衛星裝配用激光跟蹤儀支撐架轉換接頭設計*

王國星，胡亞航，程 澤

(北京衛星制造廠有限公司，北京 100094)

0 引 言

隨著航空航天技術的發展，衛星等航天器產品的零件尺寸更大、結構更復雜，要求零配件、部組件的裝配精度也更高[1]。對這類結構尺寸大和結構特征復雜的產品，其裝配精度測量準確與否，對星船在太空的姿態控制、延長飛行壽命以及執行空間任務有很大影響。近年來能夠滿足航天器大尺寸測量的技術和系統應運而生，并且精測技術不斷改進提高[3]。

國內航空航天器總裝精測現已普遍采用激光跟蹤儀測量系統，激光跟蹤儀測量系統作為數字化空間三坐標測量儀器，具備測量精度高、測量范圍廣、效率高等特點，激光跟蹤儀測量系統在衛星總裝精測中得到了廣泛的應用[2]。傳統的跟蹤儀因自帶支撐架的高度限制無法有效拾取較高位置或較低位置的空間目標，這給裝配生產帶來了嚴重的困難。

基于上述情況，筆者提出一種激光跟蹤儀精測支撐架轉換接頭工裝的有效解決上述問題。對衛星裝配用激光跟蹤儀使用問題現狀及解決方案進行對比，通過對選定方案的結構設計、仿真分析及實物應用實踐，達到了經緯儀支撐架在高度30～400 cm的范圍內調節的目標且具有通用化。

1 問題背景

北京衛星制造廠裝配集成中心承擔衛星裝星結構部裝、機構類產品部裝任務。在航天器的結構制造、部組件裝配、總體裝配及系統集成過程中，其裝配精度要求非常高。艙段之間對接面的平面度、垂直度、機構產品同軸度、基準平面的位置度等均是裝配階段測量目標。各艙段組裝時，未按精度要求執行裝配或者出現數據超差，會導致衛星的入軌、制導、姿態控制受到嚴重影響[4-6]。

目前裝配集成中心使用的激光跟蹤儀是Radian跟蹤儀。激光跟蹤測量系統基本都是由激光跟蹤頭、控制器、用戶計算機、反射器(靶鏡)及支撐架等附件組成的[7]，如圖1所示。使用時，激光跟蹤頭與支撐架相連放于固定位置，通過反射器搜索并引導激光源捕捉測量目標，控制器與計算機系統自動記錄顯示目標點的空間坐標。

圖1 整星部裝測試示意圖

在實際使用中，利用跟蹤儀廠家原配的支撐架很難實現所有工況的測量。因激光跟蹤頭測試俯仰角度有效范圍約為+60°～-50°，廠家原配的支撐架調節范圍為0.8～1.3 m，高度調節有限，再加上裝配工位場地的制約，普通跟蹤儀只能對高度在1.4～1.75 m范圍的目標進行全方位測量。對較高位置或較低位置目標測量時均會產生測量盲區，如圖2所示。例如當需要對衛星頂板設備進行精測時，因東四、遙感等衛星整星的高度均超過2 m，測量頭的無法拾取頂板位置信息。如當整星部裝恢復轉臺基準時，因產品遮擋無法完成對高度約0.6 m的平臺上3個基準點的同時測量。

綜上所述，傳統的跟蹤儀因自帶支撐架的高度限制無法有效拾取較高位置或較低位置的空間目標，這給裝配生產帶來了嚴重的困難。傳統的方法是將跟蹤儀與支撐架整體放置在架梯或包裝箱上以增加跟蹤儀自身高度，但支撐架穩定性受限，直接影響測量精度。

2 方案對比

針對激光跟蹤儀在原廠自帶支撐架上測量高度受限的問題，開展方案思路如下，并形成對比清單如表1所列。

表1 跟蹤儀測量高度可覆蓋方案

(1) 向激光跟蹤儀廠家定制不同規格專用的支撐架，從而覆蓋所有的精測空間，此方法需要花費人力物力較大，定制不同規格支撐架的數量較多，按照六個工位各配置2臺計算，預計成本10～20萬元。

(2) 研制適用于各高度測量的可移動精測平臺，該平臺可通過控制器自動移動位置，實現多工位并行操作，同時高度方向通過控制器可自動收縮，覆蓋所有高度范圍，該設備市場同類價格約80萬。

(3) 利用中心已有平臺設備，設計轉換接頭工裝，將跟蹤儀測量頭安裝在已有平臺設備上。此方案要求接頭工裝通用，可自由拆裝，并且已有平臺必須高度范圍可調節且可以覆蓋傳統跟蹤儀不可測的范圍。

由以上分析，方案三經濟成本低，實現周期短，測量可靠性不受影響。中心在精測工作中另一常用精測設備為經緯儀，經緯儀由經緯儀測量頭與支撐架組成。其支撐架的高度調節范圍可達30～400 cm，可有效解決跟蹤儀大部分不可覆蓋的測量高度范圍。中心已有經緯儀支撐架數量可滿足六個工位同時精測的需求，故選取方案三解決上述生產困難。

方案三的核心在于設計一種轉接工裝，可以使所有跟蹤儀測量頭與經緯儀支撐架之間實現可靠連接，并且具有良好的互換性。轉換接頭從方便操作者作業、節約制造成本、提高人員與產品的安全性等角度出發，進行方案設計。如圖2所示為工裝結構方案示意圖。

圖2 工裝結構方案示意圖

該工裝的使用方法為：首先將轉換接頭工裝下端的支架對接頭安裝在經緯儀支撐架上，并通過限位緊固。跟蹤儀從原廠自帶支撐架拆下，與轉換接頭的上端通過凹槽面貼合，最終使用對接環的螺紋扣使跟蹤儀緊固。調節經緯儀支撐架的高度，便可開展不同高度范圍的精測作業。

3 設計與分析

3.1 工裝設計

考慮到該工裝有一定的剛度強度要求，同時需要保證反復更換與長期使用，選用45#鋼棒材作為主要承力零件的材料，材料物理屬性如表2所列。

表2 45#鋼材料物理屬性

考慮便于攜帶，方便拆裝，該工裝設計為螺旋式對接環環與主承力接頭分體式結構。轉換接頭主承力件包含跟蹤儀對接頭與支架對接頭，跟蹤儀對接頭設計為與跟蹤儀接口可貼合的深度為3.2 mm凹槽外形，這有利于兩者連接的穩固性。支架對接頭在與經緯儀支撐架連接處設計了1.1 mm深的平面限位結構，可通過經緯儀支撐架有效緊固轉接工裝。

對接環的作用為緊固跟蹤儀測量頭，對接環根據跟蹤儀接口外形尺寸設計，外表面做滾花處理，方便操作人員旋轉。為防止對接環脫落與提供操作安全性，設計擋板對其限位。擋板為Φ120 mm，均布3個Φ3 mm通孔用于連接接頭主件。此外，結合操作空間與操作便捷性對工裝其他尺寸進行了設計，其結構如圖3所示。工裝表面做發黑處理，其實物圖如圖4所示。

圖3 工裝三維模型設計

圖4 工裝實物圖

3.2 仿真分析

對工裝的主承力件進行靜力學仿真，以便驗證其在使用過程中材料與結構的選用是否具備足夠的強度，以及在跟蹤儀測量頭的壓力下，工裝的變形是否造成測試影響。故對此零件的應力與位移兩項物理指標進行仿真分析，判斷其受力后的狀態。

支撐架安裝好轉換接頭后，接頭上端面承載跟蹤儀測量頭的靜載重力，測量頭自重為9 kg，按照裕度系數1.5對主承力部分進行靜力矩加載，對其與支撐架連接處作固定約束，采用4面體自動劃分網格，后處理求解出主承力件的位移變化如圖5所示，應力變化如圖6所示。

圖5 位移云圖 圖6 應力云圖

由仿真分析可知，轉換接頭主承力件最大變形量出現在上端安裝平面部位，為4.2×10-4mm，剛度性能滿足使用要求，在測量中不會因變形導致坐標系偏移。主承力件承受最大應力出現在凹槽部位，為1.2 MPa遠低于材料屈服極限。因此，結構設計滿足使用工況的強度要求。

4 應用效果

工裝投產后，由該工裝組成的高位支撐架已在多平臺衛星結構部裝產品的整星精度測試環節得到實踐，如圖7所示。隨著中心承擔機構類產品任務量的增加，各尺寸機械臂類產品數量增多，其工裝距離安裝平臺高度大多不超過0.5 m，由該工裝組成的低位支撐架已拓展應用于此類精度測量業務，上述應用由多位操作者使用實踐，效果良好，如圖8所示。

圖7 高位支撐架應用現場 圖8 低位支撐架應用現場

在經濟成本方面，單臺自動化可移動可伸縮精測平臺的價格在80萬元左右，定制跟蹤儀支撐架數量需求大，總體成本約20萬。相比之下，該工裝結構簡單，加工便捷，單套制造成本約100元，裝配集成中心配置5臺，成本共計500元，節約成本數十萬元。在操作便捷性方面，該工裝為通用互換式便捷工裝，主要零件可拆卸可重組，便于攜帶與保存。

在安全性方面，該工裝比起傳統在架梯或包裝箱上直接放置跟蹤儀，大大降低了對人員與產品的操作安全隱患，提升了精測質量。在作業效率方面，該工裝與跟蹤儀自帶支撐架的轉接頭安裝方法類似，沒有給操作者的新增勞動強度。在相鄰工位作業時，一臺設備可同時測量兩個工位的產品，作業效率提升一倍。經過兩年的應用實踐，未帶來安全問題與質量問題。經過培訓，所有精測人員均可獨立完成該操作環節。后續將推廣該工裝在深空探測類機構產品的應用，并升級結構其可以直接接觸地面并具有移動功能，這將更大程度地擴展機構跟蹤儀的測量范圍。

5 結 語

針對現有激光跟蹤儀無法測量較高位置或較低位置空間目標的現狀，提出一種精測支架轉換接頭工裝。該工裝由擋板、轉換接頭主承力件、螺旋式對接環組成。該成果結構力學性能可靠，操作輕便、快捷，用于跟蹤儀測量頭與經緯儀支撐架的連接，穩定性強。該工裝在保障操作安全性與測量可靠性的前提下，利用較小的成本解決了因傳統跟蹤儀測量高度受限，裝配精度測試困難的現場問題。該工裝的使用方法已被已由衛星結構裝配從業人員應用實踐，后續將向深空探測類機構產品的精測環節推廣應用。