逆向裝配工藝方法在航天器機構裝配中的應用

戴廣永 馮利明 李曉峰 孟慶昕 焦云雷

逆向裝配工藝方法在航天器機構裝配中的應用

戴廣永 馮利明 李曉峰 孟慶昕 焦云雷

（天津航天機電設備研究所，天津 300458）

著陸器轉(zhuǎn)移機構是實現(xiàn)巡視探測器從著陸器向月面轉(zhuǎn)移的重要機構。介紹了在轉(zhuǎn)移機構總裝過程中，通過采用逆向裝配的工藝方法解決了產(chǎn)品結構設計復雜、裝配操作難度大、裝配精度不易保證等問題，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)移機構的精密裝配，保證了裝配關鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量，積累了豐富的裝配經(jīng)驗，形成了穩(wěn)定成熟的裝配裝調(diào)方法。

逆向裝配；轉(zhuǎn)移機構；總裝技術；裝調(diào)方法

1 引言

轉(zhuǎn)移機構是實現(xiàn)月球巡視探測器從著陸器向月面轉(zhuǎn)移的重要裝置。其功能是：在發(fā)射和飛行時，通過壓緊釋放機構將懸梯收攏壓緊在著陸器的+Z板上；穩(wěn)定著陸后，在展開鉸鏈及聯(lián)動機構的驅(qū)動下懸梯展開并鎖定；巡視探測器自行行駛到轉(zhuǎn)移機構的懸梯上，緩釋機構電機工作并緩慢釋放轉(zhuǎn)移四連桿機構，轉(zhuǎn)移四連桿機構在巡視探測器重力以及緩釋機構電機的共同作用下轉(zhuǎn)動，并將懸梯下放至與月球接觸并貼覆，巡視器自主駛向月面。轉(zhuǎn)移機構主要由四連桿機構、懸梯組件、緩釋機構、展開鉸鏈、展開聯(lián)動機構、角位移傳感器、助推彈簧、壓緊釋放機構等組成。

機構在裝配過程中面臨著產(chǎn)品外形大、展開鎖定鉸鏈軸孔同軸度高且無測量基準、“∞形固定端套”壓接量化難、大角度展開機構隨動電纜布線復雜、壓緊釋放機構加載空間小、聯(lián)動繩裝夾測量控制難等裝配工藝技術難題。

2 主要技術指標及難點分析

轉(zhuǎn)移機構裝配主要技術指標有：a.單側(cè)懸梯上2個展開鎖定鉸鏈同軸度0.05mm，展開鎖定精度≤±0.05°；b.展開鉸鏈的轉(zhuǎn)動軸線與內(nèi)懸梯組件根部轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線之間的距離滿足(491.5±0.05)mm；c.緩釋機構裝配中保證鋼絲繩端部固定套和中間部位限位塊的拉脫力不小于1000N；d.展開聯(lián)動裝置的裝配中保證聯(lián)動鋼絲繩端部固定端套的拉脫力不小于1500N。

難點之一是保證懸梯上跨距150mm的2個展開鎖定鉸鏈同軸度0.05mm。在鉸鏈完成裝配后，只有直接測量鉸鏈軸線材料保證2個鉸鏈的同軸度要求，但軸的可見端為螺紋且很短，無法找到合適的基準點，要求達到0.05mm的同軸度成為裝調(diào)難點。

難點之二是聯(lián)動裝置影響長短懸梯展開功能和同步性，是保證懸梯順利展開的關鍵部件。聯(lián)動張力控制不準確使懸梯展開時與著陸腿發(fā)生卡死現(xiàn)象。聯(lián)動鋼絲繩張力的測量和一致性成為裝調(diào)技術難點。

難點之三是保證不銹鋼固定端套的夾緊力分別不小于1000N和1500N。在轉(zhuǎn)移機構中驅(qū)動組件依靠電機纏繞鋼絲繩實現(xiàn)轉(zhuǎn)移功能，鋼絲繩端部的固定成為關鍵點，結構上采用固定端套壓緊鋼絲繩固定形式，無法量化，不能現(xiàn)場測試，缺乏可操作性。用裝調(diào)方法保證固定端套的夾緊力成為裝調(diào)難題。

3 關鍵部件的結構特點和裝調(diào)技術

3.1 展開鎖定鉸鏈同軸度逆向裝調(diào)技術

3.1.1 展開鎖定鉸鏈的結構特點

轉(zhuǎn)移機構懸梯依靠兩個展開鉸鏈實現(xiàn)展開及鎖定，兩個展開鉸鏈配對使用。展開鉸鏈由公鉸、母鉸、平面渦卷彈簧、軸、拉桿等零件組成，展開鉸鏈是將長懸梯與短懸梯連接，由平面渦卷彈簧提供展開驅(qū)動力，使折疊的長短懸梯按一定速度展開并連接為剛性一體。其中平面渦卷彈簧為關鍵零件，材料為鈹青銅合金，屬于難加工材料。展開鎖定精度≤±0.05°。裝配要求跨距150mm的2個展開鎖定鉸鏈同軸度0.05mm。鉸鏈完成裝配后，只有1mm螺紋轉(zhuǎn)軸端作為測量面，無法測量。

3.1.2 改進設計結構、提高裝調(diào)性

轉(zhuǎn)移機構前期裝配過程中發(fā)現(xiàn)內(nèi)外懸梯與展開鎖定裝配后，在輕微力的作用下解鎖，無法達到展開鎖定精度≤±0.05°的指標要求。可靠鎖定成為設計的關鍵環(huán)節(jié)。將展開鉸鏈中滾動套鎖定部分重新設計為一體件，變滾動摩擦為滑動摩擦，經(jīng)過試驗，解鎖力增大，設計可靠度提高1.5倍，展開鎖定精度0.01°完全滿足設計指標要求。

展開鎖定鉸鏈在初始設計階段結構為雙側(cè)Z字形支架式結構，如圖1所示。Z字形支架式結構在單個鉸鏈中難以達到同軸，使鉸鏈在工作中受力不均勻，存在安全隱患，更不能在裝配中滿足跨距150mm的2個展開鎖定鉸鏈同軸度0.05mm。改用雙側(cè)軸套式長軸結構，如圖2所示，代替以往單側(cè)軸套式短軸結構。其機構優(yōu)缺點如表1所示。通過結構改進，提高了鉸鏈的同軸度指標可達性，降低了裝調(diào)難度，提高了機構工作可靠性。

圖1 驅(qū)動彈簧雙側(cè)Z字形支架式結構圖

圖2 驅(qū)動彈簧雙側(cè)軸套式長軸結構圖

表1 驅(qū)動彈簧固定結構改進前后優(yōu)缺點比較表

3.1.3 通過改進測量、裝調(diào)方法解決鉸鏈同軸裝配難點

在初始設計階段，設計指標為4鉸鏈同軸，裝配時要保證并行四連桿機構同步轉(zhuǎn)動且4個展開鎖定鉸鏈軸同軸度為0.05mm。2個展開鉸鏈跨距150mm，4個展開鉸鏈跨距1090mm，在如此大跨距下要保證4個展開鉸鏈的同軸度裝配指標難度較大（通過計算鉸鏈軸線在、方向最大偏差為0.022mm）。經(jīng)分析，采用基準轉(zhuǎn)移法以及分步調(diào)整的方式可達到4個展開鉸鏈同軸度0.05mm的要求。

第一步，將展開鉸鏈的軸線基準轉(zhuǎn)移到展開鉸鏈安裝面，通過設計工裝，測量并調(diào)整軸線與工裝底面的距離，2個展開鉸鏈的同軸度滿足要求，如圖3所示。用同樣的方法調(diào)整另2個鉸鏈的同軸度。然后按編號將展開鎖定鉸鏈裝配，如圖4所示。

圖3 鉸鏈的軸線基準轉(zhuǎn)移到安裝面

圖4 已裝配的2個同軸展開鎖定鉸鏈

第二步，設計整體調(diào)整工裝，鉸鏈組安裝面跨距1090mm，且要求鉸鏈安裝面和測量基準面的平面度優(yōu)于0.01mm。用整體工裝將2組調(diào)好同軸度的展開鎖定鉸鏈固定，測量2個鉸鏈組同軸工裝基準面到整體工裝的、基準面距離在0.03mm范圍之內(nèi)，在工裝上配打定位銷孔，定位后裝配內(nèi)外懸梯與展開鎖定鉸鏈（見圖5），從而保證4個展開鎖定鉸鏈同軸度0.05mm。

圖5 調(diào)整4個展開鎖定鉸鏈的同軸度

通過以上方法，圓滿解決了轉(zhuǎn)移機構4個展開鎖定鉸鏈在跨距1090mm時同軸度0.05mm的裝配難點。

在研制階段中期，結構設計改進為獨立展開并能呈異面的懸梯組件，將4鉸鏈同軸優(yōu)化為2鉸鏈同軸，但技術指標同樣是保證2個鉸鏈同軸度0.05mm，裝配裝調(diào)同樣調(diào)整優(yōu)化為“二維基準測量理論計算法”[1，2]，即：在零件制造階段，記錄每個零件轉(zhuǎn)軸與基準面的精確尺寸，設計高精度裝調(diào)工裝，在鉸鏈鎖定狀態(tài)下固定鉸鏈位置，并提供測量基準面，在裝配過程中通過現(xiàn)場測量尺寸與制造過程尺寸相加，得出轉(zhuǎn)軸與基準面的實測距離，然后計算獲得同軸度值[3]。具體裝調(diào)方法：將配對的展開鉸鏈安裝在調(diào)整工裝上，測量鉸鏈基準面與工裝的基準面之間的距離值（、值在加工過程精測，裝配時提供數(shù)據(jù)），通過公式=2×{((1+1)-(2+2))2+(1-2)2}0.5可計算得出同軸度值[4]，調(diào)整方法示意如圖6所示。

圖6 采用二維基準測量理論計算法調(diào)整2個展開鎖定鉸鏈的同軸度示意圖

3.2 聯(lián)動機構繩索張力控制裝調(diào)技術

3.2.1 聯(lián)動機構的結構特點

聯(lián)動裝置是保證懸梯順利展開的關鍵部件，影響長短懸梯展開的同步性、避障性。其作用是利用繩定長原理，驅(qū)動聯(lián)動輪旋轉(zhuǎn)。在短懸梯展開過程中使長懸梯同時做展開運動，避免短懸梯先展開，長懸梯后展開，且長懸梯后展開時會與著陸腿發(fā)生卡死現(xiàn)象。由于繩長為491mm，緊貼短懸梯組件，測量空間小，聯(lián)動時間較短，保證聯(lián)動鋼絲繩的張力不變成為裝調(diào)技術難點。聯(lián)動裝置結構圖如圖7所示。

圖7 聯(lián)動裝置結構圖

3.2.2 采用預拉繩索裝調(diào)微距測量裝調(diào)技術

保證聯(lián)動繩索的張力經(jīng)過時間變化后張力穩(wěn)定不變，需采取下列措施。首先應保證鋼絲繩在一定的作用力下沒有蠕變。因此，在鋼絲繩使用前，用“配重旋吊法”消除鋼絲繩制造中的殘余應力，使鋼絲繩的張力穩(wěn)定一致，這是關鍵控制環(huán)節(jié)。其次，在聯(lián)動機構中增加張力微調(diào)裝置，對理論定長的鋼絲繩微調(diào)預緊，使鋼絲繩具有一定的張力。固定鋼絲繩固定端套壓接位置精度也是一個關鍵點。再次，裝調(diào)后由于空間小，常規(guī)測量方法不能準確測量鋼絲繩張力，為獲得準確張力精度，定制專用測試設備，通過對此類型和長度的鋼絲繩做標定，獲得準確的測試精度，從而解決聯(lián)動繩索測試問題。最后，采用GD414硅橡膠對鋼絲繩固定端做防松處理，這樣經(jīng)多次展開收攏試驗后，鋼絲繩的張力仍能滿足設計要求。此裝調(diào)方法簡單可行、效果顯著。

3.3 不銹鋼“圓柱形固定端套”和“∞形固定端套”壓接量化控制和測試裝調(diào)技術

圖8 固定端套使用部位圖

在轉(zhuǎn)移機構的聯(lián)動裝置和緩沖釋放機構中，鋼絲繩端部采用不銹鋼“圓固定端套”和“∞形固定端套”擠壓夾緊鋼絲繩的緊固方式（使用部位如圖8所示，固定端套示意圖如圖9、圖10所示），裝調(diào)難點為“∞形固定端套”不易壓接，可操作性差并且壓接力需要穩(wěn)定和可測量、量化。

圖9 固定端套A結構圖

圖10 固定端套B結構圖

固定端套的壓接方法有“軸向壓接法”和“徑向壓接法”[5]。軸向壓接法需設計軸套式端部擠壓工裝，在壓力機上完成壓接。徑向壓接法需設計半圓式圓柱面擠壓工裝，用小型壓力鉗完成壓接。轉(zhuǎn)移機構外形較大，且裝配裝調(diào)流程為先裝配聯(lián)動裝置和緩沖釋放機構，調(diào)整聯(lián)動鋼絲繩和緩沖釋放鋼絲繩長度符合要求后再進行固定端套的壓接，要求壓接裝調(diào)方便、合理、可靠，壓接程度可量化，故采用“徑向壓接法”。

首先，便攜式柱銷徑向壓接裝置通過改造液壓鉗式設備并結合專用半圓式圓柱面擠壓工裝的設計，實現(xiàn)簡單、可靠的壓接操作。其次，通過理論計算固定端套和“∞形固定端套”的壓縮量并與試驗相結合，確定了壓縮量及壓接工裝尺寸，壓接時通過測量鉗口間距和固定端套端部伸長量控制固定端套夾緊力的大小，實測數(shù)據(jù)見表2。另外，通過夾緊力測試裝置對壓接后的產(chǎn)品進行拉伸測試，觀察拉伸過程中是否產(chǎn)生拉力突變以驗證夾緊力是否滿足要求（測量裝置如圖11所示），解決了不銹鋼“圓固定端套”和“∞形固定端套”壓接力不易測試、無量化的技術難點。

表2 固定端套夾緊力量化數(shù)據(jù)表 mm

圖11 柱銷拉脫力測試裝置組成

4 結束語

通過分析轉(zhuǎn)移機構總裝過程中關鍵部件的特點和難點，在吃透設計和工藝意圖的前提下，結合自身裝配經(jīng)驗，合理采用不同的裝調(diào)方法和裝調(diào)質(zhì)量控制技術，解決了零件結構設計復雜、裝配操作難度大、裝配精度不易保證等問題，保證了裝配關鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量。探月工程著陸器的轉(zhuǎn)移機構中關鍵件精度不僅達到了設計要求，而且保證了產(chǎn)品的可靠性，使轉(zhuǎn)移機構順利完成展開和轉(zhuǎn)移任務。

1 李春書，崔根群，李迅，等.產(chǎn)品裝配順序規(guī)劃方法的研究[J]. 機械設計，2002(19)：9～12

2 王文奎. 偶件的配合精度和裝配方法設計[J]. 紹興文理學院學報（自然科學版），2002，22(10)：52～54

3 金天國，劉文劍，柏合民，等. 組合夾具裝配中零件尺寸及裝配位置的確定方法[J]. 中國機械工程，2002，13(11)：31～34

4 王先逵. 機械制造工藝學[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2015

5 焦云雷，郭晨亮，楊濤. 一種繩索的金屬端套徑向夾緊及量化測試工藝技術[J]. 航天制造技術，2016(1)：42～45

Application of Reverse Assembly Process Method in Spacecraft Mechanism

Dai Guangyong Feng Liming Li Xiaofeng Meng Qingxin Jiao Yunlei

(Tianjin Aerospace Institute of Electrical and Mechanical Equipment, Tianjin 300458)

The lander transfer mechanism is an important mechanism to realize the transfer of the lunar patrol probe from the lander to the lunar surface. The paper mainly introduces that in the final assembly process of the transfer mechanism, the use of reverse assembly process method solves the problems of complex product structure design, difficult assembly operations, and difficulty in ensuring assembly accuracy, realizes the precise assembly of the transfer mechanism, and ensures the quality of the key links of assembly. Through this method, rich assembly experience has been accumulated, and a stable and mature assembly method has been formed.

reverse assembly；transfer mechanism；final assembly technology；assembly method

戴廣永（1987），工程師，機械電子工程專業(yè)；研究方向：航天器機構精密制造及裝配工藝設計。

2020-07-20