激光通信粗指向機(jī)構(gòu)軸系精度測量方法

葉 壯 張述卿 劉雪鵬 李 臣 李 光 李興光

激光通信粗指向機(jī)構(gòu)軸系精度測量方法

葉 壯 張述卿 劉雪鵬 李 臣 李 光 李興光

（北京控制工程研究所，北京 100190）

基于某型號CPA機(jī)構(gòu)的研制過程，介紹了角秒級軸系傾角回轉(zhuǎn)誤差和垂直度測量的工藝難點(diǎn)。結(jié)合測試實(shí)例介紹了此CPA機(jī)構(gòu)軸系精度測量的測量原理、配置方法以及數(shù)據(jù)處理過程。該工藝方法的實(shí)施為機(jī)構(gòu)順利研制奠定了基礎(chǔ)，并對同類高精度空間跟蹤指向機(jī)構(gòu)軸系精測有借鑒和推廣意義。

激光通信粗指向機(jī)構(gòu)；軸系組件；垂直度；傾角回轉(zhuǎn)誤差

1 引言

在無線通信領(lǐng)域，激光通信具有頻帶寬、速率高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，是下一代空間通訊技術(shù)重要的發(fā)展方向。自上世紀(jì)80年代，歐美等具有宇航能力的發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)開始空間激光通信系統(tǒng)的研制。2001年11月，歐空局SILEX系統(tǒng)成功進(jìn)行了首次星間激光通信試驗(yàn)[1]。此后，美日等國也相繼研制了各自的空間激光通信終端，并成功開展了星地或星間的激光通信試驗(yàn)。目前在國內(nèi)，以航天院所、中科院和高校為主要力量的多家單位在理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)和終端系統(tǒng)等不同領(lǐng)域、不同階段開展研究，并取得了一定成果。

空間激光通信終端通常由光學(xué)分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)、跟蹤捕獲分系統(tǒng)和總控分系統(tǒng)組成。其中捕獲跟蹤分系統(tǒng)（簡稱APT）包括粗、精兩級指向機(jī)構(gòu)，功能是驅(qū)動光學(xué)負(fù)載實(shí)現(xiàn)捕獲、對準(zhǔn)和跟蹤，是激光通信鏈路建立的前提。激光通信粗指向機(jī)構(gòu)（簡稱CPA）作為捕獲跟蹤分系統(tǒng)的主要組成部分，負(fù)責(zé)光學(xué)負(fù)載的大范圍二維轉(zhuǎn)動，保證光學(xué)信號進(jìn)入并穩(wěn)定在后部精跟蹤端視場內(nèi)。雖然名為粗指向機(jī)構(gòu)，但相較于射頻通信系統(tǒng)采用的天線驅(qū)動機(jī)構(gòu)，其指向精度要求更高，軸系精度測量難度更大。

行業(yè)內(nèi)軸系精度標(biāo)定方法主要參考GJB 1801，在機(jī)床、儀器等行業(yè)廣泛應(yīng)用[2～8]。本文所述的CPA機(jī)構(gòu)是為某衛(wèi)星通信終端研制的重點(diǎn)單機(jī)。其角秒級軸系精度達(dá)到了目前國內(nèi)空間跟蹤指向類機(jī)構(gòu)的領(lǐng)先水平。基于該型號CPA機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了一種角秒級軸系精度的標(biāo)定方法。

2 CPA機(jī)構(gòu)簡介

如圖1所示，該CPA機(jī)構(gòu)采用經(jīng)緯儀式結(jié)構(gòu)，由垂直布局的方位軸系和水平布局的俯仰軸系組成，兩軸系通過U形框架連接，光學(xué)負(fù)載安裝在U形框架內(nèi)由兩軸系共同驅(qū)動實(shí)現(xiàn)二維轉(zhuǎn)動。

圖1 某型號CPA機(jī)構(gòu)外觀圖

為實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)高指向精度，該CPA機(jī)構(gòu)在軸系裝配階段需精確測量以下兩項(xiàng)精度指標(biāo)。

a. 軸系傾角回轉(zhuǎn)誤差；

b. 軸系回轉(zhuǎn)軸線平均線與安裝基準(zhǔn)面垂直度誤差。

其中，傾角回轉(zhuǎn)誤差表征軸系在轉(zhuǎn)動過程中回轉(zhuǎn)軸線的穩(wěn)定程度，而回轉(zhuǎn)軸線與安裝基準(zhǔn)的垂直度則表征機(jī)構(gòu)軸系安裝的角位置關(guān)系。上述兩項(xiàng)軸系精度是CPA機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度指向的前提。

3 工藝難點(diǎn)分析

為滿足轉(zhuǎn)動功能需求，以軸承為核心的軸系機(jī)械結(jié)構(gòu)不可避免地存在由零件形位誤差、裝配位置誤差、結(jié)構(gòu)間隙、低剛度零組件微變形等因素累積而成的結(jié)構(gòu)誤差，這些結(jié)構(gòu)誤差共同作用對軸系精度產(chǎn)生影響。對于角秒級精度的軸系組件，常規(guī)方法中的很多可忽略的微小誤差因素都需要予以關(guān)注，進(jìn)而增加了精度測量的工藝難度。其主要難點(diǎn)體現(xiàn)在方法設(shè)計(jì)、基準(zhǔn)法線和回轉(zhuǎn)軸線標(biāo)定以及數(shù)據(jù)分析處理三個方面。

在工藝方法設(shè)計(jì)層面，需要考慮測量儀器的精度和使用特點(diǎn)。常規(guī)機(jī)械接觸式測量方法無法滿足角秒級精度需求，需要建立以高精度光學(xué)測量設(shè)備為核心的測量裝置。工裝設(shè)計(jì)時應(yīng)合理布局結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)精度，避免裝配應(yīng)力產(chǎn)生微變形而影響測試結(jié)果。此外，在實(shí)際操作時還需要考慮測試溫度、地基平臺穩(wěn)定度等環(huán)境因素的影響。

在法線和軸線標(biāo)定層面，需要評估零組件形貌誤差對標(biāo)定精度的影響，準(zhǔn)確將虛擬的基準(zhǔn)法線和軸線轉(zhuǎn)移到可測量的光學(xué)鏡面上。對于基準(zhǔn)面法線，工裝、零件微米級的形面誤差都可能影響標(biāo)定精度，如何保證法線標(biāo)定的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性是一項(xiàng)主要難點(diǎn)；對于測量軸線，如何保證理論軸線與工藝鏡面垂直一致，避免安裝工藝誤差是需要解決的主要問題。

在數(shù)據(jù)處理層面，一方面利用特征數(shù)據(jù)甄別工藝誤差，另一方面重復(fù)測量實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互驗(yàn)是減小隨機(jī)誤差提高測量準(zhǔn)確度和置信度的重要手段。而這些方法的應(yīng)用都不免會使計(jì)算過程更加繁復(fù)，如何提高計(jì)算效率也是測量工藝方法最終實(shí)現(xiàn)的重要前提。

4 測量原理介紹

為滿足該CPA機(jī)構(gòu)高精度軸系標(biāo)定需要，構(gòu)建了圖2所示以自準(zhǔn)直儀、平晶和平面反射鏡為主要組成的光學(xué)測量裝置。平晶用于標(biāo)定安裝基準(zhǔn)面；平面反射鏡隨軸系轉(zhuǎn)動用于標(biāo)定回轉(zhuǎn)軸線。用自準(zhǔn)直儀測量反射鏡轉(zhuǎn)動過程的法線傾角變化和兩鏡面法線間的角度關(guān)系，從而標(biāo)定傾角回轉(zhuǎn)誤差和垂直度誤差。

圖2 工裝結(jié)構(gòu)示意圖

該方法將利用CPA機(jī)構(gòu)軸系內(nèi)的通光口徑，采取分步標(biāo)定的方式將基準(zhǔn)法線和回轉(zhuǎn)軸線先后置于同一自準(zhǔn)直儀視場內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了傾角回轉(zhuǎn)誤差和垂直度誤差的同時測量。

在基準(zhǔn)面法線標(biāo)定方面，由于平晶具有亞微米級面形的優(yōu)勢，在與微米級安裝基準(zhǔn)平面貼合時具有較高的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。此外，在工裝設(shè)計(jì)時，使用非金屬零件支撐平晶安裝，通過尺寸鏈控制，讓非金屬零件承受定量可控的微變形，既能使平晶與基準(zhǔn)面緊密貼合也能避免結(jié)構(gòu)微應(yīng)力變形或平晶面形破壞對測量結(jié)果產(chǎn)生的負(fù)面影響。

在回轉(zhuǎn)軸線標(biāo)定方面，利用軸系轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)虛擬回轉(zhuǎn)軸線平均線的擬合。此外，在軸線回轉(zhuǎn)過程中，平面反射鏡安裝誤差具有一階特性，可以利用頻域分析消除。

4.1 安裝配置及數(shù)據(jù)采集

如圖3所示，將被測軸系牢固安裝在安裝底板上，并置于穩(wěn)定的光學(xué)平臺。用尼龍托盤工裝將平晶靠緊被測軸系安裝基準(zhǔn)面。利用五棱鏡折轉(zhuǎn)光路，將自準(zhǔn)直儀沿軸線方向準(zhǔn)直平晶，當(dāng)前自準(zhǔn)直儀軸、軸示數(shù)即為安裝平面法線基準(zhǔn)，記為X和Y。保持自準(zhǔn)直儀和五棱鏡位置不變，在被測軸系轉(zhuǎn)動端安裝平面反射鏡。驅(qū)動被測軸系轉(zhuǎn)動，在均布點(diǎn)位置，記錄自準(zhǔn)直儀測量讀數(shù)，第點(diǎn)坐標(biāo)記為X和Y。

圖3 軸系精度標(biāo)定過程說明圖

4.2 數(shù)據(jù)計(jì)算與誤差評定

4.2.1 傾角回轉(zhuǎn)誤差計(jì)算

a. 計(jì)算零次和一次傅里葉系數(shù)a0、a0和a1、a1、b1、b1：

b. 計(jì)算第點(diǎn)傾角誤差E：

c. 評定被測軸系傾角回轉(zhuǎn)誤差：

4.2.2 軸線垂直度計(jì)算

計(jì)算軸線垂直度：

4.3 計(jì)算說明

由于自準(zhǔn)直儀測量坐標(biāo)系的正交特性，軸采樣數(shù)據(jù)實(shí)際是同一誤差在軸相位相差90°時采樣數(shù)據(jù)的重復(fù)測量，所以，傾角回轉(zhuǎn)誤差和垂直度誤差的兩軸計(jì)算數(shù)據(jù)具有相互驗(yàn)證性，提升了測量結(jié)果的置信度。由于傾角回轉(zhuǎn)誤差具有一定的隨機(jī)性，因此在結(jié)果評定時按式（10）進(jìn)行最大包絡(luò)。

為提升效率和工藝過程的可操作性，編寫了專用計(jì)算程序。程序讀取采樣數(shù)據(jù)后能夠自動生成測試結(jié)果，并以圖形化方式顯示誤差幅值、相位以及頻域特征等信息。計(jì)算程序的使用不僅簡化了原本復(fù)雜的計(jì)算過程，同時使計(jì)算結(jié)果更為直觀，方便后續(xù)工序進(jìn)行軸系校調(diào)。

5 經(jīng)緯儀式CPA機(jī)構(gòu)軸系精度計(jì)算示例

以該經(jīng)緯儀式CPA機(jī)構(gòu)方位軸精度標(biāo)定為例。按上述方法搭建如圖4所示測量裝置，自準(zhǔn)直儀準(zhǔn)直基準(zhǔn)面平晶建立測量基準(zhǔn)，如表1所示，安裝平面反射鏡后轉(zhuǎn)動軸系在間隔15°的24個位置記錄自準(zhǔn)直儀測量數(shù)據(jù)。

圖4 CPA機(jī)構(gòu)方位軸精度測量

表1 測量數(shù)據(jù) （″）

按式（10）和式（11）計(jì)算得到該軸系傾角回轉(zhuǎn)誤差小于2.3″，回轉(zhuǎn)軸線平均線與方位軸安裝面垂直度誤差5.3″，誤差分布和傾角相位如圖5所示。采樣數(shù)據(jù)的頻域特征如圖6所示，平面反射鏡安裝工藝誤差產(chǎn)生的一階諧波分量幅值占數(shù)據(jù)主要部分，計(jì)算時按式（7）和式（8）被消減。

圖5 傾角回轉(zhuǎn)誤差和垂直度誤差分布圖

圖6 采樣數(shù)據(jù)頻域特征圖

6 結(jié)束語

基于某型號經(jīng)緯儀式CPA機(jī)構(gòu)的研制過程，介紹了該產(chǎn)品角秒級軸系精度測試的工藝原理、方法和實(shí)現(xiàn)過程。通過合理選擇工藝裝備、優(yōu)化工裝設(shè)計(jì)、消除工藝誤差等方式，解決了高精度軸系基準(zhǔn)法線和回轉(zhuǎn)軸線標(biāo)定的工藝難題。并在工藝實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上編寫專用計(jì)算程序提高了計(jì)算效率，增加了測量工藝的可實(shí)現(xiàn)性。該工藝方法的實(shí)施為該經(jīng)緯儀式CPA機(jī)構(gòu)順利研制奠定了基礎(chǔ)，并對同類高精度空間跟蹤指向機(jī)構(gòu)軸系精測有借鑒和推廣意義。目前該CPA產(chǎn)品已經(jīng)隨衛(wèi)星發(fā)射入軌，在軌運(yùn)行良好。

1 姜會林，佟首峰，張立中，等. 空間激光通信技術(shù)與系統(tǒng)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2010

2 賈宏進(jìn)，秦石喬，胡浩軍，等. 軸系傾角回轉(zhuǎn)誤差與垂直度測量方法[J]. 計(jì)量技術(shù)，2008(11)：25～28

3 孫郅佶，安晨輝，楊旭，等. 超精密機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差在線測試與評價技術(shù)[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2015(9)：118～123

4 任順清，王俊柱. 用水平儀測試傾角回轉(zhuǎn)誤差的數(shù)據(jù)處理[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38(6)：837～847

5 蘇燕芹，張景旭，陳寶剛，等. 諧波分析方法在提高精密轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)精度中的應(yīng)用[J]. 紅外與激光工程，2014，43(1)：275～278

6 王志臣，郭爽，王國強(qiáng). 2m望遠(yuǎn)鏡方位軸系傾角回轉(zhuǎn)誤差分析[J]. 長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，37(4)：32～35

7 任順清，曾慶雙. 帶框架軸系傾角回轉(zhuǎn)誤差的測試結(jié)果分析[J]. 工具技術(shù)，2000，34(9)：33～35

8 任順清，房振勇，吳廣玉，等. 豎直軸系傾角回轉(zhuǎn)誤差的兩種測試方法的比較[J]. 中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2000，8(3)：74～78

Measurement Method of Spindle Precision for Laser Communication Coarse Pointing Assembly

Ye Zhuang Zhang Shuqing Liu Xuepeng Li Chen Li Guang Li Xingguang

(Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190)

Based on the development of a certain model CPA (Coarse Pointing Assembly), the technical difficulties in measuring the wobble error and the verticality of the arcsec level spindle are explained in this paper. The measurement principle, configuration and data processing method are introduced in the illustration of the CPA spindle test case. This measurement method is significant for development of the CPA, and can be applied to the similar space high-precision pointing and tracking mechanism.

laser communication coarse pointing assembly；spindle；verticality；wobble error

葉壯（1984），工程師，機(jī)械電子工程專業(yè)；研究方向：空間機(jī)構(gòu)精密裝配工藝。

2019-12-10