張慧鋒,龔德鑄,張佳星,孫建波
2016年9月開始,中國陸續(xù)發(fā)射了天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室、神舟十一號載人飛船和天舟一號貨運(yùn)飛船,主要目的是更好地掌握空間交會對接技術(shù)并驗(yàn)證系列空間新技術(shù),為中國空間站的建設(shè)奠定良好基礎(chǔ).迄今為止,載人飛船、貨運(yùn)飛船已先后多次完成與天宮二號的交會對接.交會對接光學(xué)成像敏感器(camera-type rendezvous and docking sensor,CRDS)作為瞄準(zhǔn)整個載人三期和探月三期自動交會對接任務(wù)而研制的新一代空間交會對接光學(xué)成像敏感器,在上述任務(wù)中發(fā)揮了重要作用,工作表現(xiàn)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)[1].
CRDS由視覺測量相機(jī)和合作目標(biāo)標(biāo)志器組成.相機(jī)安裝在追蹤飛行器上,目標(biāo)安裝在目標(biāo)飛行器上,在兩飛行器從250 m交會直到對接完成范圍內(nèi),通過相機(jī)對合作目標(biāo)的成像,進(jìn)行圖像處理、目標(biāo)識別、位姿計算,可以計算得到相機(jī)坐標(biāo)系相對于合作目標(biāo)坐標(biāo)系的相對位置和相對姿態(tài)角,從而為交會對接任務(wù)提供相對導(dǎo)航的測量信息.
現(xiàn)有CRDS所用的是金屬反射鏡,作用是折轉(zhuǎn)目標(biāo)光源進(jìn)入相機(jī)視場成像.和玻璃等非金屬相比,金屬具有低成本、易加工、體積小且可以直接安裝等優(yōu)點(diǎn)[2-3].反射鏡組件的性能,決定目標(biāo)光點(diǎn)的成像質(zhì)量、決定反射光源的光學(xué)特性,決定CRDS光軸指向,是CRDS的關(guān)鍵組件.如果反射鏡面形不佳,將導(dǎo)致成像光點(diǎn)形變,無法準(zhǔn)確提取質(zhì)心,嚴(yán)重影響測量精度;反射鏡面形不佳,將導(dǎo)致鏡面發(fā)生衍射效應(yīng),不必要的雜光進(jìn)入相機(jī)視場,影響CRDS正常工作.在反射鏡組件的裝配和組件裝到CRDS整機(jī)的過程中,由于零組件存在尺寸和形位誤差,應(yīng)盡量減小反射鏡的變形,保證反射鏡和勻化器的指向精度.這就要求裝配和各環(huán)節(jié)中變形小,減小裝配應(yīng)力對組件精度的影響.
中國空間站工程所用CRDS測量精度、體積、功耗等主要指標(biāo),領(lǐng)先于國內(nèi)外主流產(chǎn)品(美國NGAVGS等);另一方面,CRDS反射鏡組件由反射鏡、反射鏡支架、勻化器組件等組成(勻化器組件用來擴(kuò)束勻化激光光源,具體如下介紹),尺寸約90×70×70 mm,而美國NGAVGS產(chǎn)品,其反射鏡組件未見勻化器組件,結(jié)構(gòu)簡單,激光光源直接出射(這也是其視場較小,測量精度不高的原因之一),尺寸200 mm×200 mm×200 mm,因此中國CRDS與美國NGAVGS的反射鏡組件差異較大,CRDS反射鏡組件體積小、重量輕、構(gòu)成復(fù)雜、性能指標(biāo)好.
CRDS金屬反射鏡組件,如圖1所示,由以下幾部分主份:金屬反射鏡(6061 T6)、反射鏡支架(2A12T4)、安裝螺釘(不銹鋼)、勻化器組件(光學(xué)組件)、光纖安裝耳(2A12T4)、導(dǎo)熱絕緣墊、反射鏡遮光板等.外包絡(luò)尺寸約90 mm×70 mm×70 mm.在完成組件裝配后,需要將組件裝至整機(jī)主結(jié)構(gòu)上.在整個CRDS的工作過程中,首先是勻化器組件,接收LD激光光源,并進(jìn)行擴(kuò)束勻化后,通過反射鏡中心小孔,實(shí)現(xiàn)與光學(xué)鏡頭光軸同軸出射.
由CRDS的結(jié)構(gòu)以及裝配過程可知,造成反射鏡面形發(fā)生變化的原因有以下3類:
1) 反射鏡組件內(nèi)部以及與整機(jī)結(jié)構(gòu)之間相互連接關(guān)系多,復(fù)雜結(jié)構(gòu)形成多重裝配應(yīng)力.如反射鏡與反射鏡支架的連接,反射鏡支架與光纖安裝耳的連接,勻化器與反射鏡支架的連接傳遞,勻化器與整機(jī)主結(jié)構(gòu)的連接等,各零組件相互咬合,如圖1和圖2所示.
圖1 金屬反射鏡組件示意圖Fig.1 Metal reflector module
圖2 CRDS整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Camera-type rendezvous and docking sensor
2) 裝調(diào)環(huán)節(jié)多,每一個環(huán)節(jié)都容易發(fā)生變形,引起裝配應(yīng)力.在反射鏡加工后由于加工應(yīng)力,容易發(fā)生二次變形,該應(yīng)力屬于加工應(yīng)力;反射鏡與反射鏡支架組合后發(fā)生第三次形變,該應(yīng)力屬于裝配應(yīng)力,主要原因是安裝面為非理想平面,用螺釘緊固后發(fā)生變形;反射鏡組件內(nèi)部以及與整機(jī)主結(jié)構(gòu)有多處裝配關(guān)系,存在過定位情況,發(fā)生第四次變形,此應(yīng)力屬于裝配應(yīng)力;另外反射鏡組件力學(xué)和熱學(xué)環(huán)境試驗(yàn)后發(fā)生第五次形變.
3) 勻化器組件重心靠下,質(zhì)量分布不平衡,如果裝配不當(dāng),在力學(xué)環(huán)境下容易引起較大的振動,最終無法保證反射鏡和勻化器的相對角度關(guān)系.也就是說,需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計過定位(主要目的是為了保證強(qiáng)度,防止在環(huán)境實(shí)驗(yàn)后精度發(fā)生變化)的情況下,保證裝配應(yīng)力較小,裝配在整機(jī)上的反射鏡組件面形和指向精度滿足要求.
針對以上反射鏡的變形因素,對反射鏡組件進(jìn)行有限元建模,如圖3所示.其中,對考慮了反射鏡和反射鏡支架安裝面的平面度誤差;將光纖安裝耳與反射鏡支架的過定位尺寸誤差設(shè)定為0.1 mm;對反射鏡安裝螺釘模型施加了擰緊力矩;對反射鏡組件的四個安裝孔施加固定約束.對裝配過程進(jìn)行了分析計算.
圖3 反射鏡組件有限元模型Fig.3 FEA model of Metal reflector module
反射鏡通過螺釘擰緊在反射鏡支架上,反射鏡安裝面為非理想平面,存在平面度誤差,通過有限元分析可知,當(dāng)螺釘裝配力矩0.6N·m時,反射面的最大變形為0.73 μm(反射鏡安裝面平面度0.008 mm,力矩0.6 N·m),即1.15λ,變形圖如圖4所示.通過仿真分析可知,反射鏡組件的裝配過程造成的面形變化較大,直接導(dǎo)致反射鏡指標(biāo)不滿足要求.
由于反射鏡裝配到反射鏡支架上時,產(chǎn)生裝配應(yīng)力,導(dǎo)致反射面發(fā)生變形,因此,本文采用一體式加工的工藝路線,即先將反射鏡裝配到反射鏡支架上,再進(jìn)行面形精加工的工藝路線,并在裝配過程中進(jìn)行多環(huán)節(jié)的面形檢測和指向檢測,檢控面形和指向變化,并配合應(yīng)力釋放措施,逐步完成整個反射鏡組件的微應(yīng)力裝配.
圖4 螺釘裝配應(yīng)力導(dǎo)致的反射面變形圖Fig.4 Reflector deformation by flatnessand tightening torque
對于反射鏡組件,引入裝配應(yīng)力的一個重要環(huán)節(jié)是,反射鏡通過螺釘擰緊在反射鏡支架上.為了實(shí)現(xiàn)金屬反射鏡的微應(yīng)力裝配,主要采取了兩種措施:控制金屬反射鏡螺釘擰緊力矩和提高反射鏡和反射鏡支架的平面度.
1) 首先,通過靜力學(xué)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證,確定合理的反螺釘預(yù)緊力.通過靜力學(xué)分析可知,當(dāng)螺釘裝配力矩0.6 N·m時,反射面的最大變形為0.73 μm(平面度0.008 mm,力矩0.6 N·m),即1.15λ,如圖5所示.因此要保證裝配后面形變化小于2λ的要求,并留有足夠裕量,需要降低裝配力矩,在后續(xù)通過防松膠保證螺紋連接可靠.
圖5 裝配應(yīng)力導(dǎo)致的反射面變形圖(平面度0.008 mm,力矩0.6 N·m)Fig.5 Reflector deformation by assembly stress
當(dāng)反射鏡以0.4 N·m螺釘擰緊力矩進(jìn)行裝配后,面形變化為0.49 μm,即0.77λ,如圖6所示.考慮到裝配體的環(huán)境適應(yīng)性要求,因此確定反射鏡安裝到反射鏡支架上的螺釘預(yù)緊力為0.4 N·m.工藝實(shí)驗(yàn)的過程數(shù)據(jù)和結(jié)果也表明,此擰緊力矩對改善面形,減小裝配應(yīng)力起到了重要作用.
2) 優(yōu)化反射鏡和反射鏡支架的安裝面的平面度.通過變形分析可以看出,與理想平面比,存在平面度誤差時,反射鏡的裝配應(yīng)力大,造成的面形誤差較大,如表1所示.分析數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢一致.
圖6 裝配應(yīng)力導(dǎo)致的反射面變形圖(平面度0.008 mm,力矩0.4 N·m)Fig.6 Reflector deformation by assembly stress
表1 反射鏡裝配應(yīng)力和變形值Tab.1 Assembly stress and deformation
所以,對反射鏡支架和反射鏡安裝面的平面度進(jìn)行了優(yōu)化,如表2所示.
表2 優(yōu)化反射鏡支架和反射鏡安裝面加工精度Tab.2 Optimization of flatness
安裝面平面加工完成后,對裝配完的組件面形(精加工之前)進(jìn)行了檢測,結(jié)果表明,優(yōu)化安裝面平面度可以有效改善反射鏡平面度,與仿真結(jié)果一致.
由于存在多處過定位,所以在主定位處采用剛性連接,在其他定位處選用柔性材料.例如,光纖安裝耳與反射鏡支架之間的過定位尺寸如圖7所示,反射鏡支架與光纖安裝耳有兩個接觸面,這兩個接觸面尺寸精度要求較高,如果尺寸誤差較大,將造成反射鏡指向精度發(fā)生變化.
圖7 過定位尺寸鏈?zhǔn)疽鈭DFig.7 Over-positioning dimension chain
通過靜力學(xué)分析計算可知,當(dāng)過定位尺寸存在0.1 mm的誤差時,反射鏡上邊緣X向位移3.21 μm,下邊緣X向位移-6.43 μm,如圖8所示,裝配應(yīng)力最大值為7.09 MPa,如圖9所示,通過計算可得反射鏡指向變化為1.32′.采用硅橡膠材料制作過定位尺寸的零件,由于硅橡膠材料柔性較好,過定位尺寸可在測試反射鏡指向的同時確定.用此方法,通過分析計算,裝配造成反射鏡指向變化為0.1′,裝配應(yīng)力為1.09 MPa.反射鏡指向變化和裝配應(yīng)力都大幅減小,保證了反射鏡指向精度滿足精度要求.
圖8 過定造成的反射鏡指向精度變化Fig.8 Surface vector variation caused by over-positioning
由于硅橡膠在常溫下可交聯(lián)成彈性體,具有較大的伸長率,伸長率≥300%,而鋁合金材料的彈性模量71 GPa,鈦合金的彈性模量為96 GPa,柔性材料的彈性模量很小,可忽略,所以固化應(yīng)力很小.柔性材料裝在反射鏡組件與整機(jī)主結(jié)構(gòu)之間,在保證勻化器指向精度的同時,不引入裝配應(yīng)力;同時柔性材料的阻尼較大,可以減小勻化器振動.
圖9 過定造成的反射鏡裝配應(yīng)力Fig.9 Assembly stress caused by over-positioning
必要的環(huán)節(jié)中,進(jìn)行多點(diǎn)面形檢測,如果不滿足要求,進(jìn)行微調(diào)再確認(rèn),保證整個反射鏡的面形滿足要求.面形檢測采用激光干涉儀.
在裝配過程選擇多個環(huán)節(jié)進(jìn)行面形和指向檢測,不滿足要求再調(diào)整,保證在各個環(huán)節(jié)都不引入不必要的變形和裝配應(yīng)力.
進(jìn)行多次應(yīng)力釋放,包括力學(xué)試驗(yàn)和熱學(xué)試驗(yàn),保證裝配應(yīng)力得以釋放.
從過程數(shù)據(jù)的監(jiān)測來看,整個組件經(jīng)過如上所示的分析和改進(jìn)以后,最終完成了反射鏡組件微應(yīng)力裝配.其中,實(shí)驗(yàn)所測的9個組件在經(jīng)歷和力學(xué)和熱學(xué)試驗(yàn)后,反射鏡面形達(dá)到PV≤0.2λ,RMS≤0.06λ(原方法面形PV≤0.8λ,RMS≤0.13λ);反射鏡力熱環(huán)試前后反射鏡指向變化由≤2′,提高到≤1′.
本文介紹了交會對接光學(xué)成像敏感器的功能和基本工作原理,并介紹了金屬反射鏡組件在敏感器整機(jī)中的作用.經(jīng)過結(jié)構(gòu)組成和裝配過程的有限元分析,得出了導(dǎo)致反射鏡組件精度發(fā)生變化的主要因素:反射鏡裝配到反射鏡組件上產(chǎn)生的裝配應(yīng)力,反射鏡組件內(nèi)部及裝配到整機(jī)上過定位導(dǎo)致的裝配應(yīng)力.針對這些問題,在優(yōu)化裝調(diào)流程的基礎(chǔ)上,對裝配應(yīng)力進(jìn)行了有限元分析,根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化了反射鏡和反射鏡支架安裝面的的加工平面度,確定了反射鏡的擰緊力矩;選用柔性材料制作過定位尺寸鏈的零件,對比了改進(jìn)前后的反射鏡指向變化和裝配應(yīng)力,改進(jìn)后大幅減小.通過對裝配過程的分析和改進(jìn),達(dá)到了反射鏡精度指標(biāo)要求,保證了敏感器測量精度.
本文所述的微應(yīng)力裝配技術(shù)將應(yīng)用于載人工程三期的CRDS產(chǎn)品上,保證交會對接任務(wù)的順利完成,該技術(shù)也可推廣于需要光路折轉(zhuǎn)的光學(xué)產(chǎn)品的研制過程.