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火箭巨轮“搭乐高”精准至毫米!上海交大十年磨剑“快装”重器|上海科技奖

针对船舶、火箭大型部件总装依赖人工、效率低下的难题,上海交通大学团队联合多家单位,历经十余年攻关,研发出国际领先的大型部件一体化高效对接装配技术与装备,实现百米级尺寸、万吨级载荷的毫米级精度装配,将装配时间从一周缩短至半天。

无论是50多米长的大型运载火箭,还是重达近万吨的高新船舶,如今在我国都是以模块化“分体建造”,再以“拼乐高”的方式完成总装。这种方式虽然大幅提升了生产效率,但在最终的拼装环节,却长期依赖人工经验,耗时漫长,还容易出错,直接制约了船舶交付与航天发射的进度。

船舶巨型总段智能对接装备模型(本报记者 袁婧/摄)

面对这一长期困扰行业的难题,上海交通大学机械与动力工程学院王皓教授团队联合江南造船、上海航天等七家单位,历经十余年协同攻关,研发出国际领先的大型部件一体化高效对接装配技术与成套装备,实现了“百米级尺寸、万吨级载荷”的毫米级精度装配,推动我国船舶、航天总装方式实现跨越式升级。在今天(7月2日)揭晓的2025年度上海市科学技术奖中,该项目荣获技术发明奖特等奖。

智能“看、算、调”,装配从一周缩短至半天

近年来,中国造船业承接的订单量已占全球近七成,新型船舶、高附加值船舶亟待批量交付;航天领域也迈入高密度发射周期,年发射需求接近百发。“船坞里工期排得满满当当,发射场更是任务紧凑。”王皓说,这对大型部件总装效率提出了前所未有的新要求。

王皓解释船舶巨型总段智能对接装备运行方式(本报记者 袁婧/摄)

以造船为例,王皓形容传统的塔式造船好比在船坞里一砖一瓦“盖房子”,而如今的模块化建造,则是把一个个“房间”分别建好,再运到船坞拼成整栋建筑,船舶生产效率由此得到显著提升。

然而,随着船舶、火箭越造越大,这些待拼装的“房间”尺寸往往长达百米、重逾万吨,而拼接精度却仍要控制在毫米级——相当于把整栋上海大剧院吊起来,再精准放回原位,误差不能超过一枚硬币的厚度。过去,这项工作完全依赖经验丰富的老师傅一点点试、一遍遍调,不仅效率低下,精度也难以保证。王皓团队创新研发的一体化智能对接系统能自主完成“看、算、调”,实现测量、计算、调姿一体化。

火箭总装自动化对接系统

依托这套系统,上海航天技术研究院的火箭总装流程已实现全智能化:装配数据几十毫秒内就能运算完毕并发出指令,10分钟就能完成舱段间的精准装配,对接精度达0.2毫米。在船舶制造领域,过去耗时一周才能完成的装配工作,如今仅需半天。

破题“百人抬轿”,万吨级部件锁定“指甲盖”

大型船舶总段、火箭舱段的对接装配,均采用大量定位装备协同作业的群组调姿模式,在学术领域被称为“并联构型”。“就像100个人一起抬轿子。”王皓说,只要其中一人用力多了或少了一点,就会影响整顶轿子的平衡——在大型部件装配中,任何一个支撑点产生微小误差,都可能被层层放大,甚至最终导致整体装配失败。

围绕这一难题,团队首先在“定得准”上下功夫,建立了大型并联装备高精度标定方法,精准识别影响定位精度的关键误差参数,通过算法消除冗余误差,大幅提升装备定位精度。

接下来就要“对得巧”。船舶总段的对接端面面积可达两个篮球场大小,而真正决定连接质量的关键结构却只有指甲盖大小。面对这种“巨人穿针”式的挑战,团队研发出智能识别技术,能够快速锁定关键对接特征,自动判断最佳装配位置。

团队研发智能识别技术,快速锁定船舶总段的对接端面上指甲盖大小的关键结构。

除此之外,大型部件在装配过程中还会因自重发生形变。对此,团队进一步研发实时姿态调控技术,能够边装配边修正姿态误差,让万吨级部件始终保持最佳装配状态。

最终,团队形成了集“高精度标定、多特征匹配、自动化调姿”于一体的大型部件高效对接装配技术体系,并成功研制成套装备,有力推动我国船舶、航天领域大型部件建造模式迭代升级。

从一篇论文入手,16年校企协同赋能产业升级

回溯这项技术的发展历程,它的起点并非船坞,也不是发射场,而是一篇博士论文。

2010年,团队成员陈根良在上海交通大学攻读博士学位期间,将研究方向瞄准了并联机构精度标定——这是当时全球机器人机构学界共同面临的难题。随着研究不断深入,陈根良和团队逐渐意识到,这一瓶颈在大型装备制造场景中尤为突出。于是,从工程需求出发,他们持续开展基础研究,逐步建立起较为独立、完备的精度标定理论体系。相关成果不仅发表于机器人领域顶级期刊,还逐渐赋能工程应用。

从一篇论文,到实验室模型,再到服务国家重大工程,这项技术不断跨越应用边界。2015年前后,王皓团队与航天领域相关单位展开合作,将技术应用于运载火箭装配,并服务于新一代运载火箭等多型火箭舱段的总装。

船舶巨型总段自动对接系统

在航天领域取得突破后,该团队又把目光投向尺寸更大、工况更加复杂的船舶制造领域。依托与江南造船等企业的持续合作,团队围绕真实工程需求不断迭代算法、优化装备,建立起“企业出题、科研解题、产业验题”的协同创新机制,推动技术逐步应用于多型高附加值船舶制造。

如今,陈根良已成长为上海交通大学机械与动力工程学院教授,团队也从最初几名科研人员发展为数十人的科研队伍。今年6月,上海长兴海洋实验室正式启用,将进一步打通“基础研究—应用研究—产业转化”全链条,为科研成果的工程验证和产业落地提供支撑。

王皓表示,未来团队还将推动相关技术向商业火箭高效装配、火箭回收与落地捕捉等新兴领域延伸,持续深化校企协同创新,继续为我国重大工程建设和未来产业发展提供坚实技术支撑。

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