衛(wèi)星裝配用激光跟蹤儀支撐架轉(zhuǎn)換接頭設(shè)計(jì)*

王國星，胡亞航，程 澤

(北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094)

0 引 言

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星等航天器產(chǎn)品的零件尺寸更大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，要求零配件、部組件的裝配精度也更高[1]。對這類結(jié)構(gòu)尺寸大和結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜的產(chǎn)品，其裝配精度測量準(zhǔn)確與否，對星船在太空的姿態(tài)控制、延長飛行壽命以及執(zhí)行空間任務(wù)有很大影響。近年來能夠滿足航天器大尺寸測量的技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并且精測技術(shù)不斷改進(jìn)提高[3]。

國內(nèi)航空航天器總裝精測現(xiàn)已普遍采用激光跟蹤儀測量系統(tǒng)，激光跟蹤儀測量系統(tǒng)作為數(shù)字化空間三坐標(biāo)測量儀器，具備測量精度高、測量范圍廣、效率高等特點(diǎn)，激光跟蹤儀測量系統(tǒng)在衛(wèi)星總裝精測中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。傳統(tǒng)的跟蹤儀因自帶支撐架的高度限制無法有效拾取較高位置或較低位置的空間目標(biāo)，這給裝配生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的困難。

基于上述情況，筆者提出一種激光跟蹤儀精測支撐架轉(zhuǎn)換接頭工裝的有效解決上述問題。對衛(wèi)星裝配用激光跟蹤儀使用問題現(xiàn)狀及解決方案進(jìn)行對比，通過對選定方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析及實(shí)物應(yīng)用實(shí)踐，達(dá)到了經(jīng)緯儀支撐架在高度30～400 cm的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)的目標(biāo)且具有通用化。

1 問題背景

北京衛(wèi)星制造廠裝配集成中心承擔(dān)衛(wèi)星裝星結(jié)構(gòu)部裝、機(jī)構(gòu)類產(chǎn)品部裝任務(wù)。在航天器的結(jié)構(gòu)制造、部組件裝配、總體裝配及系統(tǒng)集成過程中，其裝配精度要求非常高。艙段之間對接面的平面度、垂直度、機(jī)構(gòu)產(chǎn)品同軸度、基準(zhǔn)平面的位置度等均是裝配階段測量目標(biāo)。各艙段組裝時(shí)，未按精度要求執(zhí)行裝配或者出現(xiàn)數(shù)據(jù)超差，會導(dǎo)致衛(wèi)星的入軌、制導(dǎo)、姿態(tài)控制受到嚴(yán)重影響[4-6]。

目前裝配集成中心使用的激光跟蹤儀是Radian跟蹤儀。激光跟蹤測量系統(tǒng)基本都是由激光跟蹤頭、控制器、用戶計(jì)算機(jī)、反射器(靶鏡)及支撐架等附件組成的[7]，如圖1所示。使用時(shí)，激光跟蹤頭與支撐架相連放于固定位置，通過反射器搜索并引導(dǎo)激光源捕捉測量目標(biāo)，控制器與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)記錄顯示目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

圖1 整星部裝測試示意圖

在實(shí)際使用中，利用跟蹤儀廠家原配的支撐架很難實(shí)現(xiàn)所有工況的測量。因激光跟蹤頭測試俯仰角度有效范圍約為+60°～-50°，廠家原配的支撐架調(diào)節(jié)范圍為0.8～1.3 m，高度調(diào)節(jié)有限，再加上裝配工位場地的制約，普通跟蹤儀只能對高度在1.4～1.75 m范圍的目標(biāo)進(jìn)行全方位測量。對較高位置或較低位置目標(biāo)測量時(shí)均會產(chǎn)生測量盲區(qū)，如圖2所示。例如當(dāng)需要對衛(wèi)星頂板設(shè)備進(jìn)行精測時(shí)，因東四、遙感等衛(wèi)星整星的高度均超過2 m，測量頭的無法拾取頂板位置信息。如當(dāng)整星部裝恢復(fù)轉(zhuǎn)臺基準(zhǔn)時(shí)，因產(chǎn)品遮擋無法完成對高度約0.6 m的平臺上3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的同時(shí)測量。

綜上所述，傳統(tǒng)的跟蹤儀因自帶支撐架的高度限制無法有效拾取較高位置或較低位置的空間目標(biāo)，這給裝配生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的困難。傳統(tǒng)的方法是將跟蹤儀與支撐架整體放置在架梯或包裝箱上以增加跟蹤儀自身高度，但支撐架穩(wěn)定性受限，直接影響測量精度。

2 方案對比

針對激光跟蹤儀在原廠自帶支撐架上測量高度受限的問題，開展方案思路如下，并形成對比清單如表1所列。

表1 跟蹤儀測量高度可覆蓋方案

(1) 向激光跟蹤儀廠家定制不同規(guī)格專用的支撐架，從而覆蓋所有的精測空間，此方法需要花費(fèi)人力物力較大，定制不同規(guī)格支撐架的數(shù)量較多，按照六個(gè)工位各配置2臺計(jì)算，預(yù)計(jì)成本10～20萬元。

(2) 研制適用于各高度測量的可移動(dòng)精測平臺，該平臺可通過控制器自動(dòng)移動(dòng)位置，實(shí)現(xiàn)多工位并行操作，同時(shí)高度方向通過控制器可自動(dòng)收縮，覆蓋所有高度范圍，該設(shè)備市場同類價(jià)格約80萬。

(3) 利用中心已有平臺設(shè)備，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換接頭工裝，將跟蹤儀測量頭安裝在已有平臺設(shè)備上。此方案要求接頭工裝通用，可自由拆裝，并且已有平臺必須高度范圍可調(diào)節(jié)且可以覆蓋傳統(tǒng)跟蹤儀不可測的范圍。

由以上分析，方案三經(jīng)濟(jì)成本低，實(shí)現(xiàn)周期短，測量可靠性不受影響。中心在精測工作中另一常用精測設(shè)備為經(jīng)緯儀，經(jīng)緯儀由經(jīng)緯儀測量頭與支撐架組成。其支撐架的高度調(diào)節(jié)范圍可達(dá)30～400 cm，可有效解決跟蹤儀大部分不可覆蓋的測量高度范圍。中心已有經(jīng)緯儀支撐架數(shù)量可滿足六個(gè)工位同時(shí)精測的需求，故選取方案三解決上述生產(chǎn)困難。

方案三的核心在于設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)接工裝，可以使所有跟蹤儀測量頭與經(jīng)緯儀支撐架之間實(shí)現(xiàn)可靠連接，并且具有良好的互換性。轉(zhuǎn)換接頭從方便操作者作業(yè)、節(jié)約制造成本、提高人員與產(chǎn)品的安全性等角度出發(fā)，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。如圖2所示為工裝結(jié)構(gòu)方案示意圖。

圖2 工裝結(jié)構(gòu)方案示意圖

該工裝的使用方法為：首先將轉(zhuǎn)換接頭工裝下端的支架對接頭安裝在經(jīng)緯儀支撐架上，并通過限位緊固。跟蹤儀從原廠自帶支撐架拆下，與轉(zhuǎn)換接頭的上端通過凹槽面貼合，最終使用對接環(huán)的螺紋扣使跟蹤儀緊固。調(diào)節(jié)經(jīng)緯儀支撐架的高度，便可開展不同高度范圍的精測作業(yè)。

3 設(shè)計(jì)與分析

3.1 工裝設(shè)計(jì)

考慮到該工裝有一定的剛度強(qiáng)度要求，同時(shí)需要保證反復(fù)更換與長期使用，選用45#鋼棒材作為主要承力零件的材料，材料物理屬性如表2所列。

表2 45#鋼材料物理屬性

考慮便于攜帶，方便拆裝，該工裝設(shè)計(jì)為螺旋式對接環(huán)環(huán)與主承力接頭分體式結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換接頭主承力件包含跟蹤儀對接頭與支架對接頭，跟蹤儀對接頭設(shè)計(jì)為與跟蹤儀接口可貼合的深度為3.2 mm凹槽外形，這有利于兩者連接的穩(wěn)固性。支架對接頭在與經(jīng)緯儀支撐架連接處設(shè)計(jì)了1.1 mm深的平面限位結(jié)構(gòu)，可通過經(jīng)緯儀支撐架有效緊固轉(zhuǎn)接工裝。

對接環(huán)的作用為緊固跟蹤儀測量頭，對接環(huán)根據(jù)跟蹤儀接口外形尺寸設(shè)計(jì)，外表面做滾花處理，方便操作人員旋轉(zhuǎn)。為防止對接環(huán)脫落與提供操作安全性，設(shè)計(jì)擋板對其限位。擋板為Φ120 mm，均布3個(gè)Φ3 mm通孔用于連接接頭主件。此外，結(jié)合操作空間與操作便捷性對工裝其他尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。工裝表面做發(fā)黑處理，其實(shí)物圖如圖4所示。

圖3 工裝三維模型設(shè)計(jì)

圖4 工裝實(shí)物圖

3.2 仿真分析

對工裝的主承力件進(jìn)行靜力學(xué)仿真，以便驗(yàn)證其在使用過程中材料與結(jié)構(gòu)的選用是否具備足夠的強(qiáng)度，以及在跟蹤儀測量頭的壓力下，工裝的變形是否造成測試影響。故對此零件的應(yīng)力與位移兩項(xiàng)物理指標(biāo)進(jìn)行仿真分析，判斷其受力后的狀態(tài)。

支撐架安裝好轉(zhuǎn)換接頭后，接頭上端面承載跟蹤儀測量頭的靜載重力，測量頭自重為9 kg，按照裕度系數(shù)1.5對主承力部分進(jìn)行靜力矩加載，對其與支撐架連接處作固定約束，采用4面體自動(dòng)劃分網(wǎng)格，后處理求解出主承力件的位移變化如圖5所示，應(yīng)力變化如圖6所示。

圖5 位移云圖 圖6 應(yīng)力云圖

由仿真分析可知，轉(zhuǎn)換接頭主承力件最大變形量出現(xiàn)在上端安裝平面部位，為4.2×10-4mm，剛度性能滿足使用要求，在測量中不會因變形導(dǎo)致坐標(biāo)系偏移。主承力件承受最大應(yīng)力出現(xiàn)在凹槽部位，為1.2 MPa遠(yuǎn)低于材料屈服極限。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足使用工況的強(qiáng)度要求。

4 應(yīng)用效果

工裝投產(chǎn)后，由該工裝組成的高位支撐架已在多平臺衛(wèi)星結(jié)構(gòu)部裝產(chǎn)品的整星精度測試環(huán)節(jié)得到實(shí)踐，如圖7所示。隨著中心承擔(dān)機(jī)構(gòu)類產(chǎn)品任務(wù)量的增加，各尺寸機(jī)械臂類產(chǎn)品數(shù)量增多，其工裝距離安裝平臺高度大多不超過0.5 m，由該工裝組成的低位支撐架已拓展應(yīng)用于此類精度測量業(yè)務(wù)，上述應(yīng)用由多位操作者使用實(shí)踐，效果良好，如圖8所示。

圖7 高位支撐架應(yīng)用現(xiàn)場 圖8 低位支撐架應(yīng)用現(xiàn)場

在經(jīng)濟(jì)成本方面，單臺自動(dòng)化可移動(dòng)可伸縮精測平臺的價(jià)格在80萬元左右，定制跟蹤儀支撐架數(shù)量需求大，總體成本約20萬。相比之下，該工裝結(jié)構(gòu)簡單，加工便捷，單套制造成本約100元，裝配集成中心配置5臺，成本共計(jì)500元，節(jié)約成本數(shù)十萬元。在操作便捷性方面，該工裝為通用互換式便捷工裝，主要零件可拆卸可重組，便于攜帶與保存。

在安全性方面，該工裝比起傳統(tǒng)在架梯或包裝箱上直接放置跟蹤儀，大大降低了對人員與產(chǎn)品的操作安全隱患，提升了精測質(zhì)量。在作業(yè)效率方面，該工裝與跟蹤儀自帶支撐架的轉(zhuǎn)接頭安裝方法類似，沒有給操作者的新增勞動(dòng)強(qiáng)度。在相鄰工位作業(yè)時(shí)，一臺設(shè)備可同時(shí)測量兩個(gè)工位的產(chǎn)品，作業(yè)效率提升一倍。經(jīng)過兩年的應(yīng)用實(shí)踐，未帶來安全問題與質(zhì)量問題。經(jīng)過培訓(xùn)，所有精測人員均可獨(dú)立完成該操作環(huán)節(jié)。后續(xù)將推廣該工裝在深空探測類機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的應(yīng)用，并升級結(jié)構(gòu)其可以直接接觸地面并具有移動(dòng)功能，這將更大程度地?cái)U(kuò)展機(jī)構(gòu)跟蹤儀的測量范圍。

5 結(jié) 語

針對現(xiàn)有激光跟蹤儀無法測量較高位置或較低位置空間目標(biāo)的現(xiàn)狀，提出一種精測支架轉(zhuǎn)換接頭工裝。該工裝由擋板、轉(zhuǎn)換接頭主承力件、螺旋式對接環(huán)組成。該成果結(jié)構(gòu)力學(xué)性能可靠，操作輕便、快捷，用于跟蹤儀測量頭與經(jīng)緯儀支撐架的連接，穩(wěn)定性強(qiáng)。該工裝在保障操作安全性與測量可靠性的前提下，利用較小的成本解決了因傳統(tǒng)跟蹤儀測量高度受限，裝配精度測試?yán)щy的現(xiàn)場問題。該工裝的使用方法已被已由衛(wèi)星結(jié)構(gòu)裝配從業(yè)人員應(yīng)用實(shí)踐，后續(xù)將向深空探測類機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的精測環(huán)節(jié)推廣應(yīng)用。