提高機械可動天線反射器組件裝配校準效率的方法

□ 劉 飛 □ 曹子振 □ 李 強 □ 姚敬鵬

天津航天機電設備研究所 天津 300458

1 研究背景

隨著我國航天事業的發展,現階段遙感衛星的數傳天線和中繼天線多采用星載機械可動天線。機械可動天線采用雙軸驅動機構,實現天線向地面站的指向,提高了星上數據傳輸的等效全向輻射功率[1-2]。與此同時,隨著衛星使用頻段的擴大,高精度反射器在遙感、氣象、通信和深空探測等衛星領域中開始得到廣泛的研究和應用[3-6]。

機械可動天線由反射器組件、展開機構、跟蹤機構、安裝板、鎖緊釋放裝置等組成,典型的機械可動天線結構如圖1所示[7]。

▲圖1 機械可動天線結構

由于目前機械可動天線需求數量多,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方法包括擬實裝配技術[8]、模塊化裝配技術、數字化裝配技術[9-10]等。機械可動天線的裝配校準采用高精度經緯儀測量,并對饋源組件和副反射器的安裝進行調整,以使位移和轉角滿足精度要求。筆者通過對機械可動天線反射器組件裝配校準過程進行分析,提出提高裝配校準效率的方法。

2 反射器組件概述

機械可動天線反射器組件由主反射器、副反射器、副反支撐桿、饋源組件構成。主反射器為高精度反射器,由反射面、加強筋、金屬預埋件等組成。反射面和加強筋均為碳纖維鋁蜂窩夾層結構,上下蒙皮采用對稱方式鋪層,金屬連接埋件預埋于反射面內[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。反射器組件的結構如圖2所示。

▲圖2 反射器組件結構

反射器組件的裝配校準包括副反射器安裝校準和饋源組件安裝校準,安裝校準時的參考坐標系為天線主反射器坐標系。在天線的研制過程中,為了保證天線的電性能指標,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系校準時,要求三個方向的轉角誤差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系校準時,要求三個方向的轉角誤差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時需要添加調整墊片進行調整。按照饋源組件和副反支撐桿的安裝方式,調整墊片可以設計為圓環形、長條形、圓墊片形和插片形,如圖3所示。調整墊片的厚度規格一般為0.05 mm、0.1 mm、0.2 mm、0.5 mm,根據實際情況采用不同形狀和厚度的調整墊片,可以提高裝配校準效率。

▲圖3 調整墊片

3 提高裝配校準效率的方法

反射器組件裝配校準時,采用四臺高精度經緯儀,建立測量系統。測量主反射器基準孔時,建立天線主反射器坐標系。測量副反射器基準孔時,建立副反射器坐標系。測量饋源組件基準孔時，建立饋源坐標系[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系下的轉角偏差、位移偏差[15]。反射器組件裝配校準測量如圖4所示,T1、T2、T3、T4為高精度經緯儀,Pi(i=1,2,…,11)為相關基準孔。

▲圖4 反射器組件裝配校準測量

副反射器通過副反支撐桿與主反射器連接。副反射器安裝校準時,需要通過在副反支撐桿兩側添加調整墊片進行調整。調整時需要反復拆裝支撐桿,比較煩瑣耗時,裝配校準效率低。饋源組件直接與主反射器相連,調整墊片只需要直接添加到連接處即可,裝配校準所需時間較短。可見,提高反射器組件的裝配校準效率,主要是提高副反射器的裝配校準效率。筆者提出兩種提高副反射器裝配校準效率的方法:一是對反射器組件的結構形式進行優化,二是采用工裝法進行裝配校準。

3.1 結構優化

目前的反射器組件根據副反支撐桿數量的不同,可以分為三支桿型和四支桿型,如圖5所示。圖5中坐標系為天線主反射器坐標系。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系成一個夾角,在裝配校準時不能直接得出調整墊片在副反支撐桿上的安裝位置,需要反復調試,裝配校準時間長。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系重合,在裝配校準時可以根據轉角和位置偏差,直接得出需要添加調整墊片的位置和數量。因此,四支桿型反射器組件比三支桿型裝配校準容易,所需裝配校準時間短。

對于沿主反射器圓周連接的副反支撐桿,添加調整墊片時,與天線主反射器坐標系的X軸或者Y軸平行,裝配校準容易,所需時間短,主要校準dx和dy。對于沿主反射器內部連接的副反支撐桿,添加調整墊片時,與天線主反射器坐標系成夾角狀態,裝配校準較復雜,且容易產生裝配應力,主要校準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,添加調整墊片時均與天線主反射器坐標軸平行。沿副反射器圓周連接時,主要校準dx、dy。沿副反射器上部連接時,主要校準dz、Rx、Ry。

反射器組件的構型與連接形式對裝配校準效率的影響見表1。

表1 反射器組件構型與連接形式對裝配校準效率的影響

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部連接裝配校準容易,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。可見,最優的反射器組件結構形式為四支桿型、沿主反射器圓周連接、沿副反射器上部連接。另一方面,為了調整Rz,增大其它轉角和位移的調整量,在副反支撐桿的兩端連接處增加調節環,調節環中間為U形孔,可以調節直徑為4.5 mm圓環內的區域,增大轉角和位移調整量,方便裝調測試,能較大地提高裝配校準效率。調節環結構形式如圖8所示,優化后的反射器組件結構如圖9所示。

▲圖8 調節環結構形式

▲圖9 優化后反射器組件結構

3.2 工裝法

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

所設計的副反射器裝配校準調試工裝如圖10所示,由連接盤、支座、調整墊片、調整螺釘、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整螺釘和調整墊片進行連接。

▲圖10 副反射器裝配校準調試工裝

采用工裝法進行裝配校準的過程如圖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;采用高精度經緯儀建立測量系統,測試主反射器基準點和副反射器基準點,對副反射器進行校準;可以在連接盤和支座之間添加調整墊片,進而滿足轉角和位移精度要求。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,拆除校準調試工裝。

▲圖11 工裝法裝配校準過程

4 結束語

筆者對現有機械可動天線反射器組件的結構形式進行分析和優化,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系坐標軸方向一致。同時對副反支撐桿兩端連接方式進行優化,使連接處調整墊片添加的方向也與天線主反射器坐標系坐標軸方向一致。增加調節環,加大調整余量,通過反射器組件結構優化,較大地提高了裝配校準效率。對不方便進行結構優化的副反射器組件,采用工裝法進行裝配校準。利用工裝先將副反射器校準到滿足精度要求,再安裝副反支撐桿,避免支撐桿的反復拆卸裝配,極大提高了裝配校準效率。以上兩種方法可以單獨使用,也可以組合使用,在實際工程應用中,均能較好地提高機械可動天線反射器組件裝配校準效率。