全向可調(diào)衛(wèi)星側(cè)板安裝設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳 琦，車(chē)臘梅，馬海龍，任維松，李 民，姜 林

（1. 上海衛(wèi)星裝備研究所； 2. 上海裕達(dá)實(shí)業(yè)有限公司：上海 200240）

0 引言

現(xiàn)階段衛(wèi)星多為板框式結(jié)構(gòu)，大量的單機(jī)和電池都安裝在側(cè)板上。在衛(wèi)星總裝的早期階段，側(cè)板上的單機(jī)產(chǎn)品較少，通過(guò)手工裝拆或者行車(chē)輔助等就可以完成工作任務(wù)。隨著衛(wèi)星集成化程度的提高，側(cè)板的尺寸和質(zhì)量均大幅增加，如某型號(hào)電池板尺寸達(dá)2800 mm×1800 mm，質(zhì)量達(dá)200 kg，手工已經(jīng)不可能實(shí)現(xiàn)裝拆?，F(xiàn)階段在整個(gè)AIT過(guò)程中，側(cè)板需要進(jìn)行多次的安裝和拆卸，而在對(duì)衛(wèi)星的供電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性測(cè)試、老煉試驗(yàn)時(shí)，側(cè)板需要打開(kāi)一定的角度或者位移，從而為電池的有效散熱提供環(huán)境可靠性保障[1]。因此，側(cè)板的操作涉及平移、升降、翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、偏擺等運(yùn)動(dòng)，其安裝設(shè)備需要具備六自由度全方向調(diào)節(jié)的能力。

常用的衛(wèi)星側(cè)板安裝設(shè)備的升降機(jī)構(gòu)有絲杠升降式、剪叉式、定滑輪繩索抬升式等典型結(jié)構(gòu)形式，其中絲杠升降式結(jié)構(gòu)為了克服質(zhì)心的變化常常需使用導(dǎo)向器或者多根絲杠升降機(jī)進(jìn)行抬升以減弱彎矩的影響，使結(jié)構(gòu)變得較為復(fù)雜，且設(shè)備的抬升高度較??；剪叉式結(jié)構(gòu)在較高的升限要求時(shí)需要使用多段剪叉，其側(cè)向的穩(wěn)定性不夠理想，側(cè)板會(huì)晃動(dòng)，且不適合承受偏心負(fù)載；定滑輪繩索抬升式結(jié)構(gòu)的豎直抬升立柱使側(cè)板的尺寸受到限制，且設(shè)備的高度會(huì)高于側(cè)板的升高高度，運(yùn)輸不便[2-3]?？梢?jiàn)，這幾種結(jié)構(gòu)形式都存在著一定的局限性。機(jī)械臂具有六自由度的調(diào)節(jié)功能，靈活性高，但側(cè)板安裝設(shè)備投產(chǎn)數(shù)量多，閑置率很高，還需要到處移動(dòng)，適用于生產(chǎn)線的機(jī)械臂并不非常適合于衛(wèi)星裝配的實(shí)際生產(chǎn)情況[4]。因此，需要研制一款結(jié)構(gòu)緊湊、造價(jià)低廉，類(lèi)似于機(jī)械臂的全向可調(diào)側(cè)板安裝設(shè)備，且應(yīng)具備以下功能：1）使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)獲得大行程運(yùn)動(dòng)；2）實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星接觸時(shí)的手動(dòng)微調(diào)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

全向可調(diào)衛(wèi)星側(cè)板安裝設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為底座、升降（包含x、y、z方向的移動(dòng)）和姿態(tài)調(diào)節(jié)（包含繞x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)）等部分。其相比于常用安裝設(shè)備（圖2），最突出的特點(diǎn)是將3個(gè)移動(dòng)自由度集中在1個(gè)機(jī)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)，且該機(jī)構(gòu)設(shè)置在底座上，用于進(jìn)行集中式的行程調(diào)節(jié)；將3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度集中在升降擺臂的頭部，可以像機(jī)械臂一樣進(jìn)行末端定位角度的調(diào)節(jié)。該設(shè)備直線運(yùn)動(dòng)的行程可通過(guò)導(dǎo)軌絲杠長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)x向0～400 mm、y向±150 mm、z向 0～1600 mm 范圍內(nèi)的行程調(diào)節(jié)；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方面可實(shí)現(xiàn)繞y軸0～90°的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)，繞x軸和z軸±5°的偏擺調(diào)節(jié)，能夠滿足現(xiàn)階段所有衛(wèi)星側(cè)板安裝過(guò)程中的行程和調(diào)姿要求。

圖1 全向可調(diào)衛(wèi)星側(cè)板安裝設(shè)備結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Structure of omnidirectional adjustable satellite side panel installation equipment

圖2 常用衛(wèi)星側(cè)板安裝設(shè)備Fig. 2 Sketch of common side panel installation equipment

為更好地適應(yīng)總裝總測(cè)廠房環(huán)境，節(jié)省投資和占地空間，設(shè)備設(shè)計(jì)分為重型和輕型2種型號(hào)，重型可承載350 kg，升降行程1.6 m，用于安裝大尺寸、大質(zhì)量的衛(wèi)星側(cè)板；輕型可承載200 kg，升降行程1.3 m，用于安裝一般尺寸和質(zhì)量的衛(wèi)星側(cè)板，實(shí)現(xiàn)了高低搭配、物盡其用。

1.2 雙段式升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了用緊湊的結(jié)構(gòu)獲得大幅度的升降行程，該設(shè)備在設(shè)計(jì)上使用了雙段式的升降機(jī)構(gòu)，第1級(jí)為平行四邊形搖臂式升降機(jī)構(gòu)，第2級(jí)為絲杠升降機(jī)抬升式升降機(jī)構(gòu)。

第1級(jí)升降設(shè)計(jì)的原理如圖3所示，電動(dòng)推桿作為平行四邊形機(jī)構(gòu)的斜邊，通過(guò)伸縮可以控制平行四邊形機(jī)構(gòu)活動(dòng)端相對(duì)于固定端的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)調(diào)節(jié)活動(dòng)端的高度[5]。

圖3 初級(jí)升降機(jī)構(gòu)原理示意Fig. 3 Principle of primary lifting mechanism

第2級(jí)升降機(jī)構(gòu)（原理如圖4所示）分為外框和內(nèi)框，內(nèi)、外框之間的導(dǎo)向使用直線導(dǎo)軌組合，兩邊對(duì)稱(chēng)布置，每邊2組，每組為2對(duì)導(dǎo)軌滑塊。其中一對(duì)安裝在內(nèi)框上，另一對(duì)安裝在外框上。內(nèi)、外框之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使用絲杠升降機(jī)驅(qū)動(dòng)，升降機(jī)提供動(dòng)力，直線導(dǎo)軌提供導(dǎo)向。內(nèi)框的下緣和外框的上緣均安裝有滑塊，使機(jī)構(gòu)在最低位置具有最大的抗彎矩能力，內(nèi)、外框之間的靠肩結(jié)構(gòu)可在最高位置幫助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)承受部分彎矩。

圖4 次級(jí)升降機(jī)構(gòu)原理圖Fig. 4 Principle of secondary lifting mechanism

1.3 末端姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

末端姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括繞y軸的90°翻轉(zhuǎn)和繞x軸和z軸的小角度偏轉(zhuǎn)。其中繞y軸的90°翻轉(zhuǎn)不僅用于側(cè)板的翻豎直，亦用于側(cè)板位置的微調(diào)。如圖5所示，該機(jī)構(gòu)為邊長(zhǎng)可變的三角形結(jié)構(gòu)，其3條邊中的1條為固定邊，1條為旋轉(zhuǎn)邊，1條為驅(qū)動(dòng)邊。其中驅(qū)動(dòng)邊為兩端鉸接的絲杠升降機(jī)，其邊長(zhǎng)可伸縮變化；固定邊為平行四邊形升降機(jī)構(gòu)的一部分，是升降機(jī)構(gòu)的最終活動(dòng)端；旋轉(zhuǎn)邊所在的結(jié)構(gòu)上安裝著側(cè)板，用于帶動(dòng)側(cè)板進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。

在實(shí)際工作中，側(cè)板與衛(wèi)星安裝面之間存在角度偏差和左右方向的楔形間隙，而繞x軸和z軸的小角度偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于消除上述間隙，其結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。繞z軸偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為2個(gè)C字形的零件，上下緣通過(guò)銷(xiāo)軸串接使2個(gè)零件能夠相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。繞x軸偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在外側(cè)的C形零件上，其中的側(cè)板安裝框轉(zhuǎn)接板嵌入C形零件的豎直壁部分，并通過(guò)一套螺桿機(jī)構(gòu)使其與C形零件發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)側(cè)板的轉(zhuǎn)動(dòng)。由此結(jié)構(gòu)提供不大于±5°的偏擺即可滿足側(cè)板安裝位置的微調(diào)要求。

圖6 側(cè)板姿態(tài)調(diào)節(jié)原理圖Fig. 6 Principle of attitude adjusting mechanism

2 使用方式與性能分析

2.1 使用方式

該設(shè)備的使用方式見(jiàn)圖7：在狀態(tài)①下將衛(wèi)星側(cè)板安裝在姿態(tài)調(diào)節(jié)器的對(duì)接接口上，使用螺釘進(jìn)行鎖緊并測(cè)量側(cè)板與設(shè)備之間的絕緣電阻，在滿足要求后通過(guò)搖y軸翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)手輪將側(cè)板進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，從水平狀態(tài)翻至垂直狀態(tài)，即進(jìn)入狀態(tài)③；啟動(dòng)設(shè)備的擺桿電機(jī)完成z向的初段升降，得到狀態(tài)④，再使用設(shè)備的升降電機(jī)完成z向的后段升降，在該過(guò)程中，激光照準(zhǔn)器用于較遠(yuǎn)距離的對(duì)位，以檢測(cè)側(cè)板與衛(wèi)星孔位的對(duì)正性。當(dāng)側(cè)板貼近安裝位置后，如果（難免）存在一定的偏移、偏轉(zhuǎn)或間隙，可以通過(guò)調(diào)整姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度來(lái)獲得一個(gè)合適的側(cè)板姿態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，在將側(cè)板裝上衛(wèi)星之前，需要進(jìn)行多次試裝，重復(fù)進(jìn)行側(cè)板與安裝位置之間靠近與遠(yuǎn)離的移動(dòng)操作，該功能通過(guò)集成在底座上的x向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖7 側(cè)板安裝設(shè)備使用流程Fig. 7 Operation process of side panel installation equipment

2.2 性能分析

1）通用性

目前衛(wèi)星均已實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化，同一平臺(tái)的衛(wèi)星具有相類(lèi)似的結(jié)構(gòu)和尺寸，故對(duì)安裝其側(cè)板所需的設(shè)備都提出了通用性的要求。設(shè)備的通用性主要體現(xiàn)在以下幾方面：

① 滿足尺寸搭配與承載能力要求。側(cè)板尺寸和質(zhì)量在大多數(shù)情況下與衛(wèi)星平臺(tái)類(lèi)別有關(guān)，如某平臺(tái)型號(hào)衛(wèi)星的北上側(cè)板尺寸達(dá)2800 mm×1800 mm，質(zhì)量達(dá)200 kg；而有些平臺(tái)型號(hào)衛(wèi)星側(cè)板尺寸為1200 mm×800 mm，質(zhì)量約100 kg；還有些平臺(tái)型號(hào)衛(wèi)星的側(cè)板尺寸為 900 mm×500 mm，質(zhì)量在30～50 kg之間，有時(shí)不需要工裝也能進(jìn)行安裝。

② 具有通用性安裝功能。每一塊側(cè)板均有其獨(dú)特的安裝接口和安裝高度，且質(zhì)心和幾何中心有時(shí)并不在同一位置，甚至兩者之間偏離較遠(yuǎn)；另一方面，設(shè)備的升降行程一般都小于1.5 m，在安裝高位側(cè)板時(shí)需要使用輔助升降平臺(tái)。故常用設(shè)備一般只服務(wù)于某一平臺(tái)或者某一型號(hào)。

③ 安裝過(guò)程中側(cè)板不能與其他結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉。由于設(shè)計(jì)上的局限性，在安裝某些長(zhǎng)窄型側(cè)板時(shí)，升降機(jī)構(gòu)與側(cè)板在空間上不能進(jìn)行有效的隔離，可能會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)干涉。

本設(shè)備由于使用了搖臂式升降機(jī)構(gòu)，側(cè)板安裝在搖臂的遠(yuǎn)端，使得側(cè)板在其轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)不會(huì)與設(shè)備自身的其他結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉，從而能夠安裝各種長(zhǎng)寬比的衛(wèi)星側(cè)板，與常用設(shè)備對(duì)比如圖8所示。雙段式升降機(jī)構(gòu)使其升降行程超過(guò)1.5 m，側(cè)板的安裝高度超過(guò)2.2 m，滿足了現(xiàn)有平臺(tái)衛(wèi)星所有側(cè)板的安裝需求，并且向下兼容。此外，還引入了側(cè)板安裝框和轉(zhuǎn)接板，其中轉(zhuǎn)接板固定在設(shè)備上，具有標(biāo)準(zhǔn)接口，側(cè)板安裝框介于側(cè)板和轉(zhuǎn)接板之間充當(dāng)媒介，如此，通過(guò)配置不同的側(cè)板安裝框，便可將不同的側(cè)板安裝在同一臺(tái)設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)其更好的通用性。全向可調(diào)側(cè)板安裝設(shè)備實(shí)物見(jiàn)圖9。

圖8 常用設(shè)備與新型設(shè)備性能對(duì)比Fig. 8 Comparison between traditional equipments and the new equipment

圖9 全向可調(diào)側(cè)板安裝設(shè)備實(shí)物圖Fig. 9 Photo of the omnidirectional adjustable satellite side panel installation equipment

2）便利性

早期的衛(wèi)星尺寸較小，可以通過(guò)人工手搖驅(qū)動(dòng)側(cè)板安裝設(shè)備進(jìn)行側(cè)板的升降作業(yè)。隨著大型衛(wèi)星的出現(xiàn)，大尺寸、大質(zhì)量、高安裝高度的側(cè)板安裝已經(jīng)無(wú)法再使用人力驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行抬升，而行車(chē)輔助的抬升方式又因?yàn)闊o(wú)法有效控制側(cè)板在空中的姿態(tài)而無(wú)法普遍應(yīng)用。而且，側(cè)板在安裝前需要通過(guò)操作側(cè)板安裝設(shè)備上相應(yīng)的機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)節(jié)以及側(cè)板與安裝框架之間的對(duì)準(zhǔn)，常用側(cè)板安裝設(shè)備的側(cè)板姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一般分散設(shè)計(jì)在設(shè)備的不同部位，存在動(dòng)線較長(zhǎng)、操作不便的問(wèn)題。全向可調(diào)側(cè)板安裝設(shè)備使用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的升降機(jī)構(gòu)，通過(guò)合適的電控設(shè)計(jì)，將整個(gè)升降時(shí)間控制在1～2 min之間，且啟/停平穩(wěn)，不會(huì)對(duì)側(cè)板造成較大的振動(dòng)或沖擊；該設(shè)備姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)置在設(shè)備末端與側(cè)板連接處，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度調(diào)節(jié)功能集成在1個(gè)機(jī)構(gòu)內(nèi)，在操作上更節(jié)省時(shí)間。由于調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與側(cè)板距離很近，機(jī)構(gòu)上需要輸入的調(diào)節(jié)行程與側(cè)板的移動(dòng)行程大致為1 ∶ 1的轉(zhuǎn)換關(guān)系，提高了調(diào)節(jié)效率；側(cè)板的質(zhì)心設(shè)置在旋轉(zhuǎn)鉸鏈點(diǎn)附近，驅(qū)動(dòng)力矩小，使得側(cè)板的旋轉(zhuǎn)更為省力。

3）可擴(kuò)展性

在整星電測(cè)試過(guò)程中，需要對(duì)側(cè)板進(jìn)行開(kāi)艙散熱和線路檢查，故在整星電測(cè)試前要將側(cè)板與安裝框架進(jìn)行分離，保持一定的距離或者角度。對(duì)于水平開(kāi)艙操作，使用該設(shè)備的x向400 mm移動(dòng)行程的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，一次就能夠完成操作活動(dòng)，而不需要再次移動(dòng)設(shè)備。這使得之后的合艙操作也可以將側(cè)板再次裝回原先的位置，而不再對(duì)其姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，節(jié)省了操作時(shí)間。對(duì)于翻轉(zhuǎn)開(kāi)艙操作，需要配合使用x向移動(dòng)機(jī)構(gòu)和繞y軸翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，而翻轉(zhuǎn)軸線與側(cè)板中心的相對(duì)位置則通過(guò)定制的側(cè)板安裝框來(lái)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到預(yù)定的翻轉(zhuǎn)后的狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)

該新型側(cè)板安裝設(shè)備已完成制造并投入衛(wèi)星的總裝工作，應(yīng)用中獲得以下幾方面的成效：

1）比較傳統(tǒng)側(cè)板安裝設(shè)備，該設(shè)備解決了大質(zhì)量、高升限衛(wèi)星側(cè)板難以安裝和測(cè)試的困難。

2）解決了側(cè)板抬升過(guò)程中人力驅(qū)動(dòng)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的問(wèn)題，抬升時(shí)間從之前的7～10 min縮短至2 min以?xún)?nèi)，提高了勞動(dòng)效率。

3）使得側(cè)板姿態(tài)調(diào)節(jié)更加便利，大幅縮短了側(cè)板安裝和整星測(cè)試的操作時(shí)間，整體勞動(dòng)生產(chǎn)率提高了近1倍。

4）提高了總裝工藝裝備的科技含量，為整個(gè)AIT過(guò)程提供了環(huán)境可靠性保障。