衛(wèi)星大部件二維轉(zhuǎn)臺(tái)裝配工藝方法

董自瑞，季紅俠，馬 赫，楊 寶，周 誠(chéng)

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 201109）

0 引言

衛(wèi)星二維轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)作為空間三維活動(dòng)部件載荷能夠?qū)崿F(xiàn)在軌相機(jī)跟蹤指向功能，一般安裝于衛(wèi)星層板，在發(fā)射狀態(tài)收攏壓緊，在軌后解鎖，進(jìn)行地面目標(biāo)觀察任務(wù)。二維轉(zhuǎn)臺(tái)地面機(jī)械安裝精度由于安裝接口重力變形影響、在軌后無(wú)重力狀態(tài)變形釋放等因素，將嚴(yán)重影響衛(wèi)星二維轉(zhuǎn)臺(tái)初始指向精度［1-3］，給衛(wèi)星在軌任務(wù)帶來(lái)挑戰(zhàn)。在衛(wèi)星層板接口機(jī)械加工階段通過(guò)精測(cè)、模擬件實(shí)驗(yàn)分析二維轉(zhuǎn)臺(tái)變形余量，確定衛(wèi)星層板機(jī)械加工公差，保證空載、滿載狀態(tài)二維轉(zhuǎn)臺(tái)安裝機(jī)械接口均滿足指標(biāo)要求。在二維轉(zhuǎn)臺(tái)與衛(wèi)星裝配階段采用卸載裝配方式，并實(shí)測(cè)卸載前后安裝面精度，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星二維轉(zhuǎn)臺(tái)地面重力、卸載狀態(tài)初始指向精度均滿足設(shè)計(jì)要求，衛(wèi)星二維轉(zhuǎn)臺(tái)已經(jīng)在軌成功應(yīng)用。國(guó)內(nèi)關(guān)于二維轉(zhuǎn)臺(tái)研究，多聚焦于產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［4-6］和精度保證［7-8］，衛(wèi)星大部件載荷裝配工藝研究［9-10］以非活動(dòng)部件相機(jī)為主，大型活動(dòng)部件載荷現(xiàn)有裝配工藝多采用吊掛、氣浮等方式進(jìn)行活動(dòng)部件重力卸載、展開(kāi)，待活動(dòng)部件組件級(jí)展開(kāi)鎖定后，進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整，連接活動(dòng)部件與衛(wèi)星機(jī)械接口連接［11-13］。本文通過(guò)實(shí)測(cè)衛(wèi)星二維轉(zhuǎn)臺(tái)安裝層板空載、滿載接口變化，進(jìn)行接口加工、轉(zhuǎn)臺(tái)卸載裝配，保證二維轉(zhuǎn)臺(tái)地面、在軌初始安裝精度均滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)大型活動(dòng)部件載荷星上裝配具有一定參考意義。

1 二維轉(zhuǎn)臺(tái)組成及裝星形式

二維轉(zhuǎn)臺(tái)主要有由二維轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)（方位軸和俯仰軸）、相機(jī)以及壓緊點(diǎn)解鎖器等部分組成，相機(jī)重約90 kg，轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)重約45 kg，如圖1 所示。轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)9 個(gè)解鎖器收攏壓緊，其中6#～9#壓緊點(diǎn)與衛(wèi)星層板連接，1#、2#壓緊點(diǎn)與星上支架連接，3#～5#壓緊點(diǎn)為轉(zhuǎn)臺(tái)相機(jī)與機(jī)構(gòu)內(nèi)部連接。在地面及在軌初始狀態(tài)鎖定，在軌后實(shí)現(xiàn)解鎖功能，解鎖后，轉(zhuǎn)臺(tái)具備方位軸和俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)功能。二維轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)方位軸法蘭與星體中層板預(yù)留接口螺釘機(jī)械連接，收攏壓緊狀態(tài)解鎖器通過(guò)螺釘安裝載星上壓緊支架和二維轉(zhuǎn)臺(tái)支架上，如圖2所示。

圖1 二維轉(zhuǎn)臺(tái)組成布局Fig.1 Composition layout of the 2D turntable

圖2 二維轉(zhuǎn)臺(tái)裝星接口Fig.2 Schematic diagram of the satellite installation interface on the 2D turntable

2 轉(zhuǎn)臺(tái)星上接口組合加工工藝方法

二維轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在衛(wèi)星中層板上，質(zhì)量約135 kg，且轉(zhuǎn)臺(tái)底部壓緊點(diǎn)部分懸伸至星外，考慮產(chǎn)品安裝后衛(wèi)星層板安裝面的形變，在轉(zhuǎn)臺(tái)安裝面組合加工時(shí)進(jìn)行了模擬加載試驗(yàn)，確定組合加工余量。試驗(yàn)具體流程如圖3 所示。

圖3 二維轉(zhuǎn)臺(tái)星上接口組合加工工藝流程Fig.3 Combined processing process flow of the 2D turntable on-board interface

2.1 安裝面組粗加工、精測(cè)

衛(wèi)星二維轉(zhuǎn)臺(tái)安裝面在整星結(jié)構(gòu)裝配階段采用GM2140X40 衛(wèi)星精密修整設(shè)備進(jìn)行組合加工，加工時(shí)保證轉(zhuǎn)臺(tái)法蘭及壓緊點(diǎn)組合平面度。組合面粗加工后，對(duì)星上轉(zhuǎn)臺(tái)安裝面基準(zhǔn)（圖2）標(biāo)記，并用激光跟蹤儀測(cè)量加載前標(biāo)記點(diǎn)Z向坐標(biāo)即測(cè)量點(diǎn)組合平面度，見(jiàn)表1。

2.2 加載模擬件試驗(yàn)

通過(guò)行車將二維轉(zhuǎn)臺(tái)模擬件（135 kg 配重）安裝在衛(wèi)星組合光出后的安裝面上，且吊帶處于松弛狀態(tài)，如圖4 所示。二維轉(zhuǎn)臺(tái)模擬件裝星加載后，通過(guò)激光跟蹤儀測(cè)量加載后標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)及測(cè)量點(diǎn)組合平面度，見(jiàn)表2。靜置4 h 后，通過(guò)行車將模擬件從星上拆除，并用激光跟蹤儀測(cè)量卸載后標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)及測(cè)量點(diǎn)組合平面度，見(jiàn)表3。

表2 激光跟蹤儀測(cè)量加載后標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)及測(cè)量點(diǎn)組合平面度Tab.2 Coordinates of the marked points after loading and the combined flatness of the measuring points obtained by the laser tracker

表3 激光跟蹤儀測(cè)量卸載后標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)及測(cè)量點(diǎn)組合平面度Tab.3 Coordinates of the marked points after unloading and the combined flatness of the measuring points obtained by the laser tracker

圖4 二維轉(zhuǎn)臺(tái)模擬加載及精測(cè)圖Fig.4 2D turntable simulation loading and precise measuring mapping

2.3 確定組合加工余量

通過(guò)模擬載荷加載前后測(cè)量點(diǎn)形變量，見(jiàn)表4，最大變形量為0.1 mm。二維轉(zhuǎn)臺(tái)在加載前、加載配重拆除后，二維轉(zhuǎn)臺(tái)安裝面標(biāo)記點(diǎn)精測(cè)數(shù)據(jù)一致，二維轉(zhuǎn)臺(tái)安裝后層板變形影響，轉(zhuǎn)臺(tái)安裝面至轉(zhuǎn)臺(tái)壓緊點(diǎn)支架上表面距離按照下偏差加工，加工后距離實(shí)測(cè)為679.03 mm，保證二維轉(zhuǎn)臺(tái)裝配后卸載前后精度均滿足要求，如圖5 所示。

表4 加載前后c 形變量Tab.4 Deformations of a measuring point before and after loading

圖5 轉(zhuǎn)臺(tái)壓緊點(diǎn)組合加工尺寸Fig.5 Schematic diagram of the combined machining dimensions of a turntable clamping point

3 二維轉(zhuǎn)臺(tái)裝星工藝

3.1 轉(zhuǎn)臺(tái)受力分析

二維轉(zhuǎn)臺(tái)重力狀態(tài)豎直停放，在重力作用下，通過(guò)約束底部支架，進(jìn)行二維轉(zhuǎn)臺(tái)本身受力分析，其變形結(jié)果如圖6 所示，二維轉(zhuǎn)臺(tái)與衛(wèi)星安裝接口處變形在0.003 2 mm 左右，星上安裝層板安裝在模擬件加載前后變形0.10 mm 左右（表4），通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)層板變形較大，因此在重力場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)臺(tái)與裝星裝配需要采用重力卸載，然后在進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)與衛(wèi)星底部收攏壓緊。

圖6 二維轉(zhuǎn)臺(tái)及機(jī)構(gòu)受力分析Fig.6 Stress analysis diagram of the 2D turntable and mechanism

3.2 二維轉(zhuǎn)臺(tái)裝星工藝

二維轉(zhuǎn)臺(tái)裝星在不卸載狀態(tài)下裝星壓緊，存在底板變形和壓緊點(diǎn)間隙現(xiàn)象，收攏壓緊后地面重力狀態(tài)下解鎖器不受預(yù)緊力影響，在軌解鎖前，解鎖器會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)臺(tái)安裝層板重力消除變形回復(fù)帶來(lái)非解鎖方向切向力，因此，需要在卸載狀態(tài)下進(jìn)二維轉(zhuǎn)臺(tái)裝星壓緊。

3.2.1 裝星姿態(tài)調(diào)平

衛(wèi)星在狀態(tài)總裝階段，進(jìn)行二維轉(zhuǎn)臺(tái)組合體裝星前，需進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)安裝面整體水平度調(diào)整，利用激光跟蹤儀將轉(zhuǎn)臺(tái)安裝面與大地水平度夾角調(diào)整在0.01°范圍內(nèi)，保證轉(zhuǎn)臺(tái)安裝接口不受重力影響。

3.2.2 二維轉(zhuǎn)臺(tái)裝星卸載工裝

如圖7 所示，轉(zhuǎn)臺(tái)卸載裝星工裝主要有裝星框、彈性繩、十字吊具、吊帶、電子拉力稱組成，其中裝星框主要由主、從動(dòng)軸側(cè)框、相機(jī)側(cè)框1、相機(jī)側(cè)框2和吊具連接件組成。

圖7 二維轉(zhuǎn)臺(tái)裝星后卸載工裝Fig.7 Schematic diagram of the 2D turntable unloading tooling after loading stars

裝星卸載時(shí)，將裝星框安裝在二維狀態(tài)預(yù)留的工裝接口處，然后將吊具連接件安裝至裝星框，行車通過(guò)吊帶連接電子拉力稱，下方通過(guò)吊帶與十字吊具連接，十字吊具通過(guò)彈性繩與裝星框吊具連接件連，在行車點(diǎn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行卸載，當(dāng)電子拉力稱示數(shù)為轉(zhuǎn)臺(tái)重力時(shí)，靜置1 h 觀察電子稱示數(shù)有無(wú)變化。

3.2.3 二維轉(zhuǎn)臺(tái)裝星卸載

二維轉(zhuǎn)臺(tái)收攏壓緊前用激光跟蹤儀進(jìn)行壓緊點(diǎn)組合加工面平面度測(cè)量，通過(guò)解鎖器墊片調(diào)整，安裝二維轉(zhuǎn)臺(tái)解鎖器，拆除卸載工裝后，進(jìn)行壓緊點(diǎn)安裝面精測(cè)。通過(guò)二維轉(zhuǎn)臺(tái)卸載后收攏壓緊，實(shí)現(xiàn)在卸載狀態(tài)下裝星精度在，收攏壓緊后拆除卸載工裝，裝星精度在，即重力狀態(tài)和在軌未解鎖狀態(tài)均滿足，保證了二維轉(zhuǎn)臺(tái)與衛(wèi)星裝配精度，見(jiàn)表5。

表5 裝星卸載前后測(cè)量點(diǎn)精測(cè)數(shù)據(jù)Tab.5 Precise measurement data of the measuring points before and after loading and unloading

4 結(jié)束語(yǔ)

在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)裝配加工過(guò)程，通過(guò)模擬加載試驗(yàn)實(shí)測(cè)安裝接口變形確定機(jī)械加工方法合理，去除星上層板因大部件二維轉(zhuǎn)臺(tái)安裝后重力變形帶來(lái)初始精度超差影響。通過(guò)受力分析，采用卸載裝配完成了二維轉(zhuǎn)臺(tái)與衛(wèi)星裝配，實(shí)測(cè)卸載前后衛(wèi)星接口處變形量，驗(yàn)證并實(shí)現(xiàn)了地面重力狀態(tài)、卸載狀態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)初始指向精度均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。解決了二維轉(zhuǎn)臺(tái)與衛(wèi)星裝配地面重力狀態(tài)、在軌零重力狀態(tài)初始指向精度一致性問(wèn)題。在衛(wèi)星總裝AIT 過(guò)程中對(duì)初始指向精度大部件載荷與衛(wèi)星裝配具有很高的參考、推廣價(jià)值。