环形光栅16固定于回转支承内圈12的上方;环形光栅16用于读取回转支承机构2转动的相对角度值,精度为3″;
所述通用对接平台3包括环形法兰,环形法兰上的对接孔的位置符合标准GJB-Z200(卫星与运载火箭对接尺寸型谱),共提供6种对接尺寸,满足国内绝大部分卫星的对接安装;
所述自动控制系统6用于读取对应圆筒形直线伺服电机4的伸长量和接收回转支承机构2转动的相对角度值,结合输入的产品参数,计算卫星坐标系与平台坐标系之间的转换矩阵,实现实时测量。
在上述方案的基础上,所述圆筒形直线伺服电机4的上端与回转支承外圈13连接;回转支承内圈12与通用对接平台3紧固连接;
所述回转支承外圈13上沿圆周均匀设有若干连接孔Ⅰ17,用于与圆筒形直线伺服电机4的上端连接;回转支承内圈12上沿圆周均匀设有若干连接孔Ⅱ18,用于与通用对接平台3连接。
在上述方案的基础上,所述圆筒形直线伺服电机4的数量为4组,其支承位置分别位于回转支承轴线0度、90度、180度及270度位置,角度偏差不大于0.05度。
在上述方案的基础上,所述圆筒形直线伺服电机4的数量为6组,该6组圆筒形直线伺服电机每隔60度布置一组,角度偏差不大于0.05 度。
在上述方案的基础上,所述麦克纳姆轮或聚氨酯橡胶履带行走架通过底座1上的行走伺服电机7驱动,行走速度低于3m/s,1米范围内行走精度优于5mm。
在上述方案的基础上,所述自动控制系统6中设有锂电池组,为所述平台提供电能;
所述底盘配有连杆减震机构,用于行走过程中地面不平时,达到一定的防震效果。
在上述方案的基础上,所述测量基准集成包括机械式触测测量装置、光学准直测量装置和非接触式扫描测量装置;所述机械式触测测量装置包括三坐标测量机、关节臂测量机;光学准直测量装置包括经纬仪和激光跟踪仪。
在上述方案的基础上,所述基准球棒19的垂直度和平面度优于 0.003mm,基准球棒19采用刚性较高的金属制成,推荐采用 W18Cr4V,基准球棒19的底部为20×20mm的立方体,四周镀银,要求镀银工艺后相邻两个面夹角为90°±0.001°,基准球棒19的中部为金属圆柱体,基准球棒19的顶部为金属球体,金属球体的直径为22.88mm,球度公差要求小于0.001mm;所述基准球棒19用于三坐标测量机、关节臂测量机和经纬仪的光学准直测量(卫星姿态调整) 以及扫描测量。
在上述方案的基础上,所述基准球20为靶标基准球或棱镜基准球;所述靶标基准球的外表面镀铬,直径为25mm,球度优于0.005mm,要求靶标中心与球体中心的偏离距离小于0.01mm;所述靶标基准球用于经纬仪测量(几何行为公差测量)、摄影测量;
所述棱镜基准球的外表面镀铬,直径为25mm,球度优于 0.005mm,要求棱镜焦点中心与球体中心的偏离距离小于0.01mm;所述棱镜基准球用于激光跟踪仪测量。
在上述方案的基础上,所述产品参数包括圆筒形直线伺服电机4 的编号,圆筒形直线伺服电机4的轴线与回转支承机构2平面的夹角,测量基准集成与通用对接平台3的初始转换矩阵,和经纬仪在平台坐标系下的坐标值。
本发明所述卫星调装检测一体化移动平台的有益效果:
本发明能够覆盖国内80%的卫星总装需求,实现从卫星零部件到卫星总成的装配检测转运过程全部在本发明所述平台上直接完成。本发明可以实现自动化光学准直测量;卫星总装过程中经常需要对装配中的卫星进行姿态调整,本发明提供了一种高精度多角度的姿态调整的方式来满足卫星总装过程中的调姿需求,调整精度高,能够实现卫星装配检测调装的高度自动化,提高效率的同时提高装配质量,同时降低对人员的技能要求。本发明提供了一种统一的基准建立平台,实现了卫星装配平台的标准化、模块化,对现有装配检测手段进行了统一。
附图说明
本发明有如下附图:
图1本发明的结构示意图;
图2底盘的结构示意图;
图3回转支承机构的结构示意图;
图4回转支承机构的纵向剖视图;
图5测量基准集成承载板的结构示意图;
图6测量基准集成承载板的俯视图;
图7测量基准集成承载板的局部放大图;
图8基准球棒的结构示意图;
图9基准球棒的正视图;
图10靶标基准球的结构示意图;
图11棱镜基准球的结构示意图;
图12麦克纳姆轮式小型卫星调装检测平台的正视图;
图13麦克纳姆轮式小型卫星调装检测平台的侧视图;
图14履带式大型卫星调装检测平台的正视图;
图15履带式大型卫星调装检测平台的侧视图。
附图标记:
1,底座;2,回转支承机构;3,通用对接平台;4,圆筒形直线伺服电机;5,测量基准集成承载板;6,自动控制系统;7,行走伺服电机;8,减振橡胶垫;9,回转电机安装板;10,锥孔;11,定位块;12,回转支承内圈;13,回转支承外圈;14,回转轴承;15,回转伺服电机;16,环形光栅;17,连接孔Ⅰ;18,连接孔Ⅱ;19,基准球棒;20,基准球。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1~15所示,本发明所述的卫星调装检测一体化移动平台,包括底盘、回转支承机构2、通用对接平台3、测量基准集成承载板 5以及自动控制系统6;所述底盘包括底座1和底盘上支承,底座1 的四周设有4个麦克纳姆轮或2组聚氨酯橡胶履带行走架;底盘上支承包括圆筒形直线伺服电机4和回转电机安装板9,圆筒形直线伺服电机4的下端与底座1连接,上端通过减振橡胶垫8与回转支承机构 2连接,圆筒形直线伺服电机4的上端设有回转机构固定孔,用于固定回转支承机构2;所述回转电机安装板9焊接于圆筒形直线伺服电机4的上部,用于安装回转伺服电机15;
所述自动控制系统6固定于底座1的底部,测量基准集成承载板 5固定于底座1的上方,测量基准集成承载板5用于承载测量基准集成,通用对接平台3固定于回转支承机构2的上方;
测量基准集成承载板5的四角处分别设有1个直径为6mm的锥孔10和1组定位块11;所述定位块11为永磁体定位块,用于吸附基准球棒19,锥孔10用于放置基准球20;
回转支承机构2包括回转支承内圈12、回转支承外圈13、回转轴承14、回转伺服电机15和环形光栅16,回转支承内圈12与回转支承外圈13之间通过回转轴承14滑动连接,回转伺服电机15与回转支承内圈12紧密啮合,环形光栅16固定于回转支承内圈12的上方;环形光栅16用于读取回转支承机构2转动的相对角度值,精度为3″;
所述通用对接平台3包括环形法兰,环形法兰上的对接孔的位置符合标准GJB-Z200(卫星与运载火箭对接尺寸型谱),共提供6种对接尺寸,满足国内绝大部分卫星的对接安装;
所述自动控制系统6用于读取对应圆筒形直线伺服电机4的伸长量和接收回转支承机构2转动的相对角度值,结合输入的产品参数,计算卫星坐标系与平台坐标系之间的转换矩阵,实现实时测量。
在上述方案的基础上,所述圆筒形直线伺服电机4的上端与回转支承外圈13连接;回转支承内圈12与通用对接平台3紧固连接;
所述回转支承外圈13上沿圆周均匀设有若干连接孔Ⅰ17,用于与圆筒形直线伺服电机4的上端连接;回转支承内圈12上沿圆周均匀设有若干连接孔Ⅱ18,用于与通用对接平台3连接。
在上述方案的基础上,底盘上设有4组或6组圆筒形直线伺服电机,各圆筒形直线伺服电机4独立工作,与回转支承机构2紧固件连接,支承位置要求分别位于回转支承轴线0度、90度、180度及270 度位置或每隔60度布置,角度偏差不大于0.05度,平台制造完成后,圆筒形直线伺服电机4轴线相对于回转支承轴线的位置度需要被精确测量,精度不大于0.001度,并将测量数据作为初始参数设置到自动控制系统6中。所述圆筒形直线伺服电机4的数量为6组时,该6 组圆筒形直线伺服电机每隔60度布置一组,角度偏差不大于0.05度。
在上述方案的基础上,所述平台分两种规格,一种为行走机构为履带式的大型卫星调装检测平台,外包络尺寸为 2400×2200×1600mm,承载500kg-1500kg级卫星,自重1.9t;另一种行走机构为麦克纳姆轮的小型卫星调装检测平台,外包络尺寸为 1200×1200×1400mm,承载500kg以下卫星。所述麦克纳姆轮或聚氨酯橡胶履带行走架通过底座1上的行走伺服电机7驱动,行走速度低于3m/s,1米范围内行走精度优于5mm。
测量基准集成主要包括机械式触测测量装置,光学准直测量装置,非接触式扫描测量装置。所述机械式触测测量装置包括三坐标测量机、关节臂测量机;光学准直测量装置包括经纬仪和激光跟踪仪。测量基准集成还包含3个附件,分别为基准球棒、靶标基准球和棱镜基准球。
在上述方案的基础上,所述基准球棒19的垂直度和平面度优于 0.003mm,基准球棒19采用刚性较高的金属制成,推荐采用 W18Cr4V,基准球棒19的底部为20×20mm的立方体,四周镀银,要求镀银工艺后相邻两个面夹角为90°±0.001°,基准球棒19的中部为金属圆柱体,基准球棒19的顶部为金属球体,金属球体的直径为22.88mm,球度公差要求小于0.001mm;所述基准球棒19用于三坐标测量机、关节臂测量机和经纬仪的光学准直测量(卫星姿态调整) 以及扫描测量。
在上述方案的基础上,所述基准球20为靶标基准球或棱镜基准球;所述靶标基准球的外表面镀铬,直径为25mm,球度优于0.005mm,要求靶标中心与球体中心的偏离距离小于0.01mm;所述靶标基准球用于经纬仪测量(几何行为公差测量)、摄影测量;
所述棱镜基准球的外表面镀铬,直径为25mm,球度优于 0.005mm,要求棱镜焦点中心与球体中心的偏离距离小于0.01mm;所述棱镜基准球用于激光跟踪仪测量。
另外,所述自动控制系统6中设有锂电池组,为所述平台提供电能;锂电池组的电量不小于85KW/H。所述底盘配有连杆减震机构,用于行走过程中地面不平时,达到一定的防震效果。
所述自动控制系统6,通过读取对应圆筒形直线伺服电机4的伸长量,接收回转支承机构2的相对角度值,结合输入的产品参数,可以计算出卫星坐标系与平台坐标系之间的转换矩阵。产品参数包括圆筒形直线伺服电机4的编号,圆筒形直线伺服电机4的轴线与回转支承机构2平面的夹角,测量基准集成与通用对接平台3初始转换矩阵,经纬仪在平台坐标系下的坐标值。自动控制系统6中包含能够读取徕卡5100及6100两个型号经纬仪的采集卡,接口数目不低于4个。通过读取测量到的角度值,以及经纬仪在平台坐标系下的坐标值,可以实现实时测量。
卫星总装环节需要解决的问题是卫星装配过程中的任意自由度及任意角度调整,调整过程中卫星坐标系能够实时检测;卫星总装平台能够兼容现有测量手段及设备;卫星对接试验设备时能够实现小范围高精度移动。
卫星装配环节需要解决的是姿轨控、推进及有效载荷分系统的仪器安装精度,一般的做法是根据不同单机建立各自独立的主基准进行对比测量,本发明主要解决了主基准统一的问题,将不同形式的测量方法不同设备的测量原理所建立的测量基准坐标系,统一到装配平台上,建立了卫星通用的装配基准平台;同时为了满足装配过程转运及卫星姿态调整,设计了履带架行走机构及回转支承机构2。本发明提高了整个卫星总装及卫星批量总装的效率及装配精度。
卫星在装配过程需要穿插精密测量及卫星姿态变换等环节,由于需要对卫星进行吊装及转运,相关的测量基准会引起变动,本发明将测量基准集成固定在平台上,不需要将卫星拆离平台即可实现所有种类及所有测量设备的基准高度匹配性,通过履带架安装在移动平台上,实现了平台整体平稳行走转运,通过回转支承机构2实现了卫星姿态的变换。卫星的姿态变换后,平台无需重新标定即可实时测量。
基准建立方法:在测量基准集成上,将基准球棒吸附到定位块上,靶标基准球或棱镜基准球放置到锥孔中,经纬仪建立基准方法,通过光学准直基准球棒一端的两个立方镜镀银表面作为X轴和Y轴,结合靶标基准球作为原点,建立经纬仪基准;机械式触测主要通过红宝石探头探测至少3个锥孔,建立机械式触测基准;通过扫描3个基准球棒上的圆球,获得3个球心点,建立笛卡尔坐标系作为基准球棒的基准。
测量基准集成标定:通过三坐标测量机探测通用对接平台上的2 个销孔及卫星安装面,建立卫星坐标系,通过三坐标测量机探测3个锥孔和永磁体定位块,建立平台坐标系,计算出卫星坐标系到平台坐标系的转换矩阵,将该矩阵输入到自动控制系统6中作为初始标定参数。
通过回转支承机构2和圆筒形直线伺服电机4以及对应的环形光栅,可以实时反映出装配在平台上的卫星的姿态,并反馈到自动控制系统中进行实时调整,能够使卫星旋转过程中精确地获取角度值,以及6组圆筒形直线伺服电机上光栅尺,可以获知卫星相对于平台坐标系的变换矩阵,从而实时检测到卫星设计坐标系。
将卫星三维模型中的精度单机的立方棱镜坐标系相对于卫星坐标系的转换矩阵输入自动控制系统6,在指定位置放置经纬仪,即可通过调装卫星姿态达到自动准直测量的目的。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
附件:
沈兆欣,陈晓辉.电子经纬仪测量系统中立方镜坐标系建立技术探讨[J].宇航计测技术.2006,26(4):73-75[ShenZhaoxin,ChenXiaohui.A technology to getcoordinate-system of cube-prism in electron-theodolite surveying system[J].Journal of Astronautic Metrology and Measurement,2006,26(4):73-75];
张满,李涛,刘建新.某卫星不同受力环境下精度测试方法的新思路.北京卫星环境工程研究所,北京100094;
参考文献(如专利/论文/标准)
多系统测量基准集成转换标准器 申请号 201310138473.3 北京卫星环境工程研究所
航天器总装高精度角度测量系统 申请号:201110425692.0 北京卫星环境工程研究所。

Claims (10)

1.卫星调装检测一体化移动平台,其特征在于:包括底盘、回转支承机构(2)、通用对接平台(3)、测量基准集成承载板(5)和自动控制系统(6);所述底盘包括底座(1)和底盘上支承,底座(1)的四周设有4个麦克纳姆轮或2组聚氨酯橡胶履带行走架;底盘上支承包括圆筒形直线伺服电机(4)和回转电机安装板(9),圆筒形直线伺服电机(4)的下端与底座(1)连接,上端通过减振橡胶垫(8)与回转支承机构(2)连接,圆筒形直线伺服电机(4)的上端设有回转机构固定孔,用于固定回转支承机构(2);所述回转电机安装板(9)位于圆筒形直线伺服电机(4)的上部,用于安装回转伺服电机(15);
所述自动控制系统(6)固定于底座(1)的底部,测量基准集成承载板(5)固定于底座(1)的上方,测量基准集成承载板(5)用于承载测量基准集成,通用对接平台(3)固定于回转支承机构(2)的上方;
测量基准集成承载板(5)的四角处分别设有1个直径为6mm的锥孔(10)和1组定位块(11);所述定位块(11)为永磁体定位块,用于吸附基准球棒(19),锥孔(10)用于放置基准球(20);
回转支承机构(2)包括回转支承内圈(12)、回转支承外圈(13)、回转轴承(14)、回转伺服电机(15)和环形光栅(16),回转支承内圈(12)与回转支承外圈(13)之间通过回转轴承(14)滑动连接,回转伺服电机(15)与回转支承内圈(12)紧密啮合,环形光栅(16)固定于回转支承内圈(12)的上方;
所述通用对接平台(3)包括环形法兰,环形法兰上的对接孔的位置符合标准GJB-Z200;
所述自动控制系统(6)用于读取对应圆筒形直线伺服电机(4)的伸长量和接收回转支承机构(2)转动的相对角度值,结合输入的产品参数,计算卫星坐标系与平台坐标系之间的转换矩阵,实现实时测量。
2.如权利要求1所述的卫星调装检测一体化移动平台,其特征在于:所述圆筒形直线伺服电机(4)的上端与回转支承外圈(13)连接;回转支承内圈(12)与通用对接平台(3)紧固连接;
所述回转支承外圈(13)上沿圆周均匀设有若干连接孔Ⅰ(17),用于与圆筒形直线伺服电机(4)的上端连接;回转支承内圈(12)上沿圆周均匀设有若干连接孔Ⅱ(18),用于与通用对接平台(3)连接。
3.如权利要求1所述的卫星调装检测一体化移动平台,其特征在于:所述圆筒形直线伺服电机(4)的数量为4组,支承位置分别位于回转支承轴线0度、90度、180度及270度位置,角度偏差不大于0.05度。
4.如权利要求1所述的卫星调装检测一体化移动平台,其特征在于:所述圆筒形直线伺服电机(4)的数量为6组,该6组圆筒形直线伺服电机(4)每隔60度布置一组,角度偏差不大于0.05度。
5.如权利要求1所述的卫星调装检测一体化移动平台,其特征在于:所述麦克纳姆轮或聚氨酯橡胶履带行走架通过底座(1)上的行走伺服电机(7)驱动,行走速度低于3m/s,1米范围内行走精度优于5mm。
6.如权利要求1所述的卫星调装检测一体化移动平台,其特征在于:所述自动控制系统(6)中设有锂电池组,为所述平台提供电能;
所述底盘配有连杆减震机构,用于在所述平台行走过程中地面不平时,达到防震效果。
7.如权利要求1所述的卫星调装检测一体化移动平台,其特征在于:所述测量基准集成包括机械式触测测量装置、光学准直测量装置和非接触式扫描测量装置;所述机械式触测测量装置包括三坐标测量机、关节臂测量机;光学准直测量装置包括经纬仪和激光跟踪仪。
8.如权利要求1所述的卫星调装检测一体化移动平台,其特征在于:所述基准球棒(19)的垂直度和平面度优于0.003mm,基准球棒(19)采用刚性金属制成,基准球棒(19)的底部为20×20mm的立方体,四周镀银,镀银后相邻两个面夹角为90°±0.001°,基准球棒(19)的中部为金属圆柱体,基准球棒(19)的顶部为金属球体,金属球体的直径为22.88mm,球度公差小于0.001mm。
9.如权利要求1所述的卫星调装检测一体化移动平台,其特征在于:所述基准球(20)为靶标基准球或棱镜基准球;所述靶标基准球的外表面镀铬,直径为25mm,球度优于0.005mm,靶标中心与球体中心的偏离距离小于0.01mm;
所述棱镜基准球的外表面镀铬,直径为25mm,球度优于0.005mm,棱镜焦点中心与球体中心的偏离距离小于0.01mm。
10.如权利要求1所述的卫星调装检测一体化移动平台,其特征在于:所述产品参数包括圆筒形直线伺服电机(4)的编号,圆筒形直线伺服电机(4)的轴线与回转支承机构(2)平面的夹角,测量基准集成与通用对接平台(3)的初始转换矩阵,和经纬仪在平台坐标系下的坐标值。
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