衛(wèi)星饋源結(jié)構(gòu)測(cè)調(diào)技術(shù)研究

楊 璐 賈春雨 梁 天

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

0 引言

衛(wèi)星饋源結(jié)構(gòu)是搭載衛(wèi)星天線的異形結(jié)構(gòu)，位于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的中心，由多塊傾斜于承力筒的饋源板組成。由于這種結(jié)構(gòu)形式具有利用較小結(jié)構(gòu)形式搭載較多有效載荷的優(yōu)點(diǎn)，因此，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的衛(wèi)星部件采用了這種結(jié)構(gòu)[1]。但這種結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品的裝配難度較大，主要體現(xiàn)在一塊結(jié)構(gòu)板呈現(xiàn)多面復(fù)合角度，裝配過(guò)程中需要考慮多個(gè)結(jié)構(gòu)面的裝調(diào)位置，保證其精度能夠使后續(xù)裝配中各有效載荷的安裝到位。

傳統(tǒng)的衛(wèi)星饋源結(jié)構(gòu)裝配使用三位一體測(cè)量設(shè)備，簡(jiǎn)稱ITP，衛(wèi)星必須處于ITP 轉(zhuǎn)臺(tái)中心，用探頭擊打測(cè)量。ITP 測(cè)量法因設(shè)備過(guò)大無(wú)法適應(yīng)環(huán)境場(chǎng)地的變化，給測(cè)量工作帶來(lái)困難。用探頭擊打方法測(cè)量異形結(jié)構(gòu)不夠靈活，測(cè)量數(shù)據(jù)重復(fù)性高，最大誤差高達(dá)0.5 mm。

該文介紹了衛(wèi)星饋源結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的測(cè)調(diào)裝配過(guò)程。在測(cè)調(diào)中運(yùn)用激光跟蹤儀建模，將裝配現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品的實(shí)際姿態(tài)按照理論模型用激光跟蹤儀軟件進(jìn)行模擬翻轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)化坐標(biāo)測(cè)調(diào)量，實(shí)時(shí)指導(dǎo)裝調(diào)。再通過(guò)長(zhǎng)圓孔工藝角盒預(yù)裝技術(shù)完成饋源板的精確安裝。該方法對(duì)不規(guī)則多面體結(jié)構(gòu)衛(wèi)星構(gòu)件裝配具有一定的指導(dǎo)意義。

1 衛(wèi)星饋源結(jié)構(gòu)的精測(cè)任務(wù)與精度要求

航天衛(wèi)星饋源結(jié)構(gòu)由是多塊饋源板組成的不規(guī)則多面體，是天線的安裝底板，位于衛(wèi)星承力筒的中上部。饋源結(jié)構(gòu)的上端與饋源天線板相接，下端由異形角盒與衛(wèi)星承力筒固定。一方面，由于饋源結(jié)構(gòu)的安裝位置特殊，饋源結(jié)構(gòu)測(cè)調(diào)無(wú)固定支撐點(diǎn)，每個(gè)異形角盒都是邊測(cè)調(diào)邊配孔固定。另一方面，每塊饋源板的測(cè)調(diào)坐標(biāo)都是與整星成一定角度的三維空間坐標(biāo)，在安裝測(cè)調(diào)時(shí)，每調(diào)整一塊饋源板，其余饋源板的數(shù)值都會(huì)隨之改變。因此，測(cè)調(diào)方案需滿足饋源結(jié)構(gòu)部組件在安裝過(guò)程中的角度要求和坐標(biāo)要求。針對(duì)衛(wèi)星饋源結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、裝配精度高的特點(diǎn)，在測(cè)調(diào)過(guò)程中使用激光跟蹤儀，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)可視化虛擬裝配技術(shù)來(lái)判斷和指導(dǎo)裝配過(guò)程。

2 利用激光跟蹤儀測(cè)調(diào)衛(wèi)星饋源結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)繪原理

激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)主要包括4 個(gè)部分。1）跟蹤儀主機(jī)。主要功能是產(chǎn)生和發(fā)射激光，接收反射激光束并反饋給控制單元，利用機(jī)械傳動(dòng)裝置響應(yīng)控制單元發(fā)出的動(dòng)作指令和報(bào)警等。2） 中央控制單元。連接主機(jī)與操作端計(jì)算機(jī)的中間連接設(shè)備，起到了兩者間信息傳送的作用。3）操作端計(jì)算機(jī)。用于對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行控制以及運(yùn)行相關(guān)測(cè)量分析軟件。4） 測(cè)量點(diǎn)采集及反射靶球SMR。5）測(cè)量輔助附件[2]。激光跟蹤儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作便捷，適用于復(fù)雜環(huán)境下的測(cè)量任務(wù)。

在測(cè)調(diào)中，激光跟蹤儀以途中回轉(zhuǎn)中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)建立起測(cè)量坐標(biāo)系。P作為被測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)P與儀器坐標(biāo)系的原點(diǎn)之間的距離通過(guò)激光干涉測(cè)距原理得到，使用2 個(gè)角度編碼器可測(cè)量出水平方位角α以及豎直方位角β，激光干涉測(cè)量極徑為L(zhǎng)，被測(cè)點(diǎn)P的空間坐標(biāo)如圖1 所示[3]。

圖1 激光跟蹤儀測(cè)量原理

激光干涉法測(cè)距速度快、精度高，在50 m 測(cè)量范圍內(nèi)坐標(biāo)重復(fù)測(cè)量精度可達(dá)到5 μm/m，絕對(duì)坐標(biāo)測(cè)量精度達(dá)到了10 μm/m[4]。激光跟蹤儀配備有環(huán)境傳感器，可隨著測(cè)量環(huán)境的變化而修正自身的測(cè)量參數(shù)，以此來(lái)提高測(cè)量精度，對(duì)環(huán)境有很高的適應(yīng)性。激光跟蹤儀不同于ITP 只能局限地測(cè)量自身轉(zhuǎn)臺(tái)上的物體，它簡(jiǎn)單輕巧、便于攜帶，可應(yīng)用于各種工作場(chǎng)地。

激光跟蹤儀測(cè)量是由每個(gè)測(cè)量點(diǎn)在軟件上模擬形成一個(gè)個(gè)測(cè)量目標(biāo)量，其目標(biāo)量可根據(jù)需求進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，在測(cè)量調(diào)試時(shí)可以將模擬值與實(shí)際值進(jìn)行比對(duì)，以模擬值作為參考進(jìn)行實(shí)際的測(cè)調(diào)工作。激光跟蹤儀測(cè)量對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性、對(duì)非標(biāo)物體測(cè)量的靈活性更適應(yīng)于現(xiàn)代化衛(wèi)星裝配的需求。

2.2 測(cè)調(diào)方案

首先，測(cè)調(diào)部裝支架，為饋源結(jié)構(gòu)的安裝打基礎(chǔ)。先將部裝支架置于轉(zhuǎn)臺(tái)上，用百分表測(cè)調(diào)部裝支架，使其上表面與地面平行。測(cè)量部裝支架上表面的3 個(gè)定位銷，調(diào)整部裝支架，使部裝支架中心與轉(zhuǎn)臺(tái)中心同軸。

然后，利用激光跟蹤儀對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行基準(zhǔn)建模。激光跟蹤儀建模通過(guò)“1 點(diǎn)+2 矢量”的方式實(shí)現(xiàn)。用激光跟蹤儀在部裝支架的上表面均布測(cè)量多個(gè)點(diǎn)，用軟件建立模擬平面。將部裝支架上表面的3 個(gè)定位銷中的2 個(gè)最遠(yuǎn)銷孔連接，構(gòu)成“線”。過(guò)部裝支架上的3 個(gè)銷孔中心繪圓，圓心即為部裝支架中心“點(diǎn)”。以“點(diǎn)”“線”“面”為要素，構(gòu)成部裝支架的基準(zhǔn)。用激光跟蹤儀測(cè)量出部裝支架的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。再將衛(wèi)星落在部裝支架上用3 個(gè)銷子定位，這樣部裝支架的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)就是整星基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

最后，用激光跟蹤儀對(duì)天線饋源板進(jìn)行模擬翻轉(zhuǎn)。由于天線饋源板與整星成一定角度，所以需要用激光跟蹤儀對(duì)饋源板坐標(biāo)進(jìn)行模擬翻轉(zhuǎn)，使饋源板基準(zhǔn)與整星基準(zhǔn)一致。表1 為天線饋源板原坐標(biāo)點(diǎn)，表2 為模擬翻轉(zhuǎn)后坐標(biāo)。比對(duì)數(shù)據(jù)可知，轉(zhuǎn)換后的Z軸坐標(biāo)一致，這樣饋源板在整星上的坐標(biāo)就實(shí)現(xiàn)了從三維6 個(gè)自由度的測(cè)調(diào)“降維”到二維4 個(gè)自由度的測(cè)調(diào)。模擬翻轉(zhuǎn)降低了測(cè)調(diào)難度，提高了饋源板的安裝精度。

表1 天線饋源板模擬翻轉(zhuǎn)換前坐標(biāo)

表2 天線饋源板轉(zhuǎn)化后坐標(biāo)

3 衛(wèi)星饋源結(jié)構(gòu)的安裝

3.1 安裝難點(diǎn)

激光跟蹤儀對(duì)饋源板的建模，是饋源板安裝的依據(jù)。但由于衛(wèi)星饋源結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，工藝人員僅憑結(jié)構(gòu)板上的一些孔坐標(biāo)，只能知道饋源板的角度和參考位置，無(wú)法保證饋源板能精確安裝。饋源支撐結(jié)構(gòu)通常用鈍角角條與承力筒、頂板連接，角條的一邊已經(jīng)預(yù)先固定在承力筒上，另一邊是實(shí)心角條埋件，待測(cè)調(diào)完饋源板的安裝位置后，按照饋源板埋件孔實(shí)行配打。這樣饋源板在開始安裝時(shí)和承力筒并無(wú)連接，也沒有固定點(diǎn)來(lái)支撐饋源板。

饋源板埋件是沉入板內(nèi)的絲套孔而非通孔，這樣實(shí)心角條安裝在埋件孔外側(cè)時(shí)，就會(huì)遮擋埋件孔。給角條劃孔、打孔帶來(lái)困難。角條劃孔的通常做法是在饋源板埋件孔口涂染料，饋源板測(cè)調(diào)到位后與角條貼實(shí)，這樣角條會(huì)在對(duì)應(yīng)的埋件孔處出現(xiàn)涂料，配孔時(shí)候?qū)⑼苛先コ纯伞Ｔ摲椒ㄒ膊皇峭陚涞?，由于涂料無(wú)法均勻涂在埋件孔口，印在角條一側(cè)的涂料會(huì)呈現(xiàn)出不規(guī)則的圖案，配打角條孔時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確的找到打孔中心，打完孔在安裝時(shí)發(fā)現(xiàn)孔位偏差，只能進(jìn)行修配。如果偏差多修配量會(huì)很大，修配后角條的連接孔成長(zhǎng)圓孔，這樣會(huì)使連接螺釘?shù)膲|片有一端無(wú)法壓在角條上，影響后續(xù)的連接，從而導(dǎo)致角條應(yīng)力變形。

3.2 解決辦法

在安裝饋源板前，用異形工藝角盒代替產(chǎn)品角條，測(cè)調(diào)饋源結(jié)構(gòu)位置。待饋源結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求的安裝位置時(shí)擰緊螺釘，提供一個(gè)臨時(shí)的安裝點(diǎn)來(lái)支撐饋源結(jié)構(gòu)?？紤]到饋源結(jié)構(gòu)測(cè)調(diào)量大，需不斷調(diào)整坐標(biāo)位置，因此，將工藝角盒兩邊都設(shè)計(jì)成長(zhǎng)圓孔，這樣饋源結(jié)構(gòu)測(cè)調(diào)的自由度會(huì)大大增加。待各項(xiàng)數(shù)據(jù)在合格范圍內(nèi)并趨于穩(wěn)定后，用筆在結(jié)構(gòu)板上畫角條的輪廓，取下角條，根據(jù)劃線實(shí)測(cè)埋件孔中心到劃線的距離，就可以得出埋件孔在角條上的位置，用輪廓?jiǎng)澗€定點(diǎn)的方式給角條配孔。最后用產(chǎn)品角條將工藝角盒逐一替換下來(lái)。從而完成整個(gè)饋源支撐結(jié)構(gòu)在星體上的測(cè)調(diào)安裝工作。

角盒替代法操作便捷，解決了饋源結(jié)構(gòu)的固定問題，減少了角條的修配，降低了測(cè)調(diào)誤差，提高了角條配孔的工作效率。

4 結(jié)語(yǔ)

激光跟蹤測(cè)量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各類工程測(cè)繪領(lǐng)域。其靈活的模擬基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換功能在衛(wèi)星天線饋源測(cè)調(diào)中得到應(yīng)用，并且提高了測(cè)調(diào)精度以及測(cè)調(diào)效率。將6 個(gè)自由度測(cè)調(diào)轉(zhuǎn)換為4 個(gè)自由度測(cè)調(diào)，簡(jiǎn)化了測(cè)量流程以及測(cè)量量。在饋源支撐結(jié)構(gòu)測(cè)調(diào)配孔中，引入了工藝異形長(zhǎng)圓孔角盒，降低了測(cè)調(diào)難度以及角條盲孔配孔的工作量。經(jīng)驗(yàn)證，該方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，測(cè)量數(shù)據(jù)誤判率低，大大提升了產(chǎn)品的裝配效率，滿足現(xiàn)階段大型衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)部裝的測(cè)量需要。該方法也可應(yīng)用于其他特殊安裝位置的高精度測(cè)調(diào)裝配當(dāng)中，希望能夠給行業(yè)中的相關(guān)工程技術(shù)應(yīng)用提供一些借鑒。