摘要：动量轮是承力筒式舱体卫星的关键载荷，位于承力筒内部。卫星部装过程中，由于承力筒内部空间尺寸小、开敞性差，采用传统的经纬仪测调方法存在操作难度大、测量效率低，测量精度低等缺点。本文提出一种基于激光跟踪技术的自动测量法：以激光跟踪仪为测量手段，通过产品特征标定、现场采样方法改进等措施，可对动量轮支架予以快速、自动的采样、评价，实现对调整操作效果的即时评价、反馈。经在多个平台卫星的应用实践，证明该方法不仅可提高测量精度，还可明显提升测量效率、降低操作强度。
关键词：动量轮支架；激光跟踪仪；自动测量
前言
在承力筒式舱体卫星结构内部，装载了多类载荷，如动量轮等，载荷安装支架为其安装载体。动量轮作为卫星关键的子系统，对卫星的整体运行可靠性及在轨工作寿命有直接影响，载荷的在轨工作性能，很大程度上取决于地面装配阶段的载荷安装支架安装精度。
1当前方法
当前采用象限对正法，以经纬仪作为测量手段。
动量轮支架内框内壁上刻制了产品基准象限线（机加阶段由加工设备制作，反映产品基准信息），共计四处，记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限，对应产品的+X、-Y、-X、+Y向轴线。在卫星部装支架上端面内壁，基于卫星部装基准，制作了基准象限线标识（如+X轴对应的Ⅰ象限）。如使动量轮支架与部装支架上四处象限线严格对正，则保证动量轮支架相对部装基准呈精密对接状态。
经纬仪具体测量方法如下：经纬仪对部装支架回转中心找正，即使经纬仪视准轴，经过转台回转中心，且与该中心及基准象限线的连线方向重合；测量动量轮支架内框内壁上基准象限线（初始为Ⅰ象限），相对部装支架对应象限线的距离偏差，记录偏差值d1，转台转动90º，测量并记录下一象限处对应的偏差值d2，……，最终得到四个象限对应距离偏差值di（i=1，2，3，4）；通过得到的四个象限偏差矢量图（包括偏差方向、偏差值等信息），以四处象限偏差控制合格范围内为目标，制定动量轮支架调整方案（包括平移方向及平移量、旋转方向及旋转量等信息），采取调整措施；调整完毕后，再次测量产品，分析数据，制定调整方案并采取措施，直至呈合格状态。
上述方法实际应用中存在以下弊端或不足：
1）测量操作不便。为保证同时观测到部装支架与动量轮支架上的象限线，以及部装转台回转中心，需将仪器低位置放，仰视象限目标，而部装支架离地高度一般不超过1m，仪器仰视角度有限（不大于47º），操作人员需要俯卧于地面，方可实现采样操作。长时间的测量操作，人员易于疲劳。
2）测量效率不高。每次测量只能得到一个象限处的偏差值，单次测量中，需要多组操作动作，如精确调置仪器视场及焦距，人工瞄准象限目标，精确调整部装转台回转角度（机器粗调+人工精调）。经过四次测量才能得到一次完整数据，需要耗时三十分钟。
3）测量精度有限。动量轮支架上的象限线宽度约1mm，经纬仪采样应用人工瞄准识别的方式，主观性强，测量数据重复性及准确性较差，且测量对象位于承力筒内部，瞄准过程需要增补外部光源，光强分布均匀性直接关系观测效果，控制不利情况下会产生较大的识别误差[1]，降低测量数值可靠性。另外，为保证测量对象可达性，仪器工作呈最大仰角状态，临近仪器测量误差极限值，引入极大的测量误差。
根据以往实践经验，为保证产品装配到位，需要经过数十次的装调、测量，而单次装调操作时间约为数秒钟至十余秒钟，而一次的完整的测量时间约为三十分钟。单个型号通常需要一天以上时间完成产品支架的装调。测量工作已成为制约产品研制主线进度的瓶颈问题。
2改进思路
鉴于经纬仪测量方法局限性，此处提出基于激光跟踪技术的自动测量法：以激光跟踪仪为测量手段，现场建立装配测量基准；在动量轮支架上选择若干（一般为3个）特征孔作为产品位姿测量对象，通过产品设计文件解算上述特征孔相对动量轮支架本体基准的位置信息（三维坐标值，实际为跟踪仪测量球与孔壁接触时的球心坐标值）；对上述特征孔现场采样，以装配测量基准为评价基准，获取特征孔孔心坐标，通过相应数据处理，分析出动量轮支架相对部装基准的位姿关系[2]，制定相应的产品调整方案[3]；通过对测量球合适处理，测量软件合理设置，跟踪仪可对动量轮支架多个特征孔予以快速、自动的采样、评价[4]，实现对调整操作效果的即时评价、反馈。
此处选用内置搜索相机，可对测量配合目标（测量球）自动搜索的激光跟踪仪[5]，美国API公司研制，型号Radian；测量软件选用专用软件Spatial Analyzer（简称SA）。
3实施途径
1）测量基准建立
为保证测量可达性，需将激光跟踪仪测量头置于部装支架内部、转台平面中心处。如图所示。仪器对部装平台上预设的部装基准转移座及平台表面采样，构建转台转移基准；应用部装基准转移法，根据事先标定的部装基准相对转台转移基准的坐标转换关系，复现部装基准。
2）产品特征标定
根据产品设计文件，解算动量轮支架上特征孔孔心相对产品基准的理论坐标值；如产品基准与部装基准不统一，需要根据产品装配工艺文件，获取两者坐标转换关系，解算上述特征孔孔心相对部装基准的理论坐标值；考虑产品特征孔位不可能完全加工到位，存在一定的相对位置偏差，需要进行相应的数学处理，具体如下：以上述孔位理论值为目标值，以组件状态下的实测孔位为测量值（使用激光跟踪仪测量），进行点组拟合，使两者在空间呈最佳匹配关系，即特征孔可达到的最佳相对位置关系，得到孔位理论坐标修正后的数值。
3）产品现场采样
在每个动量轮支架特征孔处，放置跟踪仪测量球，使其与孔壁紧密接触呈采样状态。动量轮支架材质为镁合金，无磁道导特性，考虑在特征孔壁内置放强磁物体的方式，使得钢质测量球，可被牢固吸附在动量轮支架特征孔口，如图；以部装基准作为工作坐标系，导入动量轮支架特征孔修正后的理论点组，选用的跟踪仪具备自动搜索功能，以导入的理论点组作为引导目标，仪器自动对点组内的目标点进行搜索、锁定及采样，自动获得上述特征孔的实际测量点组。
4）数据评价及调整方案
测量软件具备自动测量、分析功能，通过上步操作后，将得到部装基准下动量轮支架特征孔相对理论值的偏离情况，如下图所示：
现场可根据评定的坐标偏差情况，分析出产品整体偏移量及偏移方向，从而制定相应的调整措施。通过产品装调实践总结，如选取的动量轮支架特征孔，均位于产品基准的象限线（即坐标轴）方向上，测量结果对调整措施的指导性将更有效。
4应用效果
本方法以跟踪仪作为测量手段，源于仪器的激光干涉测量原理，在点距测量方面的精度可以达到极高水准。本方法中主要包含部装基准构建和产品特征测量两个环节，经严格误差评估，认为最终测量精度，可以控制在0.05mm以内，完全满足产品测量需求。
本方法综合应用了跟踪仪的自动搜索功能和测量软件的自动分析功能，在测量配合目标（测量球）置放合适的情况下，采样时间可以控制在5秒钟以内；测量软件设置“自动测量模式”程序后，数据采样和分析集成于同一窗口下，在采样完成的瞬间，软件内部即时分析样点相对理论值的偏差。因此，在测量仪器硬、软件设置合适的情况下，面向本产品的测量过程可以控制在10秒钟以内。
该方法已实际应用于多个型号的动量轮支架、肼瓶支架的装调过程中，取得了极好的应用效果。
5结论
改进后的方法，在保证测量精度的前提下，无需改变现场工位布局，无需增加附加装备；提高了装调阶段的测量效率，规避了仪器参数调置、部装转台角度调整等环节，将单次测量时间压缩到数秒钟以内；测量过程基本实现自动化，无需人眼瞄准、触测类的人工采样，测量结果不受测量人员主观影响，测量数据可靠性及稳定性更高。该方法可以作为一种常规方法，应用于卫星部装阶段类似产品支架的装调测量中。
参考文献：
[1] 于枫 经纬仪原理及角度测量的误差分析 品牌与标准化，2014，（12）
[2] 王少锋，洪军，贺巧玲，等．大尺寸组合式测量方法[J]．计算机集成制造系统，2011，1 7（12）：2638—2642
[3] 胡敏捷，阎利，张毅. 三维激光扫描技术在大型舱容测量中的应用研究 [J]. 船舶设计通讯，2011，6（1）
[4] 邹冀华，刘志存，范玉青. 大型飞行器舱段数字化装配方法[J]. 制造业自动化，2007，29（1）
[5] 美国自动精密公司产品说明手册
论文作者:任海龙,徐云甫,王国星,王炳龙,陈艳平
论文发表刊物:《电力设备》2019年第13期
论文发表时间:2019/11/22
标签：测量论文; 动量论文; 支架论文; 象限论文; 基准论文; 特征论文; 产品论文; 《电力设备》2019年第13期论文;