一種高精度板式結(jié)構(gòu)的裝配工藝研究

于 寅 李 明

（上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，上海 200093）

航天器的承力結(jié)構(gòu)由鋁蒙皮蜂窩板與碳纖維框架裝配而成，該結(jié)構(gòu)裝配完成后還需裝配其他系統(tǒng)產(chǎn)品，尤其是一些姿態(tài)控制產(chǎn)品，所以對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求很高。作為承力結(jié)構(gòu)必須能夠承受航天器在發(fā)射及飛行過程中的嚴苛動力學(xué)環(huán)境，在劇烈振動過程中結(jié)構(gòu)依然保持穩(wěn)定，方能保證航天器正常入軌及工作[1]。因此，在結(jié)構(gòu)裝配時，必須將裝配所產(chǎn)生的應(yīng)力降至最低，同時必須合理選擇裝配基準面，滿足結(jié)構(gòu)板上產(chǎn)品安裝面的幾何精度測量，減少航天器因動力學(xué)環(huán)境導(dǎo)致的故障[2]。

1 主結(jié)構(gòu)布局特點

此航天器的高精度主結(jié)構(gòu)為板式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主承力結(jié)構(gòu)由底板、隔板、頂板、碳纖維框架組成。它們組成了一條傳力路徑，用于傳遞各類沖擊、震動。如圖2所示，外側(cè)四塊側(cè)板與底板、頂板和隔板連接形成航天器的次承力結(jié)構(gòu)，提高該結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度。

圖1 主結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 外側(cè)板示意圖

2 主結(jié)構(gòu)關(guān)鍵精度要求

該主結(jié)構(gòu)的±Y隔板板面及±X碳纖維框架表面與主基準及側(cè)向基準的垂直度及平行度要求都優(yōu)于0.15mm。±Y隔板及±X碳框頂部共20個分散的小凸臺面組合成一個整體安裝面，該安裝面的平面度要求優(yōu)于0.08mm，且與主基準面的平行度要求優(yōu)于0.15mm。

3 裝配基準的選擇和建立

針對不同類型部件的裝配測量要求，需要建立機械裝配基準及光學(xué)裝配基準。

3.1 機械基準的選擇和建立

設(shè)計出如圖3所示精測工裝，裝配時，其頂面與航天器底板裝配一起，將航天器設(shè)計基準轉(zhuǎn)移至精測工裝上。選擇工裝的底面M作為測量的主基準面，側(cè)邊加工面為側(cè)向基準面。通過機械加工的方法保證精測工裝其頂面也即航天器底板裝配面與主基準M面的平行度小于0.05mm，側(cè)向基準面與主基準M的垂直度小于0.05mm。

此機械裝配基準面的選擇是基于傳統(tǒng)的裝配經(jīng)驗，存在以下缺點：側(cè)向基準的機加精度不夠高，且在多次測量側(cè)向基準時，側(cè)面取點位置不同會造成側(cè)向基準精度不同，重復(fù)性較差；相比測量的部件表面，側(cè)向基準面較小，用來評價部件較大面的幾何精度，效果非常差。

圖3 精測工裝基準示意圖

在實際測量中，則使用3D測量軟件Ployworks中建立如圖3所示的虛擬面N來作為側(cè)向基準面，精測的基準坐標系建立如下，在測量軟件中，將精測環(huán)兩側(cè)向基準孔的連線在精測環(huán)主基準面上的投影線作為Y軸，投影線的中點作為坐標系原點，過原點且在主基準面內(nèi)與Y軸垂直的軸為X軸，Z軸通過右手法則確定，確定的坐標系為主結(jié)構(gòu)基準坐標系，XOZ面為主結(jié)構(gòu)側(cè)向基準面N。

新的側(cè)向基準N，借助兩個基準孔來建立，對于機加的精度要求沒有平面高，而且重復(fù)性非常好；在軟件中形成的側(cè)向基準面可以無限大，能有效評價被測面的幾何精度。在對比兩種建立側(cè)向基準的方法后，選擇用借助基準孔在3D測量軟件Ployworks中形成的虛擬面作為側(cè)向基準N。

3.2 光學(xué)基準的選擇和建立

航天器±Y隔板上需裝配光學(xué)單機，單機上有光學(xué)測量立方棱鏡，其安裝精度要求與整個結(jié)構(gòu)的軸線偏差均在2′以內(nèi)。為滿足測量需求，需將光學(xué)棱鏡粘貼至與虛擬側(cè)向基準N平行的側(cè)邊加工面上，同時，需建立光學(xué)基準，使光學(xué)基準坐標系應(yīng)與機械基準坐標系相一致，三軸夾角偏差小于15″[3]。

如圖4所示，將精測環(huán)置于000級大理石平臺上，保證立方鏡的一個面和大理石平臺貼合的基礎(chǔ)上，使另一個面與側(cè)向加工面接觸，與側(cè)向加工面平行的方向上，放置另一個立方鏡，利用兩臺經(jīng)緯儀測量兩個立方鏡之間的角度偏差。在兩個角度偏差小于15″時，可使用502膠水，將立方鏡與側(cè)向加工面進行粘貼。測量并記錄側(cè)向加工面與側(cè)向基準N所形成的角度，在后續(xù)測量中，將這個偏差加入到測量結(jié)果中，經(jīng)過補償?shù)闹导礊樽罱K的光學(xué)測量值。

圖4 光學(xué)基準棱鏡示意圖

4 主體結(jié)構(gòu)裝配工藝

4.1 安裝底板

將底板抬到精測環(huán)的上方，用銷釘定位安裝底板到精測環(huán)上，保證底板重復(fù)安裝的定位統(tǒng)一性。然后安裝平臺艙底板與精測環(huán)的緊固螺栓，測量底板上結(jié)構(gòu)板安裝面與主基準M的平行度，平行度需優(yōu)于0.05mm。

4.2 安裝隔板及碳纖維框架

由于±Y隔板及±X碳框頂部共20個分散的小凸臺面組合成一個整體安裝面，其自身有平面度要求，且與主基準M有平行度要求，裝配時先保證凸臺面的整體平面度，然后調(diào)整其與基準面的平行度。

先將+Y隔板凸臺面朝下，放在大理石平臺上，再將2個碳框凸臺面朝下安裝到+Y隔板上，手緊安裝螺釘，然后將-Y隔板凸臺面朝下，放在大理石平臺上并貼近2個碳框的安裝面，并手緊安裝螺釘。最后，將組裝好的隔板與框架放置于底板上，借助塞尺及墊片來調(diào)整框架與底板安裝面的間隙，小于0.02mm時，可以上緊螺釘力矩。

4.3 頂板安裝

頂板對于整個主結(jié)構(gòu)起輔助作用，與±Y隔板通過12個M5的螺釘相連，如圖5所示，將頂板放置隔板上的安裝位置，然后上緊力矩，安裝好頂板后，再安裝頂板隔板間的加強角片，力矩鎖緊角片緊固螺栓即可。

圖5 頂板安裝示意圖

4.4 側(cè)板預(yù)裝

每塊側(cè)板與結(jié)構(gòu)板裝配時，其安裝孔會出現(xiàn)偏差，所以，需要對四側(cè)板進行預(yù)裝，并修整偏差孔位，并調(diào)整安裝面間的間隙，以保證側(cè)板順利裝配。

首先，將側(cè)板放置于相應(yīng)安裝位置，安裝4個緊固螺釘，無須擰緊，使側(cè)板完全貼緊安裝面，并使用塞尺測量安裝面之間的間隙，進行位置和數(shù)值記錄；然后取下側(cè)板，按照記錄的數(shù)據(jù)對間隙大于0.1mm的安裝面進行修整，使用502膠水將相應(yīng)厚度的黃銅片粘貼至安裝面上，并在表面粘貼鋁基膠帶，防止黃銅片掉落，如表1所示為隔板加墊墊片的位置及厚度；再次，安裝側(cè)板，在安裝全部緊固螺釘時如發(fā)現(xiàn)不能順利旋緊，對螺釘孔位置及偏離方向進行標記；最后，拆卸側(cè)板，對偏離的孔位修整，滿足要求后配鉆銷釘孔[4]。

表1 加墊墊片規(guī)格及位置

5 結(jié)構(gòu)精度測量

按設(shè)計要求上緊螺釘力矩后，采用距離測量精度為0.018mm的Leica AT901激光跟蹤儀對結(jié)構(gòu)體幾何精度進行測量，測量值如表2所示。

±Y隔板面及±X碳纖維框架面相對主基準的平行度及垂直度其設(shè)計值小于1.5mm，實測結(jié)果遠遠優(yōu)于設(shè)計值要求值，20個小凸臺面組成的安裝面其平面度為0.073mm，小于設(shè)計要求值0.08mm，相對主機準M的平行度0.095mm，優(yōu)于設(shè)計值0.15mm。

表2 主結(jié)構(gòu)精度測量數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

通過設(shè)計出裝配及測量用精測工裝，借助測量軟件建立起測量基準面及基準坐標系，按裝配方案裝配后的主結(jié)構(gòu)，實測結(jié)構(gòu)面的精度值遠優(yōu)于設(shè)計值，有效解決了高精度板式結(jié)構(gòu)的裝配及精度測量需求。