空間高精度天線多軸機(jī)構(gòu)精密裝配與試驗(yàn)技術(shù)

趙本華 張 斌 呂 東 王 青 王 磊 張 躍 王 燕

空間高精度天線多軸機(jī)構(gòu)精密裝配與試驗(yàn)技術(shù)

趙本華 張 斌 呂 東 王 青 王 磊 張 躍 王 燕

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

空間高精度天線機(jī)構(gòu)通過(guò)三級(jí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)精確控制。針對(duì)多個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配集成精度高、連接環(huán)節(jié)多、微重力卸載率大等難點(diǎn)，通過(guò)對(duì)天線機(jī)構(gòu)裝配精度誤差分解方法，耦合控制調(diào)節(jié)多個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接參數(shù)，采用數(shù)字化裝調(diào)方法控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝精度，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)空間軸線位置精度優(yōu)于0.01°。采用低阻力、高跟隨的吊掛式卸載方法，設(shè)計(jì)兩級(jí)串聯(lián)式、二級(jí)雙自由度微重力模擬系統(tǒng)對(duì)天線機(jī)構(gòu)空間環(huán)境模擬，高卸載率達(dá)到96.1%以上，實(shí)現(xiàn)天線機(jī)構(gòu)展開(kāi)過(guò)程中軸線波動(dòng)誤差控制在0.018°以?xún)?nèi)。通過(guò)單級(jí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝精確控制、空間多軸線精密裝調(diào)、高精度模擬卸載技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)天線機(jī)構(gòu)三軸裝配調(diào)試后指向精度優(yōu)于0.042°，滿(mǎn)足空間高精度通信與導(dǎo)航定位的指標(biāo)要求。

空間天線；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；精密裝配與控制；微重力展開(kāi)試驗(yàn)

1 引言

空間衛(wèi)星天線機(jī)構(gòu)在國(guó)外八十年代得到較為快速發(fā)展，西方發(fā)達(dá)國(guó)家的多個(gè)公司和科研單位開(kāi)展了各種型號(hào)的衛(wèi)星天線機(jī)構(gòu)研究，包括由美國(guó)多個(gè)公司如TRW、Honey-well及Matra Marconi相繼研究多個(gè)類(lèi)型衛(wèi)星天線機(jī)構(gòu)[1～3]，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所也在八十年代中后期開(kāi)始衛(wèi)星機(jī)構(gòu)的研制工作，哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)含間隙的衛(wèi)星天線雙軸機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性開(kāi)展了研究，獲得間隙、冗余約束等多個(gè)因素對(duì)天線機(jī)構(gòu)的指向精度、動(dòng)態(tài)特性的影響[4]?？臻g多軸高精度天線是一種應(yīng)用于航天導(dǎo)航、通信設(shè)備的關(guān)鍵載荷，可以應(yīng)用于空間多種衛(wèi)星信號(hào)傳輸與通聯(lián)，綜合指向精度要求優(yōu)于0.045°以?xún)?nèi)、運(yùn)行壽命12年以上，較以往天線機(jī)構(gòu)提出了更高的要求。

航天器裝配試驗(yàn)環(huán)節(jié)是加工制造過(guò)程中的最后一步，對(duì)產(chǎn)品性能起著總結(jié)與決定性的作用，作用影響顯著[5]。空間多軸機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)天線精確控制的功能部件，精密裝配與測(cè)試工藝技術(shù)水平直接決定了天線多軸機(jī)構(gòu)的指向精度[6]?？臻g天線機(jī)構(gòu)由于包括多個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配與連接，需要在多軸串聯(lián)裝配后達(dá)到精度可控、高可靠、長(zhǎng)壽命運(yùn)行性能目標(biāo)，對(duì)于天線裝配、測(cè)試技術(shù)提出較高的要求和挑戰(zhàn)。

2 天線機(jī)構(gòu)精度控制與難點(diǎn)分析

2.1 裝配精度與機(jī)理分析

空間高精度天線機(jī)構(gòu)是由軸、軸、軸以及目標(biāo)軸組成，具體天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 天線機(jī)構(gòu)外形結(jié)構(gòu)示意

空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由高精度驅(qū)動(dòng)源、減速器、位移傳感器等部件組成，空間在軌運(yùn)行時(shí)高低溫、微重力等環(huán)境造成精度偏差要求機(jī)構(gòu)裝調(diào)精度高。天線機(jī)構(gòu)由3軸系組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用手動(dòng)方法裝配實(shí)施過(guò)程存在誤差控制難度大，因此需對(duì)裝配工藝技術(shù)開(kāi)展分析研究，獲得精度精確控制方法，并通過(guò)空間展開(kāi)試驗(yàn)驗(yàn)證天線指向精度是否滿(mǎn)足衛(wèi)星性能需求。

天線機(jī)構(gòu)裝配精度最終指標(biāo)主要是指天線軸D的指向精度。軸的指向精度需要在裝配環(huán)節(jié)中重點(diǎn)保證軸、、安裝與運(yùn)行精度，為了保證軸系的裝配精度，采用容差匹配方法精密裝配天線機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)原理如圖2所示。

圖2 天線機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

天線機(jī)構(gòu)指向精度由、、三軸的角度誤差之和，如下式所示。

（1）

式中，軸裝配誤差為；軸裝配誤差為；軸裝配誤差為；軸傳動(dòng)誤差為；軸傳動(dòng)誤差為；軸傳動(dòng)誤差為。

天線機(jī)構(gòu)指向誤差，為天線機(jī)構(gòu)綜合矢量方向。由此得知裝配精度對(duì)天線指向精度影響較大，需要重點(diǎn)開(kāi)展裝配控制。

2.2 裝配技術(shù)難點(diǎn)分析

2.2.1 驅(qū)動(dòng)組件與結(jié)構(gòu)部裝精度調(diào)整與控制難點(diǎn)分析

空間軸系位姿檢測(cè)與調(diào)整分析：軸系輸出精度主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)精度、安裝精度組成，驅(qū)動(dòng)組件、固定支架、連桿組件等組成單個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，難點(diǎn)在于輸出軸系為空間運(yùn)動(dòng)軸系，需要對(duì)空間動(dòng)態(tài)軸系進(jìn)行精確采集并標(biāo)定。

裝配接口模擬設(shè)計(jì)與分析：由于整星需要高精度控制天線姿態(tài)位置，對(duì)天線運(yùn)行精度要求高。基于天線在衛(wèi)星上的裝配固定姿態(tài)，需要在地面精確模擬整星固定姿態(tài)位置，達(dá)到天線在整星上精度符合衛(wèi)星指標(biāo)需求。

2.2.2 多驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)串聯(lián)裝配精度控制難點(diǎn)分析

天線分為固定模塊、轉(zhuǎn)動(dòng)模塊，轉(zhuǎn)動(dòng)模塊由軸、軸、軸等組成，轉(zhuǎn)動(dòng)模塊組成為空間異形結(jié)構(gòu)，質(zhì)心不居中，在裝配時(shí)容易受重力作用產(chǎn)生偏載，對(duì)齊難度大。軸與連桿組件空間長(zhǎng)度大于1500mm以上，采用兩端法蘭連接，基于連桿組件大尺寸、低剛度、高精度的特征，軸、、受重力載荷直接作用至連桿組件上則會(huì)發(fā)生偏斜，因此需要對(duì)連桿組件另一側(cè)的軸、、進(jìn)行重力卸載，通過(guò)模擬空間微重力工況后再進(jìn)行軸與連桿組件之間的裝配調(diào)試與精度測(cè)量，降低地面重力、裝配應(yīng)力等參數(shù)引入到天線機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中的誤差。

2.2.3 高精度微重力模擬卸載難點(diǎn)分析

通過(guò)分析天線機(jī)構(gòu)存在組件多、精度高、構(gòu)型復(fù)雜等特點(diǎn)，可以采用微重力模擬卸載的方式有下端氣浮支撐法、上端懸吊法等[7]。該結(jié)構(gòu)為空間復(fù)雜三軸構(gòu)型，運(yùn)動(dòng)幅度大，機(jī)構(gòu)為剛性連接，要求卸載率高，需防止機(jī)構(gòu)受重力偏載損壞。重點(diǎn)分析其在天線機(jī)構(gòu)中可以應(yīng)用的幾種微重力模擬卸載方法，如表1所示。

表1 天線機(jī)構(gòu)微重力模擬卸載方法對(duì)比分析

3 裝配與試驗(yàn)技術(shù)方法

3.1 驅(qū)動(dòng)組件與結(jié)構(gòu)部裝精度控制

3.1.1 軸系安裝精度控制技術(shù)

一是軸線的精確標(biāo)定與測(cè)試。通過(guò)設(shè)計(jì)高精度衛(wèi)星模擬安裝平臺(tái)，采用設(shè)計(jì)裝配工藝基準(zhǔn)并通過(guò)動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法對(duì)軸系進(jìn)行空間動(dòng)態(tài)軸線標(biāo)定，并通過(guò)高精度光學(xué)元件對(duì)空間軸線進(jìn)行記錄，最后實(shí)現(xiàn)軸線的裝配與測(cè)量。

二是衛(wèi)星安裝接口工藝模擬設(shè)計(jì)與精度控制。由于整體方案是天線機(jī)構(gòu)在地面進(jìn)行集成裝配測(cè)試與試驗(yàn)后再裝星，工藝過(guò)程復(fù)雜。因此設(shè)計(jì)了高精度衛(wèi)星模擬裝置，同時(shí)工藝上對(duì)位置精度、孔位尺寸精度關(guān)鍵環(huán)節(jié)都進(jìn)行了等級(jí)提高處理，精度優(yōu)于0.01mm，避免在同樣設(shè)計(jì)接口精度時(shí)由于區(qū)間容差導(dǎo)致安裝干涉風(fēng)險(xiǎn)，確保天線機(jī)構(gòu)裝配至整星上裝配精度與效率。

3.1.2 接口模擬裝置設(shè)計(jì)與分析

圖3 在模擬衛(wèi)星裝配界面上天線安裝示意

根據(jù)天線在地面受到重力等載荷施加影響，通過(guò)分析在軸系方向與豎直方向不同時(shí)存在重力載荷對(duì)軸系偏載力矩的作用，導(dǎo)致軸系運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)徑向載荷加大，引入了地面額外載荷誤差。因此將模擬衛(wèi)星裝配界面的角度與軸支撐角度形成90°，通過(guò)天線展開(kāi)軸系的方向與豎直方向一致，天線與模擬衛(wèi)星裝配界面連接如圖3所示，天線安裝角度精度控制在0.008°以?xún)?nèi)。

3.2 多驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)串聯(lián)裝配精度控制

基于由軸、軸、軸組成轉(zhuǎn)動(dòng)模塊質(zhì)心分布不規(guī)則、安裝狀態(tài)不確定，為了克服空間異形轉(zhuǎn)動(dòng)模塊安裝精度控制難題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了微重力平衡卸載方法，如圖4所示，通過(guò)施加平衡載荷將轉(zhuǎn)動(dòng)模塊調(diào)節(jié)成水平狀態(tài)，水平度控制在0.01°以?xún)?nèi)，最后再進(jìn)行與軸對(duì)接安裝，實(shí)現(xiàn)水平穩(wěn)定安裝、連接精度可控。

圖4 動(dòng)態(tài)模塊微重力對(duì)接與裝配

通過(guò)空間結(jié)構(gòu)尺寸、裝配場(chǎng)地條件、精測(cè)設(shè)備布置等綜合工藝技術(shù)分析，提出了多點(diǎn)、分布式精密檢測(cè)方案。通過(guò)動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法獲得軸系空間位置，獲得軸系裝配調(diào)節(jié)參數(shù)，確保軸、軸平行度優(yōu)于0.015°。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

4.1 微重力展開(kāi)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與分析

基于天線機(jī)構(gòu)多自由度在軌展開(kāi)試驗(yàn)需求，開(kāi)展天線機(jī)構(gòu)模擬在軌展開(kāi)與指向運(yùn)動(dòng)微重力試驗(yàn)研究。

天線機(jī)構(gòu)展開(kāi)過(guò)程為平面三維運(yùn)動(dòng)軌跡，運(yùn)動(dòng)過(guò)程需要低摩擦、高跟隨地進(jìn)行卸載，重力矩平衡原理如下：

=1?1=2?2（2）

式中：——力矩，N?m；1——天線機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)模塊質(zhì)量，kg；2——平衡載荷質(zhì)量，kg；——重力加速度，m2/s；1——?jiǎng)討B(tài)模塊質(zhì)心與卸載吊點(diǎn)距離，m；2——平衡載荷質(zhì)心與卸載吊點(diǎn)距離，m。

根據(jù)天線機(jī)構(gòu)指向功能部分兩軸驅(qū)動(dòng)同時(shí)運(yùn)動(dòng)在水平、豎直方向上形成三維運(yùn)動(dòng)軌跡，運(yùn)動(dòng)較平面展開(kāi)運(yùn)動(dòng)更為復(fù)雜，為典型的三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)?；谠摲N微重力模擬卸載需求，采用可伸展、自適應(yīng)、二級(jí)串聯(lián)、吊掛式結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)模擬卸載，該種結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)兩軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分的質(zhì)心在、、的3個(gè)方向上同時(shí)變化時(shí)的卸載模擬需求，如圖5所示。最后實(shí)現(xiàn)對(duì)軸、軸進(jìn)行微重力卸載模擬，達(dá)到對(duì)天線機(jī)構(gòu)的微重力精確模擬，重力卸載率達(dá)到96.1%以上。

圖5 天線機(jī)構(gòu)三維展開(kāi)微重力模擬卸載

4.2 天線展開(kāi)試驗(yàn)精度測(cè)試與分析處理

天線機(jī)構(gòu)裝配后需經(jīng)展開(kāi)試驗(yàn)，驗(yàn)證裝配工藝可行性和指向精度的可達(dá)性。為了觀察天線運(yùn)動(dòng)過(guò)程的變化，設(shè)置了高精度水平檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)天線機(jī)構(gòu)展開(kāi)試驗(yàn)過(guò)程中的上下波動(dòng)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄，以獲得機(jī)構(gòu)的展開(kāi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

通過(guò)控制天線機(jī)構(gòu)重力卸載平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)天線機(jī)構(gòu)展開(kāi)過(guò)程中與豎直方向垂直精度優(yōu)于0.018°，滿(mǎn)足小波動(dòng)高精度展開(kāi)試驗(yàn)?zāi)康?，天線機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中上下波動(dòng)曲線如圖6所示。

圖6 天線機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度圖

采用4臺(tái)高精度光學(xué)測(cè)試設(shè)備檢測(cè)天線機(jī)構(gòu)指向精度，通過(guò)裝調(diào)優(yōu)化后指向精度優(yōu)于0.042°，實(shí)現(xiàn)天線機(jī)構(gòu)的高精度定位指向的裝配目標(biāo)。

天線展開(kāi)與收攏過(guò)程中在展開(kāi)角度80°水平波動(dòng)誤差最大相差0.011°，主要原因?yàn)轵?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)軸系在正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)存在一定的回差，以及微重力卸載吊掛系統(tǒng)累計(jì)誤差導(dǎo)致。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)高精度天線機(jī)構(gòu)裝配與試驗(yàn)方法研究，提出工藝技術(shù)方法，完成試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)天線機(jī)構(gòu)高精度指向功能，主要結(jié)論：

a. 通過(guò)對(duì)天線機(jī)構(gòu)精度影響因素分析，制定了多軸先分步后聯(lián)調(diào)的裝配工藝方案，解決了天線復(fù)雜裝配難題。

b. 設(shè)計(jì)軸系標(biāo)定和裝配模擬平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)單軸機(jī)構(gòu)豎直精度優(yōu)于0.01°，降低重力對(duì)天線機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸偏載作用，保證天線機(jī)構(gòu)調(diào)試精度，整機(jī)展開(kāi)軸線豎直精度優(yōu)于0.018°。

c. 通過(guò)裝配與試驗(yàn)工藝過(guò)程仿真分析，設(shè)計(jì)了水平在線檢測(cè)與控制工藝方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間軸線的精確記錄和實(shí)時(shí)采集，檢測(cè)精度優(yōu)于0.002°，有效指導(dǎo)和評(píng)估天線機(jī)構(gòu)展開(kāi)運(yùn)動(dòng)特性。

d. 對(duì)天線機(jī)構(gòu)的微重力模擬方法開(kāi)展了研究，設(shè)計(jì)低阻力、高跟隨、兩級(jí)復(fù)合吊掛式微重力模擬卸載方法，實(shí)現(xiàn)微重力高卸載率達(dá)到96.1%以上，天線機(jī)構(gòu)多次重復(fù)順利展開(kāi)，指向精度優(yōu)于0.042°，保證天線機(jī)構(gòu)高精度高可靠運(yùn)行。

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Precise Assembly and Test Technology of Space High-precision Antenna Multi-axis Mechanism

Zhao Benhua Zhang Bin Lv Dong Wang Qing Wang Lei Zhang Yue Wang Yan

(Beijing Spacecrafts, Beijing 100094)

The space high-precision antenna mechanism is accurately controlled through the series connection of three-level driving mechanisms. Aiming at the difficulties of high-precision assembly and accuracy integration of multiple drive mechanisms, many connection links, and high microgravity unloading rate, the coupling control adjusts the connection parameters of multiple drive mechanisms by decomposing the assembly accuracy error of the antenna mechanism, and adopts the digital assembly and adjustment method to control the driving mechanism. The installation position accuracy of the spatial axis of the drive mechanism is better than 0.01°. Through the hanging unloading method with low resistance and high follow-up, a two-stage series and two-degree-of-freedom microgravity simulation system is designed to simulate the space environment of the antenna mechanism. The high unloading rate is over 96.1%. The axis fluctuation error is controlled within 0.018°. Through the technical methods of single-stage drive mechanism installation precise control, space multi-axis precise adjustment and high-precision simulation unloading, the pointing accuracy of the antenna mechanism after three-axis assembly and debugging is better than 0.042°, which meets the index requirements of space high-precision communication and navigation positioning.

space antenna；driving mechanism；accurate assembly and control；microgravity deployment test

THl64

A

“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2019YFB1309604）。

趙本華（1985），高級(jí)工程師，機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)；研究方向：空間機(jī)構(gòu)制造技術(shù)。

2022-09-21