一種用于檢測太陽翼鉸鏈鎖定深度的測量裝置設計

王國星，程 澤，臧梓軼，胡亞航，董 上，姚 迪

(北京衛星制造廠有限公司，北京 100094)

衛星太陽翼鎖緊深度是太陽翼產品空間展開的重要指標，關系到太陽翼的展開剛度、力學性能指標以及展開指示電阻是否到位。太陽翼鎖緊深度一旦不合格，會直接降低太陽翼展開鎖定剛度，對太陽翼在軌姿態控制及展開可靠性帶來極大影響。在衛星太陽翼的地面研制過程中，太陽翼鎖緊深度是衡量太陽翼模擬展開試驗成功與否的關鍵指標。如何準確、規范地進行太陽翼鎖緊深度測量，已成為太陽翼研制生產單位工藝技術人員關注的重點。

目前，太陽翼裝配生產單位使用游標卡尺主尺尾端測量太陽翼鉸鏈鎖定柱到鉸鏈測量基準面的距離。因鉸鏈鎖定槽空間狹窄，檢驗人員無法將主尺尾端與被測基準面完全貼合，稍有晃動，會使卡尺傾斜，造成人為測量誤差。此外，以火星巡視器太陽翼鉸鏈為代表的新型鉸鏈機構，沒有充足的卡尺測量空間。這些問題使得太陽翼鉸鏈鎖定深度測量數據一致性較差，制約了對太陽翼展開鎖定性能的有效評估。

針對上述檢測難題，本文設計了一種結構小巧，可以減少人為誤差的鉸鏈鎖定深度測量裝置。主要研究內容為：1)分析目前太陽翼鉸鏈鎖定深度測量難點，提出改進方案；2)優選方案后，開展鉸鏈深度測量裝置的設計，并進行測量誤差分析；3)對測量裝置應用實踐，獲取并分析測量數據，給予應用效果評價。

1 現狀概述

1.1 太陽翼鉸鏈簡介

太陽翼是衛星一次能源的重要組成部分，通過太陽電池把空間軌道上的太陽光能轉換為電能，為衛星提供能源。太陽翼可以分為太陽翼機械部分和太陽電池電路部分。其中，太陽翼機械部分為太陽電池電路的承載體，并完成規定構型與展收動作。圖1所示為太陽翼產品在星體上展開。

典型的太陽翼機械部分由結構部件、機構部件、直屬件組成。其中，機構部件中包含展開鎖定機構、聯動機構、壓緊釋放機構。目前，北京衛星制造廠有限公司承擔的90%以上剛性基板太陽翼，多數采用以渦卷彈簧為動力的鉸鏈裝置作為展開鎖定機構的主要組成部分。在太陽翼裝配及地面展開試驗過程中，鉸鏈的鎖鉸與勾鉸安裝在電池板四角處，用于連接太陽翼大部件。在太陽翼收攏狀態時，鎖定軸處于滑道上。當接觸壓緊釋放后，在平面渦卷彈簧與聯動裝置的驅動下，鎖定軸沿滑道移動，直至進入鎖定槽。鎖定深度到位后，鎖定軸觸發微動開關，遙測顯示展開到位信號，太陽翼展開試驗完成。

圖1 太陽翼在星體展開

鎖緊軸的深度位置關系到鉸鏈的鎖緊是否到位、太陽翼的展開剛度、太陽翼展開到位指示電阻是否正常指示。一旦鉸鏈鎖定深度不合格，會直接降低太陽翼展開鎖定剛度，對太陽翼在軌姿態控制及展開可靠性帶來極大影響。

1.2 測量難點

根據上述分析，根部鉸鏈與板間鉸鏈的鎖定深度是衡量太陽翼展開鎖定機構驅動力矩以及裝配質量的重要機械性能指標，在太陽翼裝配工藝中鉸鏈鎖定深度測試是關鍵檢驗點之一，同時作為產品關鍵特性納入生產階段產品保證要素管理。太陽翼機構在產品交付時，鎖緊深度成為重要的驗收項目。因此，鉸鏈鎖定深度測量結果的符合性、一致性成為用戶判定產品合格與否的重要參照指標，這也對檢驗員的檢驗手段與檢測能力提出較高的要求。

1)檢測難點一：卡尺與測量基準面難以貼平。

以東四平臺為例，在裝配工藝文件中，對鉸鏈深度的檢驗措施為：用游標卡尺測量鎖定柱外側面與鉸鏈平臺面距離。根部鉸鏈鎖定深度、板間鉸鏈鎖緊深度要求最小值如圖2所示。

a)根部鉸鏈鎖緊深度

b)板間鉸鏈鎖緊深度

測量時，圖2中因為鉸鏈的設計空間有限，檢驗人員無法使用游標卡尺的卡頭對深度進行測量。在傳統的測量方法中，以圖2中基準平面與卡尺的主尺尾端齊平，使用游標卡尺的游標尾端接觸鎖定柱，從而讀取鎖定柱與基準面之間距離。

傳統的測量過程中，游標卡尺主尺尾端與鉸鏈接觸面有限。圖3所示為一部分產品只能靠鉸鏈一側基準面進行測量定位，操作時卡尺極容易出現傾斜，導致測量數據不穩定，引入人為測量誤差。圖4所示為鎖勾類鉸鏈的卡尺接觸面平面段狹窄，測量時，卡尺不易擺放，卡尺與測量基準面難以貼平，測量數據的一致性難以保障。因此，卡尺與測量基準面難以貼平會導致不同檢驗人員選擇鉸鏈基準面位置不同、卡尺擺放方向不同或讀取數據方式不同，均會引入測量誤差。

圖3 卡尺與鉸鏈只有一側接觸

圖4 卡尺與鉸鏈難以貼平

以東四平臺太陽翼板間鉸鏈鎖定深度測量為例，因卡尺與測量基準面難以貼平，導致不同人員的操作檢驗方法、讀取數據一致性相差較大。不同檢驗員之間測量數據往往相差0.1～0.2 mm。數據差距會對太陽翼展開穩定性給予誤判，嚴重時將影響設計師對產品質量的判斷。

2)檢測難點二：空間狹窄卡尺無法進入。

目前工作中，有2類工況使得測量鎖定深度的操作難度極大。其中一種工況是太陽翼產品展開狀態時距離地面工裝距離太近，無足夠的測量空間(見圖5)。

圖5 鉸鏈深度測量空間不足

測試鎖定深度一般采取游標卡尺直接量取，這種工況下，操作人員無法直接使用游標卡尺準確讀數。目前，現場多采用測量塊或測量條等轉移工裝對鉸鏈深度測量后做標記，再用卡尺對轉移工裝標記處二次測量的方法解決。此方法屬于卡尺間接測量，轉移過程會帶來二次測量，引入測量誤差，直接影響地面展開試驗的驗證準確性與充分性。

綜上所述，鉸鏈鎖定深度檢測難點以及測量一致差的原因總結如下：1)鉸鏈與卡尺測量面接觸面積小且難貼平，導致檢驗人員選擇鉸鏈基準面位置不統一，測量過程中卡尺位置易晃動；2)部分型號鎖定深度測量空間狹窄，卡尺不能自如進出；3)檢驗使用的游標卡尺，測量精度為0.02 mm，影響測量數據的一致性。

2 測量裝置設計

2.1 方案分析

根據上述測量難點的分析與驗證，改進的深度測量裝置應該具備如下特點：1)測量裝置與鉸鏈的接觸面要齊平，以便作為測量基準面，并且有足夠大的接觸面積；2)檢驗方法固定后，測量結果不受檢驗人員的個性化的影響；3)裝置的測量精度不大于0.01 mm，提高量具自身的精度；4)可便于操作者手持該裝置在15 cm以內空間進行作業。

針對鉸鏈鎖定深度測試一致性較差的難題，開展了3種方案思路的優缺點分析，并形成對比清單(見表1)。

表1 鉸鏈鎖定深度測量方案對比

方案1：在數顯功能的千分表基礎上進行改造，在千分表的表頭一端設計轉接工裝。該工裝即可以實現與千分表緊固連接，還可以為測量鉸鏈深度提供測量基準面。千分表裝置尺寸較小，可以滿足狹窄空間下的操作任務[1-2]。該裝置的方案設計模型如圖6所示。

圖6 改造方案設計模型

方案2：采用市面上已有的深度尺測量工具，圖7所示為數顯深度測試用卡尺。該設備尺寸在10 cm之內，測量頭直徑僅1 mm，可以適應各種產品的測量空間。設備前端自帶測量基準面，缺點為基準面尺寸過長，對于部分鉸鏈產品，測量過程中會有干涉或接觸面難以貼平的現象。

圖7 深度尺測量工具試驗

方案3：采用相位式激光測距原理(見圖8)。選用激光測距儀對鉸鏈基準面測量點和鎖定勾測量點進行測量，數據通過藍牙傳輸到上位機，計算鉸鏈鎖定深度。該方法可實現數據自動采集，缺點是測量周期長，經濟成本較高[3-5]。

圖8 激光測距方案

通過上述分析可知，測量深度的卡尺無法實現全部產品的貼合，激光測距傳感器與自動采集系統造價昂貴，對于狹窄空間作業受限。千分表改造并增加測量基準面的方法可行，而且經濟成本低，實現周期短，測量精度對比游標卡尺有明顯提升，因此選擇方案1開展分析設計與應用驗證。

2.2 結構設計

對千分表的改造通過設計轉接裝置與測量基準面來解決。該改造裝置由數顯千分表、測量基準塊、鎖緊套筒、鎖緊螺母、測量頭組成，結構示意圖如圖9所示。

圖9 測量裝置結構示意圖

該裝置的使用方法流程簡圖如圖10所示，流程內容如下：1)第一次使用前，需要將鎖緊套筒緊固在數顯千分表的表頭固定端，固定時通過鎖緊螺母的旋轉鎖緊原理固定；2)調整基準塊的角度，使其與鉸鏈接觸面積足夠大；3)測量前，將千分表的測量頭退回至測量基準塊的基準面，此時給千分表置零位；4)靠近鉸鏈，將測量基準塊緊貼鉸鏈測量基準面，釋放測量頭，使其接觸鉸鏈鎖定柱；5)讀取數顯屏幕上的數據，記錄時可四舍五入保留至數據的百分位。

圖10 使用方法流程

測量裝置主要零件要求有一定的剛度，同時應盡可能輕便，并保證反復更換與長期使用，選用45鋼作為鎖緊組件的材料，并做發黑處理。測量基準塊要求具備一定的強度，并且表面不易生銹，采用材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼。材料物理屬性見表2。

表2 材料物理屬性

考慮到鉸鏈產品的鎖定形式有差異，設計φ1 mm、φ2 mm兩種直徑測量頭，以適應鉸鏈鎖定柱不同空間的測量間隙。為保障測量基準塊與鎖緊套筒可以滿足緊配合，設計對稱φ1.5 mm的定位銷，使其滿足使用的同時還能自由拆裝。鎖緊套筒與鎖緊螺母采用分瓣式卡簧連接，合成鎖緊組件，保障千分表與測量基準塊可靠連接。量具采用數顯帶置零位功能的千分表，可以將讀數顯示至千分位，有效提高測量精度。加工與裝配后的測量裝置如圖11所示。

圖11 測量裝置

該裝置對比傳統測量方法有如下優點。

1)由于測量工裝的測量基準面相比以往的測量器具有明顯的增大，從而增加測量裝置與鉸鏈接觸面的面積，避免了因測量基準與被測基準面未貼實而產生的測量誤差。

2)測量裝置的尺頭設計為可更換不同規格測量頭的轉接件，整體裝置的體積小、質量輕，從而實現不同操作空間情況下的便捷測量。

3)測量裝置前端采用的是鋼件材料，使得測量重心靠近測量基準面，可以避免量具重心不穩導致的測量誤差，測量基準塊增大、增厚可提高測量過程穩定性。

2.3 誤差分析

以普通游標卡尺的測量精度0.02 mm為參照指標，對新設計的測量裝置進行測量誤差，以驗證測量裝置對鉸鏈鎖定深度測量的有效性。

1)測量基準塊加工誤差。測量基準塊的外側面需要與鉸鏈測量基準面貼合，因此對與外側面的平面度有較高要求，平面度要求小于0.01 mm，依靠銑床機械加工保障。故因測量基準塊平面度帶來的測量誤差為ε平=0.01mm。

2)測量基準平面與測量頭的垂直度誤差。如測量基準塊與鎖緊組件之間安裝未能同軸，則會使測量基準塊外側面與測量頭不垂直，導致測量頭傾斜進入鎖定槽，使得實際測量尺寸偏大。千分尺的測量頭與鎖緊組件的同軸性依靠鎖緊螺母保障，鎖緊套筒與測量基準塊裝配間隙為0.02 mm，以板間鉸鏈鎖定深度測量實際值14.5 mm為例進行計算，因基準平面與測量頭不垂直導致的測量誤差為：

(1)

3)千分表自身精度誤差。千分表量具的測量精度為0.001 mm，故應測量儀器自身產生的儀器絕對誤差為ε儀=0.001mm。

測量裝置對鉸鏈鎖定深度測量的綜合誤差由式1進行計算，千分表自身同軸度以及鉸鏈深度測量接觸面平面度假定為理想狀態，不在計算范圍之內。經計算，理論綜合誤差為1.005×10-2mm,滿足小于0.02 mm的要求。

(2)

通過塊規量具來模擬板間鉸鏈的測量接觸面，分別以深度8、10和12 mm為檢測標準進行3組試驗，每組測量10次，檢測該測量裝置重復裝卡的精度，以及測量數據一致性。該裝置在反復裝卡后，3組試驗數據結果的極差分別為0.003、0.005和0.003 mm。試驗結果表明，該裝置可有效裝卡并測量。

3 應用效果

選取東方紅四號衛星平臺中同一產品XX-1(02)的根部鉸鏈進行鎖緊深度裝置的使用與測試，采用不同操作人員多次測量(見表3)，共選8人，每人測試10次，試驗次數共80次。目的為驗證鎖定深度測量裝置改造后，其測量數據的一致性情況。

表3 不同人員多次測量

應用Minitab數據分析軟件對表3中的測試數據進行一致性分析，數據離散性用標準差表征，數據的平均值、極值用均值圖表征，子組數量設置為10。鉸鏈鎖定深度測試數據離散性分析和均值分析分別如圖12和圖13所示。80組數據的正態分布整體數據的標準差為0.002，數據均值為45.66 mm，極差為0.009 mm。

8位檢驗員測試同一產品的整體極大值與極小值相差0.009 mm，不同檢驗員之間子組數據均值相差0.002 mm。由上述數據分析可知，數據標準差較游標卡尺測量有了明顯降低，測量離散性進一步縮小。驗證了新研制的鉸鏈鎖定深度測量裝置綜合誤差分析的正確性，在測量基準面增大而且貼合良好后，有效地解決了因操作檢驗手法不同、測量過程不穩定導致的數據讀取一致性差的問題。

裝置投產后，在東四平臺、東三B平臺、小衛星、遙感等型號得到應用(見圖14)，在鎖定勾式鉸鏈應用實物如圖15所示。上述應用經多位操作者實踐驗證，數據穩定，使用安全可靠。在經濟成本方面，改造后的測量裝置成本約為200元，裝配集成中心配置5臺，與采用自動數據測量系統相比，可節約成本10萬元。在操作便捷性方面，該裝置結構簡單，屬于通用互換式裝置，便于攜帶與保存。操作前針對不同型號操作空間的需求，將主要零件重組，現場置零后使用。在安全性方面，測量裝置結構緊湊小巧，無尖角，不易與產品發生磕碰，降低了對人員與產品的操作安全隱患。與傳統卡尺相比，測量時可以直接從千分表數顯屏幕讀數，操作過程僅需0.5 min即可完成，作業效率提升了20%，降低了操作者的勞動強度。

圖12 鉸鏈鎖定深度測試數據離散性分析

圖13 鉸鏈鎖定深度測試數據均值分析

圖14 遙感領域應用

圖15 鎖定勾式鉸鏈深度測量

4 結語

針對游標卡尺檢測太陽翼鎖定深度存在測頭與基準面不垂直、測量數據一致性差的現象，采用一種百分表轉接裝置來解決這類問題。該裝置由數顯百分表、測量基準塊、鎖緊套筒、鎖緊螺母、測量頭組成。測量基準塊提供了比傳統卡尺更大的測量接觸面，提高了手持測量過程穩定性，避免了因測量基準與被測基準未貼實而產生的測量誤差。不同直徑的測量頭可適應各種狹窄空間的測試。采用該裝置后，經多次在太陽翼鉸鏈驗證，數據穩定。該方法不僅可適用于剛性吊掛展開式太陽翼鉸鏈深度測量，還可以用于大型艙段凹槽深度或其他狹窄空間部位的測量，同時也可推廣至其他深空探測型號、天線等機構的鉸鏈類產品深度指標測量，具有較強的推廣性和實用性。