提高機(jī)械可動天線反射器組件裝配校準(zhǔn)效率的方法

□ 劉 飛 □ 曹子振 □ 李 強(qiáng) □ 姚敬鵬

天津航天機(jī)電設(shè)備研究所 天津 300458

1 研究背景

隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展,現(xiàn)階段遙感衛(wèi)星的數(shù)傳天線和中繼天線多采用星載機(jī)械可動天線。機(jī)械可動天線采用雙軸驅(qū)動機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)天線向地面站的指向,提高了星上數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡刃蜉椛涔β蔥1-2]。與此同時,隨著衛(wèi)星使用頻段的擴(kuò)大,高精度反射器在遙感、氣象、通信和深空探測等衛(wèi)星領(lǐng)域中開始得到廣泛的研究和應(yīng)用[3-6]。

機(jī)械可動天線由反射器組件、展開機(jī)構(gòu)、跟蹤機(jī)構(gòu)、安裝板、鎖緊釋放裝置等組成,典型的機(jī)械可動天線結(jié)構(gòu)如圖1所示[7]。

▲圖1 機(jī)械可動天線結(jié)構(gòu)

由于目前機(jī)械可動天線需求數(shù)量多,研制周期短,因此對其裝配測試的效率提出了更高的要求。提高裝配測試效率的技術(shù)方法包括擬實(shí)裝配技術(shù)[8]、模塊化裝配技術(shù)、數(shù)字化裝配技術(shù)[9-10]等。機(jī)械可動天線的裝配校準(zhǔn)采用高精度經(jīng)緯儀測量,并對饋源組件和副反射器的安裝進(jìn)行調(diào)整,以使位移和轉(zhuǎn)角滿足精度要求。筆者通過對機(jī)械可動天線反射器組件裝配校準(zhǔn)過程進(jìn)行分析,提出提高裝配校準(zhǔn)效率的方法。

2 反射器組件概述

機(jī)械可動天線反射器組件由主反射器、副反射器、副反支撐桿、饋源組件構(gòu)成。主反射器為高精度反射器,由反射面、加強(qiáng)筋、金屬預(yù)埋件等組成。反射面和加強(qiáng)筋均為碳纖維鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu),上下蒙皮采用對稱方式鋪層,金屬連接埋件預(yù)埋于反射面內(nèi)[11]。副反射器由金屬材料加工制造。副反支撐桿由碳纖維或凱芙拉芳綸纖維纏制,再與兩端金屬接頭粘接而成。饋源組件由金屬零件裝配而成。反射器組件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

▲圖2 反射器組件結(jié)構(gòu)

反射器組件的裝配校準(zhǔn)包括副反射器安裝校準(zhǔn)和饋源組件安裝校準(zhǔn),安裝校準(zhǔn)時的參考坐標(biāo)系為天線主反射器坐標(biāo)系。在天線的研制過程中,為了保證天線的電性能指標(biāo),主反射器與饋源組件、副反射器之間有較高的同軸度和精度要求[12-13]。副反射器與主反射器相對位置關(guān)系校準(zhǔn)時,要求三個方向的轉(zhuǎn)角誤差Rx不大于0.03°,Ry不大于0.03°,Rz不大于0.1°,三個方向的位移誤差dx不大于0.2 mm,dy不大于0.2 mm,dz不大于0.2 mm。饋源組件與主反射器相對位置關(guān)系校準(zhǔn)時,要求三個方向的轉(zhuǎn)角誤差Rx不大于0.03°,Ry不大于0.03°,Rz不大于0.03°,三個方向的位移誤差dx不大于0.2 mm,dy不大于0.2 mm,dz不大于0.2 mm。由于加工誤差和裝配誤差的存在,副反射器和饋源組件在裝配校準(zhǔn)時需要添加調(diào)整墊片進(jìn)行調(diào)整。按照饋源組件和副反支撐桿的安裝方式,調(diào)整墊片可以設(shè)計為圓環(huán)形、長條形、圓墊片形和插片形,如圖3所示。調(diào)整墊片的厚度規(guī)格一般為0.05 mm、0.1 mm、0.2 mm、0.5 mm,根據(jù)實(shí)際情況采用不同形狀和厚度的調(diào)整墊片,可以提高裝配校準(zhǔn)效率。

▲圖3 調(diào)整墊片

3 提高裝配校準(zhǔn)效率的方法

反射器組件裝配校準(zhǔn)時,采用四臺高精度經(jīng)緯儀,建立測量系統(tǒng)。測量主反射器基準(zhǔn)孔時,建立天線主反射器坐標(biāo)系。測量副反射器基準(zhǔn)孔時,建立副反射器坐標(biāo)系。測量饋源組件基準(zhǔn)孔時，建立饋源坐標(biāo)系[14]。采用最小二乘法,計算副反射器和饋源組件在天線主反射器坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)角偏差、位移偏差[15]。反射器組件裝配校準(zhǔn)測量如圖4所示,T1、T2、T3、T4為高精度經(jīng)緯儀,Pi(i=1,2,…,11)為相關(guān)基準(zhǔn)孔。

▲圖4 反射器組件裝配校準(zhǔn)測量

副反射器通過副反支撐桿與主反射器連接。副反射器安裝校準(zhǔn)時,需要通過在副反支撐桿兩側(cè)添加調(diào)整墊片進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整時需要反復(fù)拆裝支撐桿,比較煩瑣耗時,裝配校準(zhǔn)效率低。饋源組件直接與主反射器相連,調(diào)整墊片只需要直接添加到連接處即可,裝配校準(zhǔn)所需時間較短?？梢?提高反射器組件的裝配校準(zhǔn)效率,主要是提高副反射器的裝配校準(zhǔn)效率。筆者提出兩種提高副反射器裝配校準(zhǔn)效率的方法:一是對反射器組件的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化,二是采用工裝法進(jìn)行裝配校準(zhǔn)。

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

目前的反射器組件根據(jù)副反支撐桿數(shù)量的不同,可以分為三支桿型和四支桿型,如圖5所示。圖5中坐標(biāo)系為天線主反射器坐標(biāo)系。副反支撐桿與主反射器的連接可以分為沿主反射器圓周連接和沿主反射器內(nèi)部連接,如圖6所示。副反支撐桿與副反射器的連接可以分為沿副反射器圓周連接和沿副反射器上部連接,如圖7所示。

▲圖5 反射器組件構(gòu)型

▲圖6 副反支撐桿與主反射器連接

▲圖7 副反支撐桿與副反射器連接

對于三支桿型反射器組件,副反支撐桿與天線主反射器坐標(biāo)系成一個夾角,在裝配校準(zhǔn)時不能直接得出調(diào)整墊片在副反支撐桿上的安裝位置,需要反復(fù)調(diào)試,裝配校準(zhǔn)時間長。對于四支桿型反射器組件,副反支撐桿與天線主反射器坐標(biāo)系重合,在裝配校準(zhǔn)時可以根據(jù)轉(zhuǎn)角和位置偏差,直接得出需要添加調(diào)整墊片的位置和數(shù)量。因此,四支桿型反射器組件比三支桿型裝配校準(zhǔn)容易,所需裝配校準(zhǔn)時間短。

對于沿主反射器圓周連接的副反支撐桿,添加調(diào)整墊片時,與天線主反射器坐標(biāo)系的X軸或者Y軸平行,裝配校準(zhǔn)容易,所需時間短,主要校準(zhǔn)dx和dy。對于沿主反射器內(nèi)部連接的副反支撐桿,添加調(diào)整墊片時,與天線主反射器坐標(biāo)系成夾角狀態(tài),裝配校準(zhǔn)較復(fù)雜,且容易產(chǎn)生裝配應(yīng)力,主要校準(zhǔn)dx、dy、dz、Rx、Ry。因此,沿主反射器圓周連接的反射器組件裝配校準(zhǔn)容易,所需裝配時間短。

副反支撐桿沿副反射器圓周連接和沿副反射器上部連接時,添加調(diào)整墊片時均與天線主反射器坐標(biāo)軸平行。沿副反射器圓周連接時,主要校準(zhǔn)dx、dy。沿副反射器上部連接時,主要校準(zhǔn)dz、Rx、Ry。

反射器組件的構(gòu)型與連接形式對裝配校準(zhǔn)效率的影響見表1。

表1 反射器組件構(gòu)型與連接形式對裝配校準(zhǔn)效率的影響

由表1中可知,四支桿型反射器組件比三支桿型裝配校準(zhǔn)容易,所需時間短。沿主反射器圓周連接的反射器組件比沿主反射器內(nèi)部連接裝配校準(zhǔn)容易,所需時間短。沿副反射器圓周連接和沿副反射器上部連接的反射器組件,裝配校準(zhǔn)均容易,所需時間均較短,但沿副反射器圓周連接與沿主反射器圓周連接的位移重復(fù)?？梢?最優(yōu)的反射器組件結(jié)構(gòu)形式為四支桿型、沿主反射器圓周連接、沿副反射器上部連接。另一方面,為了調(diào)整Rz,增大其它轉(zhuǎn)角和位移的調(diào)整量,在副反支撐桿的兩端連接處增加調(diào)節(jié)環(huán),調(diào)節(jié)環(huán)中間為U形孔,可以調(diào)節(jié)直徑為4.5 mm圓環(huán)內(nèi)的區(qū)域,增大轉(zhuǎn)角和位移調(diào)整量,方便裝調(diào)測試,能較大地提高裝配校準(zhǔn)效率。調(diào)節(jié)環(huán)結(jié)構(gòu)形式如圖8所示,優(yōu)化后的反射器組件結(jié)構(gòu)如圖9所示。

▲圖8 調(diào)節(jié)環(huán)結(jié)構(gòu)形式

▲圖9 優(yōu)化后反射器組件結(jié)構(gòu)

3.2 工裝法

采用工裝法進(jìn)行裝配校準(zhǔn)的原理是先利用工裝將主反射器和副反射器連接,將副反射器調(diào)整到轉(zhuǎn)角和位移都滿足精度指標(biāo)要求后,再進(jìn)行副反支撐桿的連接。此方法可以減少副反支撐桿的反復(fù)拆卸裝配,提高天線的裝配校準(zhǔn)效率。

所設(shè)計的副反射器裝配校準(zhǔn)調(diào)試工裝如圖10所示,由連接盤、支座、調(diào)整墊片、調(diào)整螺釘、鎖緊螺釘組成。連接盤下端軸插入支座凹槽,軸與凹槽為小間隙精密配合,連接盤與支座通過調(diào)整螺釘和調(diào)整墊片進(jìn)行連接。

▲圖10 副反射器裝配校準(zhǔn)調(diào)試工裝

采用工裝法進(jìn)行裝配校準(zhǔn)的過程如圖11所示。第一步,將支座底部與主反射器連接,將連接盤上端與副反射器相連;采用高精度經(jīng)緯儀建立測量系統(tǒng),測試主反射器基準(zhǔn)點(diǎn)和副反射器基準(zhǔn)點(diǎn),對副反射器進(jìn)行校準(zhǔn);可以在連接盤和支座之間添加調(diào)整墊片,進(jìn)而滿足轉(zhuǎn)角和位移精度要求。第二步,用鎖緊螺釘頂緊副反射器,安裝副反支撐桿;若安裝不合適,可以在副反支撐桿兩端添加調(diào)整墊片,或者修配副反支撐桿兩端金屬接頭。第三步,拆除校準(zhǔn)調(diào)試工裝。

▲圖11 工裝法裝配校準(zhǔn)過程

4 結(jié)束語

筆者對現(xiàn)有機(jī)械可動天線反射器組件的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析和優(yōu)化,提出采用四個副反支撐桿連接,并使副反支撐桿分布方向與天線主反射器坐標(biāo)系坐標(biāo)軸方向一致。同時對副反支撐桿兩端連接方式進(jìn)行優(yōu)化,使連接處調(diào)整墊片添加的方向也與天線主反射器坐標(biāo)系坐標(biāo)軸方向一致。增加調(diào)節(jié)環(huán),加大調(diào)整余量,通過反射器組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化,較大地提高了裝配校準(zhǔn)效率。對不方便進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的副反射器組件,采用工裝法進(jìn)行裝配校準(zhǔn)。利用工裝先將副反射器校準(zhǔn)到滿足精度要求,再安裝副反支撐桿,避免支撐桿的反復(fù)拆卸裝配,極大提高了裝配校準(zhǔn)效率。以上兩種方法可以單獨(dú)使用,也可以組合使用,在實(shí)際工程應(yīng)用中,均能較好地提高機(jī)械可動天線反射器組件裝配校準(zhǔn)效率。