微型展開鉸鏈的蝸卷彈簧盲區裝配操作方法

李曉峰 焦云雷 郭晨亮 孟慶昕 許江濤 盆洪民

微型展開鉸鏈的蝸卷彈簧盲區裝配操作方法

李曉峰 焦云雷 郭晨亮 孟慶昕 許江濤 盆洪民

（天津航天機電設備研究所，天津 300458）

針對某衛星大型網狀雷達天線微型展開鉸鏈裝配過程存在的盲區操作特點，總結出一種采用觸覺與聽覺感知的微型展開鉸鏈蝸卷彈簧盲區裝配操作方法.該方法通過制作工裝輔助，感知螺釘與蝸卷彈簧卡位時力矩變化和聽到卡位聲音感知，實現蝸卷彈簧與螺釘正確裝配；借助無損檢測方法實現鉸鏈的蝸卷彈簧產品裝配關系驗證，確保鉸鏈合格率及可靠度。在某導航衛星上大型網狀雷達天線的展開機構裝配中成功應用。結果表明，此裝配方法能有效降低螺釘裝配不到位錯誤，顯著提高盲區裝配作業的效率，極大提高產品裝配合格率和鉸鏈產品的可靠度。

展開鉸鏈；蝸卷彈簧；盲區裝配操作；聲音感知

1 引言

隨著航天技術的發展，構架式空間可展開天線是一種由多基本單元組合而成的大型桁架結構，具有大尺度，收納比高，超柔性的機、電、熱復雜系統[1]。雷達天線在衛星發射階段處于收攏狀態；衛星入軌后，解除鎖定裝置，展開機構通過彈簧驅動的展開鉸鏈實現慢速驅動天線展開。彈簧驅動的展開機構已廣泛應用于驅動衛星、構架式可展開天線、環形桁架式可展開天線等采用不同形式曲面支撐展開機構的天線，已應用于我國環境C衛星及北斗導航工程[2，3]。構架式可展開天線單元內部及單元之間通過彈簧、展開鉸鏈、支架等方式連接，收攏狀態彈簧儲存能量，當反射器鎖定裝置解鎖，彈簧釋放能量驅動鉸鏈運動反射器展開[4]。展開鉸鏈是連接很多空間折展機構的重要部件，同時具備可動連接、展開、鎖定功能，已被廣泛應用于太陽翼、大型天線、大型空間支撐臂、可展桁架等航天領域[5]。如果展開機構運動出現卡滯或失去驅動力矩，可導致天線展開任務失敗。因此展開鉸鏈裝配是關鍵環節，產品的可裝配性和裝配質量直接影響展開機構使用功能[6]。

介紹了一種微型展開鉸鏈的蝸卷彈簧盲區裝配操作方法，解決了展開機構的展開鉸鏈的裝配過程中盲區手工裝配操作造成產品不合格問題。由于裝配位置在封閉空間內，裝配操作人員的視線受阻，無法看到待裝配零件的實時狀態，從觸覺和聽覺的角度提出了裝配操作實施方法，并對其進行了實際裝配操作驗證，通過工業CT儀器的檢測，驗證該裝配操作方法的可行性和正確性。對提高展開鉸鏈裝配生產效率、準確率和可靠性具有重要意義。

2 展開鉸鏈構造及裝配難點

2.1 展開鉸鏈構造

展開鉸鏈由鉸鏈本體、同步齒輪、蝸卷彈簧、鉸鏈軸、蝸簧螺釘等組成。其工作原理是蝸卷彈簧內圈楔形槽與蝸簧螺釘的螺釘頭部鉤住固定不動，蝸卷彈簧外圈通過螺釘與齒輪螺接緊固，工作過程內圈與展開鉸鏈軸相對靜止不動，外圈驅動左齒輪和右齒輪轉動輸出力矩工作。展開鉸鏈內部構造如圖1所示。

圖1 展開鉸鏈構造示意圖

2.2 裝配難點

展開鉸鏈裝配過程主要難點為鉸鏈軸穿過鉸鏈本體、同步齒輪和蝸卷彈簧，蝸簧螺釘頭部需要進入蝸卷彈簧內圈和次內圈之間空隙。難點之一是穿入過程屬于一軸過五孔的操作，穿過五孔后鉸鏈軸上的蝸簧螺釘頭部需要通過盲裝操作穿過蝸卷彈簧，通過旋轉鉸鏈軸實現蝸簧螺釘頭部穿過內圈上的楔形槽。鉸鏈軸旋轉過程中，鉸鏈軸帶動蝸卷彈簧內圈轉動，螺釘頭部與蝸卷彈簧內圈楔形槽邊沿產生較大摩擦力，造成彈簧內圈與帶有蝸簧螺釘的鉸鏈軸形成不穩定的摩擦抱緊狀態，蝸卷彈簧卷緊后，通過不穩定的摩擦力傳遞輸出力矩，會形成蝸簧螺釘頭部已穿過內圈上楔形槽依靠螺釘傳遞力矩的假象，長期放置或者多次壓緊展開試驗后，穩定狀態逐漸失去平衡，蝸卷彈簧內圈松脫，會導致鉸鏈無輸出力矩。因此，難點之二是識別微型鉸鏈的蝸卷彈簧與軸之間是依靠摩擦力還是鏈接力來傳遞扭矩。整個裝配過程需要運用裝配操作技能解決一軸過五孔和盲區裝配操作的難點，要求非常高，常規方法難以實現。

3 裝配方案及驗證

3.1 技術方案及流程

蝸卷彈簧楔形槽的劃分為：螺釘頭部初始位置、滑行區域、最終位置。蝸卷彈簧與蝸簧螺釘頭部裝配關系示意圖如圖2所示。結合產品裝配過程的蝸簧螺釘頭部運動和彈簧末端楔形槽特點，借助于工裝輔助，采用聽覺感知蝸卷彈簧末端落入楔形槽瞬間撞擊的聲音，用手指觸覺感知撞擊振動[7，8]，協助判斷蝸卷彈簧和蝸簧螺釘的裝配結果，通過CT檢查研制裝配關系的正確性。裝配工藝流程如圖3所示。

圖2 蝸卷彈簧與蝸簧螺釘頭部裝配關系示意圖

圖3 展開鉸鏈裝配工藝流程圖

3.2 裝配方法步驟

第1步：確保裝配過程在安靜環境下進行，由蝸卷彈簧末端落入楔形槽瞬間撞擊的聲音和振動作為感知源。裝配零件用酒精清洗干凈，晾干。

第2步：依據蝸卷彈簧的力矩述職進行編號配對。

第3步：將蝸卷彈簧尾端利用螺釘固定在同步齒輪上。

第4步：在蝸簧螺釘螺紋頭部涂適量螺紋防松膠，然后擰入鉸鏈軸內螺紋中，要求蝸簧螺釘裝配后螺紋端面與鉸鏈軸外圓柱平齊。對防松膠進行固化。如圖4所示。

圖4 蝸簧螺釘鉸鏈軸裝配示意圖

第5步：制造了專用的蝸簧軸裝配引導工裝，減小穿軸過程中的阻力。手指抓住鉸鏈本體，將蝸簧螺釘的螺釘頭部與蝸卷彈簧楔形槽大口端對齊，鉸鏈軸穿過蝸卷彈簧內圈，旋轉鉸鏈軸使蝸簧螺釘頭部進入同步蝸卷彈簧楔形槽最小端。此步驟會聽到蝸卷彈簧末端落入楔形槽瞬間撞擊的聲音或手指觸覺感知撞擊振動。

第6步：蝸簧螺釘鉤緊蝸卷彈簧后勻速上緊，達到正常安裝狀態，如圖5所示。

圖5 蝸簧螺釘頭部與蝸卷彈簧楔形槽裝配示意圖

第7步：鉸鏈裝配完成后，通過多次壓緊、展開反復功能試驗。

第8步：工業CT射線檢測蝸卷彈簧末端是否落入楔形槽小端，裝配關系是否滿足圖紙要求。

3.3 方法驗證與討論

選取編號171103、171075的展開鉸鏈2套。采用上述方法裝配，裝配完成后對蝸卷彈簧與蝸簧螺釘頭部的狀態進行工業CT檢測，檢測結果見圖6，可以看出，展開鉸鏈的蝸簧螺釘頭部已進入蝸卷彈簧最終位置，達到裝配目標。

通過對裝配過程的分析：

a. 蝸簧螺釘頭部裝入過程不能直接對正初始位置，應該正對蝸卷彈簧的初始位置前端，否則螺釘頭部存在無法進入楔形槽的可能。

b. 鉸鏈軸轉動過程中，存在蝸簧螺釘頭部外圓弧一部分嵌入到蝸卷彈簧內圈楔形槽中的可能，無法聽到蝸卷彈簧末端落入楔形槽瞬間撞擊的聲音和感覺不到振動，在后續蝸卷彈簧加力過程中，螺釘頭部由楔形槽寬口向窄口做相對運動，由此產生了不穩定的卡滯力，會形成不穩定的壓緊裝配狀態。但該狀態的展開鉸鏈處于不穩定裝配狀態，隨著多次壓緊、展開過程的試驗，或者同步蝸卷彈簧靜態長期放置，彈簧張緊力發生緩慢的釋放，可能造成蝸簧螺釘螺釘頭部與楔形槽脫開。

c. 鉸鏈軸轉動過程中，無法聽到蝸卷彈簧末端落入楔形槽瞬間撞擊的聲音和感覺不到振動

4 結束語

a. 提出一種基于觸覺與聽覺感知的微型展開鉸鏈蝸卷彈簧盲區裝配操作方法，實現蝸卷彈簧與螺釘正確裝配；

b. 借助無損檢測方法實現鉸鏈的蝸卷彈簧產品裝配關系驗證，確保鉸鏈合格率及可靠度。

c. 應用結果表明，該方法能有效提高展開鉸鏈的盲區裝配操作合格率和產品可靠度。

1 Puig L, Barton A, Rando N. A review on large deployable structures for astrophysics missions[J]. Acta Astronautica, 2010(67)：12～26

2 李團結，馬小飛. 大型空間可展開天線技術研究[J]. 空間電子技術，2012，9(3)：35～39

3 馬小飛，李洋，肖勇，等. 大型空間可展開天線反射器研究現狀與展望[J]. 空間電子技術，2018(2)：16～26

4 黃志榮，宋彥平，鄭士昆，等. 偏饋式構架反射器構型設計與展開協調性分析[J]. 機械科學與技術，2016，35(11)：1792～1796

5 郭宏偉，李長洲，史文華，等. 彈簧展開鉸鏈鎖定沖擊及減小沖擊方法[J].哈爾濱工業大學學報，2016，48(1)：29～34

6 徐兵，機械裝配技術[M]. 北京：中國輕工業出版社，2014

7 童新宇，吳新麗，李思儒，等. 人手指振動觸覺感知的短時間記憶特性[J]，生理學報，2020，72(5)：643～650

8 宋瑞，孫曉穎，劉國紅，等. 機械振動對平面觸覺感知特性的影響[J]，北京航空航天大學學報，2020，46(2)：379～387

Assembly Method of Spiral Springs in Blind Area for Small Deployable Hinges

Li Xiaofeng Jiao Yunlei Guo Chenliang Meng Qingxin Xu Jiangtao Pen Hongmin

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

In view of the blind area operation characteristics in the assembly process of small deployable hinges for large net-shape deployable antennas, this paper proposes an operating method in the blind area for spiral springs of small deployable hinges based on tactile and auditory perception. Assisted by designed tools, operators sensed the change of torque by hand when the screws and spiral springs are clamped and heard the clamping sound to judge, and finally realized the correct assembly of the spiral springs and the screws. With the help of non-destructive testing method, the assembly relationship of the hinges with the spiral springs is verified to ensure the qualified rate and reliability of the hinges. In the assembly process of large net-shape deployable antennas of Beidou navigation satellites, the application results show that it can reduce the assembly errors of screws and improve the efficiency of assembly in the blind area.

deployable hinge；spiral spring；blind area assembly operation；sound perception

V465

A

李曉峰（1979），技師，機電一體化專業；研究方向：航天器結構與機構集成裝配操作技術。

2021-02-08