Юстировочно-метрологический комплекс для регулировки положения и ориентации антенн при сборке космических аппаратов

При сборке космических аппаратов (КА) различного назначения одной из актуальных задач является высокоточная ориентация бортовых антенных радиокомплексов в базовой системе координат (СК) КА. Решение этой задачи позволяет обеспечивать взаимное положение диаграммы направленности антенн и СК бортовых приборов системы управления движением и навигации КА и вводить эти параметры в полетное задание КА.

До настоящего времени антенные комплексы, состоящие из связки «рефлектор–облучатель», устанавливались на КА (например, типа «Ямал») как единая сборка [1], в которой системы координат рефлектора и облучателя антенны были взаимно сориентированы при испытаниях антенн на антенном полигоне. Рефлектор и облучатель были смонтированы на общем основании, на котором устанавливался зеркальный куб. В системе координат этого зеркального куба была измерена и паспортизована фирмой-изготовителем антенн пространственная ориентация диаграммы направленности антенны. Такую конструкцию антенных комплексов реализовали фирмы Alenia Spazio (Италия), MDА (Канада) для КА РКК «Энергия» серий «Ямал-200» и «Ямал-300» [2].

Работы по измерению ориентации зеркальных кубов антенных комплексов в базовой СК КА в РКК «Энергия»

(например, КА серии «Ямал-200») проводились операторами-геодезистами с использованием автоколлимационных теодолитов (теодолиты 3Т2КА). С появлением высокоточных лазерных координатно-измерительных систем процесс прецизионных оптических измерений был автоматизирован. В настоящее время задача ориентации бортовых антенных комплексов при их установке на КА в РКК «Энергия» решается с высокой точностью в сжатые сроки с использованием лазерной координатно-измерительной системы Leica Absolute Tracker AT403 [3].

Крупногабаритные контурные антенны с диаметром рефлектора более 2 м могут быть собраны и отъюстированы непосредственно в процессе их сборки на КА. В РКК «Энергия» для установки таких антенн разработана и реализована следующая последовательность работ:

• •    установка на КА и юстировка в проектное положение в базовой СК КА облучающего устройства антенны;

• •    установка рефлектора антенны на специально разработанной жесткой оснастке до его монтажа на КА, юстировка положения рефлектора в базовой СК КА;

• •    раскрытие и обезвешивание смонтированного на КА механизма раскрытия антенны и установка его на фланец рефлектора антенны, закрепленного на жесткой оснастке;

• •    обезвешивание и демонтаж рефлектора антенны с жесткой оснастки.

Для решения задачи точного позиционирования (юстировки) крупногабаритных рефлекторов в базовой СК КА было предложено использовать робототехническую систему — высокоточный шестистепенной манипулятор отечественной разработки, обеспечивающую точное позиционирование рефлектора под контролем лазерной координатно-измерительной системы в рамках созданного единого аппаратно-программного юстировочно-метрологического комплекса.

робототехнические системы для прецизионного позиционирования, погрешности систем

Эффективным решением актуальной задачи позиционирования и ориентирования антенных комплексов является применение промышленных робототехнических систем — манипуляторов.

Повторяемость и разрешение (минимальный шаг перемещения) — основные характеристики, позволяющие оценить возможность применения промышленных роботов-манипуляторов в решении данной задачи.

Большинство современных роботизированных манипуляторов обладает высокой механической жесткостью конструкции, что обеспечивает повторяемость пространственного положения заданной рабочей точки объекта ( X , Y , Z ) на уровне 0,01…0,05 мм и менее [4, 5].

Стандарт ИСО 9283 в качестве основной характеристики выделяет абсолютную погрешность позиционирования рабочей точки объекта в выбранной СК [6]. На практике для роботов различных моделей абсолютная погрешность позиционирования составляет 0,5…6,0 мм [5]. Именно данный факт существенно ограничивает применимость роботизированных систем для прецизионного пространственного позиционирования элементов конструкции объектов (в частности, КА) без применения дополнительных вспомогательных систем определения ориентации и положения.

Абсолютная погрешность позиционирования объекта при помощи роботизированной системы позиционирования (РСП) складывается в т. ч. из описанных ниже составляющих.

Погрешность определения параметров кинематической модели робота-манипулятора. Основными кинематическими структурами, применяемыми в промышленной робототехнике, являются:

• •    последовательная кинематическая структура. Робот представляет собой набор соединенных между собой в последовательную цепь звеньев, работающих на изгиб и кручение. Пример — промышленные роботы-манипуляторы KUKA [4].

• •    параллельная кинематическая структура. Манипулятор типа «платформа Гью–Стьюарта» представляет собой пространственную трансформируемую гексагональную ферму, все элементы которой работают исключительно на растяжение и сжатие. При этом обеспечивается высокая жесткость конструкции при малой массе и достаточном для решения поставленной задачи диапазоне линейных и угловых перемещений. Пример — манипулятор шестистепенной «Гексапод ПМ-мкм-3» отечественной разработки ООО «Прикладная механика» (рис. 1) [7].

  

  Рис. 1. Манипулятор шестистепенной «Гексапод ПМ-мкм-3»: 1 — верхняя подвижная платформа (эффектор); 2 — электромеханический привод (6 шт.); 3 — нижняя неподвижная платформа

  
  

Параметры кинематической модели (линейные и угловые параметры, описывающие положения СК звеньев (осей) робота-манипулятора друг относительно друга) являются ключевыми элементами в системах уравнений прямой и обратной кинематики, используемыми в виде коэффициентов [8–10].

При использовании роботов с последовательной кинематической структурой для высокоточного позиционирования объектов ошибки, накапливающиеся в узлах манипулятора, приводят к эффекту мультипликатора на выходном элементе. В этом случае суммарная ошибка системы будет суммой всех допущенных ошибок.

В роботах с параллельной структурой кинематических связей ошибка выходного элемента является среднеквадратичным значением от ошибок всех элементов.

Погрешность определения параметров объекта, установленного на концевом эффекторе робота-манипулятора. Любой объект, установленный на концевом эффекторе робота-манипулятора, в т. ч. позиционируемый в проектное положение рефлектор антенны, имеет свою собственную СК, началом которой является заданная рабочая точка объекта. Для позиционирования объекта необходимо знать, где именно относительно фланца робота-манипулятора расположена рабочая точка объекта, и как именно объект сориентирован, т. е. положение СК объекта относительно СК фланца робота-манипулятора должно быть известно с высокой точностью.

При решении прямой и обратной кине- матических задач вычисляются параметры трансформации (Торбоъбеоктт ) от базовой СК робота-манипулятора к СК объекта, опираясь на рассчитываемую трансформацию (Тфрлоабноетц) от базовой СК робота к СК фланца эффектора робота-манипулятора и на заданную трансформацию (Тофблъаенкетц) от СК фланца эффектора робота-манипулятора к СК объекта.

Ошибки в трансформации ( Т _о ^ф _б ^л _ъ ^а _е ^н _к ^е _т ^ц ) приводят к ошибкам в преобразовании от СК робота-манипулятора к СК объекта.

Погрешность определения положения РСП определяется погрешностью измерения фактического положения СК робота-манипулятора в выбранной СК. Для задачи позиционирования рефлектора антенны на КА — это погрешность определения параметров трансформации ( Т _р ^К _о ^А _бот ) от базовой СК КА к СК робота-манипулятора.

Для выполнения прецизионного позиционирования рефлекторов антенн на КА с помощью роботизированного манипулятора необходимо исключить или минимизировать влияние указанных погрешностей.

В мировой практике промышленного производства для этого наиболее часто применяется технология калибровки робо- тизированного манипулятора, заключающаяся в выполнении цикла калибровочных измерений с помощью внешней измерительной системы и последующем расчете уточненных параметров кинематической модели, а также набора пара-

_{( Т} фланец_{)    ( Т} робот ₎

объект ,         о б ъ е к т ,

метров трансформации

( Т р ^К о ^А бот ) [11, 12].

принцип работы юстировочно-метрологического комплекса при юстировке рефлекторов антенн на этапе сборки ка

РКК «Энергия» выполнила интеграцию системы позиционирования рефлекторов антенн с внешней измерительной системой, т. е. был образован единый юстировочно-метрологический комплекс, работающий в цикле с обратной связью для обмена данными. Прецизионное позиционирование рефлекторов антенн антенно-фидерных устройств бортового радиокомплекса КА в проектное положение с помощью роботизированного манипулятора осуществлялось под постоянным контролем прецизионной лазерной координатно-измерительной системы Leica Absolute Tracker AT403 .

Единый юстировочно-метрологический комплекс впервые реализован РКК «Энергия» при установке рефлекторов антенн С - и Ku- диапазонов на КА спутниковой связи (рис. 2).

Выбор роботизированного манипулятора для юстировки рефлекторов антенн С- и Ku- диапазонов проводился с учетом допусков на положение рефлекторов в СК КА, заданных в конструкторской документации. Рефлектор должен быть установлен на КА с допускаемым угловым отклонением не более ±0,007° вокруг осей СК КА и допускаемым линейным отклонением не более ±0,5 мм по всем трем осям.

Рис. 2. Схема размещения антенн антенно-фидерных устройств бортового радиокомплекса на КА

Исходя из этих требований, для высокоточного позиционирования рефлекторов разработан высокоточный шестистепенной манипулятор «Гексапод ПМ-мкм-П» — специальная модификация манипуляторов серии «Гексапод ПМ-мкм-3» [7] с параллельной кинематической структурой, заключающаяся в доработке его эффектора для размещения и фиксации крупногабаритных рефлекторов антенн. Технические характеристики манипулятора представлены в таблице. Значение минимального шага линейного и углового перемещений данного манипулятора позволяет гарантированно обеспечить установку в проектное положение закрепленного на нем рефлектора.

технические характеристики манипулятора шестистепенного «гексапод пм-мкм-п»

Характеристика	Ось	Значение
Диапазон линейных перемещений, мм	Х	±50
	Y	±50
	Z	±40
Диапазон угловых перемещений, °	X	±15
	Y	±15
	Z	±20
Минимальный шаг линейного перемещения, мкм	Х	2
	Y	2
	Z	2
Минимальный шаг углового перемещения, °	X	0,003
	Y	0,003
	Z	0,003
Линейная точность двунаправленного повторного позиционирования, мкм	Х	±3
	Y	±3
	Z	±3
Угловая точность двунаправленного повторного позиционирования, °	X	±0,006
	Y	±0,006
	Z	±0,006

При измерении текущего фактического положения установленного на манипуляторе рефлектора антенны погрешность его положения будет определяться погрешностью измерений выбранного средства измерений — системы лазерной координатно-измерительной Leica Absolute Tracker AT403 , обеспечивающей требуемую точность измерений не хуже ±0,1 мм; ±0,003°.

На рис. 3 схематически показано размещение юстировочно-метрологического комплекса на рабочем месте оптических измерений и юстировки рефлекторов антенн С- и Ku- диапазонов на КА.

Рефлектор антенны через переходную раму закреплялся на манипуляторе «Гексапод ПМ-мкм-П», установленном на стойку посредством переходной фермы (рис. 3). Перемещения верхней подвижной площадки стойки обеспечивали первоначальную выставку рефлектора в положение, для которого диапазон подвижек манипулятора является достаточным для последующего получения требуемого отъюстированного положения рефлектора в базовой СК КА.

Перед началом юстировочных работ, в процессе разворачивания юстировочнометрологического комплекса и установки его компонентов в рабочее положение, выполнялся ряд калибровочных измерений с помощью лазерной координатноизмерительной системы Leica Absolute Tracker AT403 для определения набора параметров трансформаций (взаимного положения) следующих СК:

• •    измеренные параметры трансформации ( Т _К ^тр _А ^екер ) от СК лазерной координатно-измерительной системы (трекера) к базовой СК КА;

• •    измеренные параметры трансформации ( Т ^{гексапод} ) от СК манипулятора «Гек- рефлектор нач

сапод ПМ-мкм-П» к СК установленного на нем рефлектора в начальном положении;

• •    измеренные параметры трансформации ( Т ^трекер ) от СК лазерной коор- гексапод

динатно-измерительной системы к СК манипулятора «Гексапод ПМ-мкм-П».

При обмене пространственной информацией между компонентами комплекса в качестве основной рабочей СК принимается СК манипулятора «Гексапод ПМ-мкм-П».

Зная параметры трансформаций ( Т _К ^тр _А ^екер ) и ( Т _г ^т _е ^р _к ^е _с ^к _а ^е _п ^р _од ), можно определить параметры трансформации ( Т гексапод ) и проектное положение рефлектора может быть представлено в СК манипулятора.

Процесс юстировки рефлекторов антенн проводится в следующей последовательности:

• 1.    Измерительная система Leica Absolute Tracker AT403 , используя программное обеспечение (ПО) Spatial Analyzer Ultimate разработки фирмы New River Kinematics [13], определяет фактическое положение установленного на манипуляторе «Гексапод ПМ-мкм-П» рефлектора антенны в базовой СК КА — ( Т реф _лектор ) ф _акт -

• 2.    Оператор манипулятора «Гексапод ПМ-мкм-П» передает в ПО Spatial Analyzer Ultimate из системы управления манипулятором информацию о текущем (фактическом) положении рефлектора в собственной СК манипулятора — ( Т ^{гексапод} ) .

• 3.    Проводятся анализ и обработка измерительной информации, выполняется расчет параметров корректировки положения и ориентации — линейных и угловых отклонений текущего положения рефлектора от его номинального положения в СК манипулятора с помощью ПО S patial Analyzer Ultimate измерительной системы Leica Absolute Tracker AT403 и передается оператору манипулятора.

  

  Рис. 3. Схематическое размещение юстировочно-метрологического комплекса на примере юстировки рефлектора антенны С-диапазона: 1 — стойка; 2 — лазерный трекер Leica Absolute Tracker AT403; 3 — облучающее устройство антенны С-диапазона; 4 — кольцо верхнее; 5 — космический аппарат; 6 — рефлектор антенны С-диапазона; 7 — кольцо нижнее; 8 — рама переходная; 9 — «Гексапод ПМ-мкм-П»; 10 — ферма для крепления гексапода; 11 — подставка-кантователь

  
  

• 4.    Оператор манипулятора «Гексапод ПМ-мкм-П» вводит полученную информацию в систему управления манипулятора для перемещения рефлектора в заданное проектное положение. Манипулятор реализует требуемое перемещение.

рефлектор факт

Вышеобозначенные пункты 1–4 представляют собой одну итерацию цикла позиционирования с обратной связью.

Циклы повторяют до тех пор, пока отклонения от номинального пространственного положения рефлектора не войдут в установленный конструкторской документацией допуск.

Отработка взаимодействия лазерной координатно-измерительной системы Leica Absolute Tracker AT403 и системы позиционирования — манипулятора «Гексапод ПМ-мкм-П» в составе единого юстировочнометрологического комплекса РКК «Энергия» — была проведена вначале при юстировке рефлектора антенны С- диапазона на КА. Затем по отработанной методике был отъюстирован рефлектор антенны Ku- диапазона.

заключение

В РКК «Энергия» создан и успешно прошел испытания прецизионный юстировочно-метрологический комплекс, предназначенный для высокоточной ориентации крупногабаритных антенн антенно-фидерных устройств бортового радиокомплекса на этапе сборки КА. Комплекс обеспечил пространственное положение рефлекторов антенн С- и Ku- диапазонов в базовой СК КА с требуемой в конструкторской документации точностью.

Комплекс создан на базе двух систем: лазерной координатно-измерительной Leica Absolute Tracker AT403 и роботизированного высокоточного шестикоординатного манипулятора «Гексапод ПМ-мкм-П» отечественного производства.

Интеграция этих систем и разработанный алгоритм их взаимодействия позволили оперативно получать и использовать измерительную информацию о фактическом угловом и линейном положении рефлекторов антенн в базовой СК КА для автоматизированной корректировки и получения требуемых значений этих параметров.

Cозданный юстировочно-метрологический комплекс явился эффективной альтернативой ручной регулировке в трехмерной СК, позволил отказаться от изготовления дорогостоящей технологической оснастки и втрое сократить трудоемкость и временные затраты на установку антенн на КА.