激光跟踪仪在上面级发动机总装后精度测量中的应用

杨传成 张 斌 杨自鹏 王 东 顾晨明 崔 雷



激光跟踪仪在上面级发动机总装后精度测量中的应用

杨传成1张 斌1杨自鹏2王 东1顾晨明1崔 雷1

（1.首都航天机械公司，北京 100076；2.北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

介绍了激光跟踪仪的测量原理，提出了一种基于激光跟踪仪测量上面级发动机总装精度测量方案和测量方法，阐述了测量过程中测量点布局、坐标系转换方法。经过实际应用，验证了其可行性，测量数据满足了技术指标要求，提高了上面级发动机总装质量可靠性。

上面级发动机；总装；激光跟踪仪；精度测量；可靠性

1 引言

上面级是在基础级火箭上增加的相对独立的一级（或多级），有较强的任务适应性，具有多次起动、长时间工作、自主飞行等特点，具备多星发射和轨道机动、轨道部署能力，是提高火箭性能和任务适应能力的有效途径。

上面级发动机装配各精度指标直接影响上面级姿态控制与动力系统性能，甚至关系整个卫星发射任务的成功与否。在上面级发动机与仪器舱对接装配过程中，不仅受到其安装平面加工精度的影响，还要受到发动机装配精度影响，造成发动机与安装面对接后在理论上两轴线之间偏斜和偏移。目前型号研制中，在发动机装配后精度测量上还没有借鉴的检测方法，一般直接安装后不再进行测量和调整。而设计系统对上面级发动机装配精度提出了较高的要求，其中发动机装配轴线偏移量和喷管轴线的偏斜量是发动机装配过程中至关重要的测量参数，依据测量参数结果可以确定是否对发动机装配进行适当调整。因此，本文着重从上面级发动机装配后精度测量为出发点，采用激光跟踪仪，研究了上面级发动机装配精度测量的方法，为发动机装配后的精度提供一套准确、详实的测量方法和数据。

2 激光跟踪仪测量原理

激光跟踪仪是一种高精度、便携式三维坐标测量设备，激光跟踪仪发射出激光束，光束经靶标球反射回到激光头[1]。激光跟踪仪的测量原理是以极坐标方式实现对被测物体空间三维坐标的测量，以激光收发器的回转中心为坐标原点，建立空间测量坐标系[2]。如图1 所示，测量被测对象时，将激光测量靶标球放置于被测对象点处，激光收发器发射、接收靶标球激光信号，测得与轴之的间水平角，与轴之间的垂直角，以及由激光收发器中心到被测对象点的距离，由式（1）可得出被测点的空间坐标（,,）。

图1 激光跟踪仪测量原理

3 上面级发动机装配精度测量

根据上面级发动机装配过程及装配精度测量要求， 制定了其装配精度测量总体方案和流程。见图2。

图2 上面级发动机精度测量流程图

3.1 上面级发动机装配

使用可升降调整工装将发动机对接面缓慢贴合，确保两对接面完全贴合，对接螺栓孔对正。对接采用4个螺栓和4个垫片连接紧固，并将4个对接螺栓均匀分10N·m、22N·m、33N·m三级施加力矩。在发动机装配中采用在发动机对接面处增加安装合适厚度调整垫片进行调整发动机装配精度。

3.2 测量点布局

图3 精度测量系统总体布局图

根据本测量对象的结构特征，外形最大直径达到3m，且圆周方向有多个零部组件可能在测量过程中形成障碍物，在测量过程中靠1台激光跟踪仪不能保证激光束的连续性，无法连续进行。因此，本测量系统测量点布局采用两台激光跟踪仪1和激光跟踪仪2进行测量，避免了一台激光跟踪仪测量因为转站问题带来测量误差。发动机精测测量总体布局见图3。

3.2.1 发动机精测点

在发动机装配完成后，由于发动机喷管在交付前已进行圆度和直线度的测量，满足设计要求，所以该喷管底端外圆面、中段与喉部交接外圆面可以作为采集坐标点对象。以发动机喷管底端面的外圆面作为测量目标，将该外圆面上采集1～8共8个目标点，以喉部交接外圆面采集′1～′8共8个目标点，目标点选择尽量均布。使用激光跟踪仪自带靶标球水平面紧贴于发动机喷管底端面，垂直面紧贴于喷管底端面外圆面。测量喷管底端面外圆上8个目标点，测量喉部交接外圆面8个目标点后，拟合出喷管外圆、喉部交接外圆面截面圆、圆心坐标，将两圆心之间的连线作为被测发动机的安装轴线，如图3所示。

3.2.2 产品基准面精测点

根据上面级发动机安装面的结构特征，与仪器舱对接形成一个整体后，仪器舱下端低冲击分离装置安装面为基准面，在选择测量点时以8个分离螺栓安装孔的中心线为轴线，将该端面一周上采集18共8个目标点，使用激光跟踪仪自带靶标球置于仪器舱下端面安装孔处。测量仪器舱下端面上8个目标点后，拟合出仪器舱下端面截面圆、圆心坐标和截面圆方向的中心轴线，如图3所示。

3.2.3 公共基准测量点

利用激光跟踪仪自带靶标球在装配后发动机停放位置周围平整地面上由测量人员自行设定8 个目标点，如图3中1～8点。作为将发动机底端外圆面、发动机喉部外圆、仪器舱下端基准面采集参数与公共点采集参数三者之间建立一种坐标系的转换关系。

3.3 测量点测量

用激光跟踪仪激光头、靶标球对准以上3个坐标系下的各个测量目标点，分别记录并采集1～8点、′1～8点、1～8点、1～8点的空间位置坐标（1，1，1），（2，2，2）……（x，y，z）。

3.4 测量坐标系建立

根据发动机精度测量工艺方案分析，将测量系统坐标系建立为3个坐标系：激光跟踪仪坐标系；公共基准坐标系；被测产品坐标系。

3.4.1 激光跟踪仪坐标系

由于测量结构件外形尺寸较大，干涉物较多，根据测量系统测量点的总体布局，在测量过程中采用两台激光跟踪仪进行测量，并建立坐标系。激光跟踪仪1的仪器坐标系为1-111，激光跟踪仪2的仪器坐标系为2-222。

3.4.2 公共基准坐标系

本测量系统中共选用8个公共基准点1～8点构建公共基准坐标系，首先测量8个公共点，测得激光跟踪仪1，激光跟踪仪2坐标系下测得的公共点坐标系序列分别为1=（x，y，z），2=（′，′，′），1，2，3，4。激光跟踪仪1坐标系拟合到激光跟踪仪2坐标系下时，各点坐标系之间平移量矢量（0i，0i，0i）；、、分别为激光跟踪仪2的坐标系各点轴、轴、轴在激光跟踪仪1的坐标系中的旋转参数；坐标系各轴之间旋转参数为矩阵[3，4]。

则激光跟踪仪2与激光跟踪仪1坐标系之间的关系为式（2）。

3.4.3 被测产品坐标系

被测产品坐标系是通过两台激光跟踪仪分别在发动机下端面外圆1～8点、发动机喉部交接外圆面′1～′8点，仪器舱基准面1～8点测得建立的各点坐标系。测得产品坐标系后分别在公共基准坐标系下进行各坐标系之间的转换，即最终反映上面级发动机安装后相对于仪器舱基准面上安装精度情况。

3.5 精度测量数据判定

根据3个坐标系的建立与转换，可以得出发动机安装后测量点拟合截面圆的中心轴线与仪器舱安装基准面测得各点拟合圆中心轴线之间的偏斜量，和轴线偏移量，若在测量后测量值不能满足设计要求，则可通过在发动机安装面增加合适厚度的垫片进行调整后重新测量，直到满足技术指标要求。以某发次上面级发动机装配精度测量为实例，按图3测得在公共坐标系下发动机喷管下端面外圆部位的8个测量点，发动机喉部交接外圆面的8个测量点，以及仪器舱基准面8个测量点的坐标数据。

对各坐标系下测量数据在公共坐标系下进行拟合和分析，得出发动机喷管下端面外圆拟合圆圆心坐标为1(-1.456，-2.640，-950.364)，发动机喉部交接外圆拟合圆圆心坐标为2(-0.814，-0.752，-438.973)，1～2之间的连线即为发动机安装在安装面后的轴线。因为发动机安装面是以仪器舱下端面为基准面，所以在公共基准坐标系下设定安装基准面坐标（0，0，0），可将1～2轴线投影到空间坐标各基准面上。

所以，发动机安装后相对于安装基准面坐标轴的偏移量为公式（3）和偏斜量为公式（4）。

得出相对于轴的偏移量为-0.27mm，相对于轴的偏移量为0.86mm，相对于轴的偏斜量为0.223°。

图4 发动机装配精度测量结果图

通过10次的重复性测量，发动机装配精度测量实验结果如图4所示，从测量结果可以看出，发动机装配后相对于安装面的偏斜量均小于0.5°，、轴线偏移量均小于2mm，且测量数据跳动较小，满足了发动机装配精度技术指标要求。

4 结束语

随着航天产品对发动机装配精度要求越来越高，激光跟踪仪在发动机装配后的精度测量中，以其高效率、高精度特点得到广泛应用。针对上面级发动机产品的结构特点、测量任务需求分析，结合工程实践，通过制定专用的发动机总装后的精度测量方案和测量方法，获得了精准的精度测量参数，实现了上面级发动机装配后的精度量化，指导了其装配调整目标，保证了上面级发动机装配后的质量可靠性。

1 郭洁瑛，刘笑，王伟.激光跟踪仪水平与垂直角对测量精度影响的试验研究[J]. 航天器环境工程，2010，27(5)：643～645

2 王彦喜，闵俊，刘刚. 激光跟踪仪在飞机型架装配中的应用[J]. 航空制造技术，2010，19：92～97

3 王孝坤. 利用激光跟踪仪测量超长导轨直线度的方法[J]. 应用光学，2013，34(4)：686～689

4 张春富，唐文彦，李慧鹏，等. 激光跟踪仪在固体火箭发动机推力线测量中的应用[J]. 固体火箭技术，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

杨传成（1984），硕士，机械设计及理论专业；研究方向：运载火箭及导弹武器总装技术。

2017-09-27