自動化技術(shù)在衛(wèi)星天線高精度裝配中的運(yùn)用探討

付佐紅

摘? ?要：近年來，我國的航天器技術(shù)水平顯著提升，對配件裝配的精度和效率要求也在不斷增長。目前在汽車、航空等許多領(lǐng)域中已經(jīng)廣泛采用自動化裝配技術(shù)。對于提升我國航天器研制水平，加快先進(jìn)的數(shù)字化、自動化的推進(jìn)，在航天產(chǎn)品中的應(yīng)用具有重大意義。目前西方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)逐步推廣航天產(chǎn)品自動化裝配技術(shù)。本文針對衛(wèi)星天線的自動化裝配技術(shù)運(yùn)用進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：自動化? 衛(wèi)星天線? 高精度裝配

我國航天領(lǐng)域發(fā)展迅猛，近年來使用的航天器種類越來越多，技術(shù)水平不斷提高，對配件的精度要求也有較大提升?，F(xiàn)代衛(wèi)星天線的裝配結(jié)構(gòu)已經(jīng)不再適合采用傳統(tǒng)的手工方法進(jìn)行操作，必須使用新型自動化技術(shù)予以替代。自動化裝配技術(shù)在社會各行業(yè)中已得到普遍發(fā)展，將其引入衛(wèi)星天線裝配當(dāng)中，可以有效提升裝配精度、提高裝配效率。

1? 航天領(lǐng)域中自動化裝配技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前在西方發(fā)達(dá)國家，自動化裝配技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用于航天產(chǎn)品當(dāng)中。日本宇宙開發(fā)事業(yè)集團(tuán)（NASDA）使用空間機(jī)器人進(jìn)行衛(wèi)星裝配實(shí)驗，成功在衛(wèi)星上裝配了天線。美國國家航空航天局（NASA）近年來不斷嘗試使用工業(yè)機(jī)器人開展大型航天桿件的裝配工作。我國航天領(lǐng)域中的自動化技術(shù)水平仍然較低，我們應(yīng)當(dāng)不斷加快相關(guān)領(lǐng)域的研究，努力將自動化裝配技術(shù)推廣到各類航天產(chǎn)品當(dāng)中，進(jìn)一步提升我國航天產(chǎn)品的裝配精度和效率。

2? 衛(wèi)星天線的裝配要求

衛(wèi)星天線是衛(wèi)星與地球進(jìn)行無線通信的基本設(shè)施，對于衛(wèi)星的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有不可替代的重要作用。衛(wèi)星天線的構(gòu)型多種多樣，其中固面天線的結(jié)構(gòu)較為簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)，可以滿足較高的精度要求。

固面天線的裝配要求主要包括焦點(diǎn)和對稱面角度兩個指標(biāo)。由于固面反射器的曲面一般符合拋物面或橢球面方程，通過方程參數(shù)可以得到焦點(diǎn)坐標(biāo)。通常而言，焦點(diǎn)坐標(biāo)的精度應(yīng)當(dāng)控制在±0.2mm的范圍內(nèi)。通過固面反射器的型面方程，還可以得到特定的角度對稱面。通常情況下，角度對稱面的精度應(yīng)當(dāng)控制在±0.03°的范圍內(nèi)。

由于固面天線的焦點(diǎn)和角度對稱面處于空間虛擬位置當(dāng)中，不易直接測量，因此在裝配時不但存在沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸方向的移動自由度，還需增加繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動自由度，從而導(dǎo)致裝配天線時存在4個甚至6個自由度，大大提升了裝配難度。傳統(tǒng)的手工裝配方法難度極高，不易學(xué)習(xí)掌握，亟需開發(fā)自動化裝配技術(shù)進(jìn)行替代。

3? 自動化衛(wèi)星天線裝配系統(tǒng)的構(gòu)建方法

與汽車、航空等行業(yè)相比，衛(wèi)星天線的精度要求更高，因此自動化衛(wèi)星天線裝配系統(tǒng)的構(gòu)建重點(diǎn)在于盡可能提升精度，而不是縮短操作時間。為了提升裝配精度，應(yīng)當(dāng)更加強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中測量裝置的重要性。此外，在汽車等行業(yè)當(dāng)中，往往采用固定的裝配程序進(jìn)行批量化、規(guī)?；a(chǎn)，然而在航天領(lǐng)域當(dāng)中，同類產(chǎn)品的數(shù)量很少，為了適應(yīng)實(shí)際裝配需求，必須不斷對程序進(jìn)行修改和調(diào)試。

3.1 執(zhí)行系統(tǒng)的構(gòu)建

執(zhí)行系統(tǒng)中需要配備精度足夠高的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，精確控制衛(wèi)星天線裝配時的6個自由度，從而準(zhǔn)確抓取到相關(guān)產(chǎn)品以進(jìn)行位置調(diào)整。目前，在構(gòu)建執(zhí)行系統(tǒng)時普遍采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行操作，以完成靈活、多樣化的裝配任務(wù)。對于不同種類的產(chǎn)品，還要在工業(yè)機(jī)器人上配備相應(yīng)的末端執(zhí)行器。

3.2 測量系統(tǒng)的構(gòu)建

在構(gòu)建測量系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)選用全自動化的測量裝置，以便快速對產(chǎn)品進(jìn)行精確測量。在航天領(lǐng)域中，通常采用iGPS系統(tǒng)進(jìn)行大范圍內(nèi)的參數(shù)測量，同時采用激光跟蹤儀進(jìn)行較小范圍內(nèi)的動態(tài)參數(shù)測量。由于衛(wèi)星天線的空間范圍較小，因此適合采用激光跟蹤儀構(gòu)建測量系統(tǒng)。

3.3 布局系統(tǒng)的構(gòu)建

在系統(tǒng)工作過程中，不同的設(shè)備和產(chǎn)品不斷進(jìn)行運(yùn)動，有可能造成位置干涉等安全隱患，或產(chǎn)生測量設(shè)備遮光問題。因此，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)對整個系統(tǒng)中的所有設(shè)備和產(chǎn)品進(jìn)行合理的布局規(guī)劃，確保產(chǎn)品可以順利通過所有設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人也能夠自由移動到需要進(jìn)行操作的位置。

3.4 中央控制系統(tǒng)的構(gòu)建

中央控制系統(tǒng)是整個自動化裝配系統(tǒng)中的核心組成部分，需要使用到自動調(diào)姿控制、坐標(biāo)系建立與轉(zhuǎn)換、測量數(shù)據(jù)評估、軟件開發(fā)等多種不同技術(shù)。

自動調(diào)姿控制需要使用精確的測量技術(shù)，并根據(jù)適當(dāng)?shù)乃惴z測出當(dāng)前產(chǎn)品部件的位置和姿態(tài)，然后對執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)出命令，向其給出抓取該部件的初始位置、姿態(tài)和目標(biāo)位置、姿態(tài)。執(zhí)行完成后，再次對產(chǎn)品部件進(jìn)行測量，若仍然存在較大誤差，則重新命令執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過多次操作和測量后，最終使得部件的位置精度滿足裝配需求。

在裝配過程中，還需要在整個裝配設(shè)備中建立精確的坐標(biāo)系。以測定裝配平臺、產(chǎn)品部件、機(jī)器人的具體位置，從而準(zhǔn)確完成裝配任務(wù)。在不同設(shè)備的坐標(biāo)系之間，還要建立自動變換和校正程序，以免造成誤差。

在進(jìn)行測量時，由于設(shè)備故障或外界環(huán)境因素干擾等原因，有可能造成測量精度下降，甚至超過誤差上限。因此，在系統(tǒng)中還需設(shè)計測量數(shù)據(jù)評估程序，對測量結(jié)果的可靠性進(jìn)行判斷，對于誤差較大的測量結(jié)果，還應(yīng)當(dāng)找出其發(fā)生原因，以便工作人員及時排除故障，讓測量設(shè)備盡快恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

中央控制系統(tǒng)還需要開發(fā)一套自動化控制軟件，集成系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、機(jī)器人控制和裝配操作等各項功能。

系統(tǒng)建立完成后，即可對衛(wèi)星反射器位置進(jìn)行精準(zhǔn)測量，然后將其位置和姿態(tài)信息傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)當(dāng)中，再通過系統(tǒng)算法生成操作指令，并傳輸至執(zhí)行系統(tǒng)，控制工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行調(diào)整操作。通過多次操作和測量之后，最終將衛(wèi)星天線的位置控制在誤差范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)自動化高精度裝配的目標(biāo)。

4? 結(jié)語

通過建立自動化衛(wèi)星天線裝配系統(tǒng)，可以極大地提高衛(wèi)星天線裝配的精度和效率，通過測量系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制，對產(chǎn)品位置進(jìn)行反復(fù)校正，最終滿足產(chǎn)品的高精度要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬開鋒.高低溫環(huán)境衛(wèi)星天線形面變形的近景攝影測量與數(shù)據(jù)處理[D].中國礦業(yè)大學(xué)（北京），2016.

[2] 黃明亞，黃晉英，呂海峰，等.基于ADAMS的周邊桁架式衛(wèi)星天線的仿真研究[J].科技信息，2014（9）：31-32.

[3] 張明，喻懋林，張玉生.自動化技術(shù)在衛(wèi)星天線高精度裝配中的應(yīng)用研究[J].航空制造技術(shù)，2013（20）：26-29.