裝配校準(zhǔn)對機械可動天線主反射器型面精度影響的研究①

劉 飛，曹子振，張小成，孫曉輝，盆洪民

(天津航天機電設(shè)備研究所，天津 300458)

0 引言

目前我國遙感衛(wèi)星的數(shù)傳天線和中繼天線多采用機械可動天線，該天線采用雙軸驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)天線對地面站的指向，提高了星上數(shù)傳的等效全向輻射功率[1]。同時隨著衛(wèi)星天線使用頻段的提高，對天線主反射器型面精度也提出了越來越高的要求[2]，高精度反射面在遙感、氣象、通信和深空探測等衛(wèi)星領(lǐng)域中也得到廣泛的研究和應(yīng)用[3-7]。

機械可動天線一般由反射器組件、展開機構(gòu)、跟蹤機構(gòu)、安裝板、鎖緊釋放裝置等組成，典型的機械可動天線如圖1所示[8]。

圖1 典型的機械可動天線

為了保證天線裝配精度和電氣性能，需要對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件進(jìn)行機械裝配測試和校準(zhǔn)，裝配校準(zhǔn)主要包括主反射器與饋源位置關(guān)系、副反射器與主反射器位置關(guān)系，通過裝配校準(zhǔn)實現(xiàn)天線主反射器與饋源、副反射器3者之間的相對位置的準(zhǔn)確性[9]。天線裝配校準(zhǔn)會對主反射器的型面精度產(chǎn)生影響，嚴(yán)重的甚至?xí)剐兔婢瘸睿固炀€電性能指標(biāo)超差。為滿足天線產(chǎn)品電性能指標(biāo)要求，需要保證主反射器的型面精度，對裝配校準(zhǔn)過程進(jìn)行分析研究。

1 機械可動天線的裝配校準(zhǔn)

1.1 反射器組件裝配要求

機械可動天線的反射器組件由主反射器、副反射器、副反支桿和饋源組件組成，如圖2所示，圖中坐標(biāo)系為天線主反射器坐標(biāo)系。

圖2 反射器組件圖

副反射器和饋源組件的裝配校準(zhǔn)一般采用4臺經(jīng)緯儀建立測量系統(tǒng)，分別測量主反射器、副反射器和饋源組件的基準(zhǔn)孔，建立天線主反射器坐標(biāo)系，計算副反射器和饋源組件在天線主反射器坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)角偏差和位移偏差[10]，系統(tǒng)測量原理如圖3原理圖所示。

圖3 裝配校準(zhǔn)測量原理圖

為了保證天線電氣指標(biāo)，主反射器與饋源組件和副反射器之間需要保證較高的同軸度和位置關(guān)系要求[11]。饋源組件、副反射器與主反射器相對位置關(guān)系校準(zhǔn)要求包括3個方向轉(zhuǎn)角誤差和3個方向的位移誤差。

饋源組件直接與主反射器相連接，其裝配校準(zhǔn)產(chǎn)生的應(yīng)力小。而副反射器通過副反支桿與主反射器連接，其在裝配校準(zhǔn)時工況較為復(fù)雜，每種工況對主反射器型面的精度影響均不一樣，需要逐一進(jìn)行分析。

1.2 反射器組件裝配過程

假定機械可動天線的主反射器的口面直徑尺寸為φ=1 500 mm，研究裝配校準(zhǔn)對主反射器型面精度的影響。如果主反射器型面精度要求RMS≤0.2 mm。由于加工誤差，在天線裝配校準(zhǔn)前，一般要求主反射器型面的初始精度RMS≤0.1 mm，則裝配校準(zhǔn)對主反射器型面精度的影響需要控制在0.1 mm內(nèi)，否則型面精度在裝配后有可能超差。

副反支桿長度公差會導(dǎo)致副反射器裝配時副反射器與主反射器相對位置公差超差，實際裝配中一般靠修配或者增加調(diào)整墊片的方式來改善副反射器與主反射器的位置偏差。副反射器裝配過程中存在的裝配應(yīng)力會導(dǎo)致主反射器型面精度發(fā)生改變，在副反射器安裝完成后還需要對主反射器型面精度進(jìn)行檢測。這種反復(fù)迭代的過程大大降低了工作效率，因此有必要對裝配過程進(jìn)行數(shù)值量化分析，用于指導(dǎo)裝配，文章采用有限元方法對該裝配過程進(jìn)行分析。

2 反射器組件裝配有限元分析

2.1 有限元模型建立

采用abaqus軟件進(jìn)行有限元建模分析，有限元模型如圖4所示，為了區(qū)分4個副反支桿，按圖4所示對副反支桿進(jìn)行編號。

圖4 有限元模型

主反射器和底部加強肋為蜂窩板結(jié)構(gòu)，蒙皮材料為M40J，按[0/±45/90]s鋪層，芯子為BC1.8-3/8P的鋁蜂窩。副反支桿壁厚1 mm，副反射器材料為鋁合金。主反射器、底部加強肋和副反支桿簡化為殼單元，按照層合板理論進(jìn)行鋪層建模。

分析時，副反支桿被設(shè)置一個初始的長度偏差，強制將副反支桿與主反射器和副反射器的安裝面連接，研究副反支桿長度偏差對副反射器位移偏差和主反射器型面精度的影響。在abaqus中建立了3個分析步，第1個分析步中施加強制位移，使得副反支桿安裝面與主反射器和副反射器安裝面位置貼合；第2個分析步中副反支桿安裝面與主反射器和副反射器安裝面建立起綁定約束關(guān)系；第3個分析步中釋放強制位移，反射器在內(nèi)應(yīng)力作用下自由變形。

2.2 計算結(jié)果分析

為了研究副反支桿長度公差對主反射器型面精度的影響，對4個副反支桿可能出現(xiàn)的長度組合形式進(jìn)行歸類，主要分為4大類16小類組合形式，其中類別1以1根桿和另外3根桿進(jìn)行區(qū)分，類別2以相對的兩根桿和另外相對的兩根桿進(jìn)行區(qū)分，類別3以相鄰的兩根桿和另外相鄰的兩根桿進(jìn)行區(qū)分，類別4以4根桿同步變化進(jìn)行區(qū)分。具體分類形式和計算結(jié)果見表1所示。

表1 副反支桿長度組合對主反射器型面精度和副反射器位移及轉(zhuǎn)角偏差影響

從有限元分析的結(jié)果可以看出，±0.5 mm的長度公差對于副反支桿來說過于寬松，很容易導(dǎo)致裝配過程中副反射器位移超差，需要對副反支桿進(jìn)行修配或增加調(diào)整墊片。另外，對于工況10，當(dāng)副反支桿兩長兩短，并且兩長、兩短分別安裝在主反射器的兩端，各呈180°分布，此種工況下副反射器位移偏差都為0，而主反射器型面精度值變化卻非常大。當(dāng)兩長為+0.32 mm、兩短為-0.32 mm時，主反射器型面精度值變化為0.1 mm，如主反射器初始型面精度為0.1 mm，則裝配校準(zhǔn)后可能會導(dǎo)致主反射器型面精度值RMS>0.2 mm。工況10下反射器組件變形云圖如圖5所示，此時副反射器變形是對稱的，無論變形多大，僅僅依靠副反射器上4個基準(zhǔn)點擬合的圓得到的副反射器的位移偏差永遠(yuǎn)為0，雖然該指標(biāo)得到了滿足，主反射器型面精度卻可能超差，而且副反射器也存在變形過大而該評估指標(biāo)卻沒有有效進(jìn)行評判的情形。因此，在對副反射器基準(zhǔn)點進(jìn)行檢測時，還應(yīng)增加反映副反射器變形的檢測指標(biāo)，例如以相對兩組基準(zhǔn)點距離變化值作為檢測指標(biāo)，工況10下相對兩組基準(zhǔn)點距離變化值為±0.13 mm，可以將兩組基準(zhǔn)點距離變化值不超過±0.1 mm作為檢測指標(biāo)。

圖5 工況10下反射器組件變形云圖

3 減小裝配校準(zhǔn)對主反射器型面精度影響的方法

某型號口徑為φ=1 500 mm的主反射器，在實際裝配校準(zhǔn)過程中就發(fā)生了第2章工況10的情況。在實際裝配校準(zhǔn)過程中發(fā)現(xiàn)副反射器的位移和轉(zhuǎn)角都符合精度要求，但是相對兩組基準(zhǔn)點距離變化值為0.22 mm，裝配校準(zhǔn)后，其主反射器型面精度RMS值由初始的0.08 mm變?yōu)?.17 mm，參見表2。進(jìn)一步分析原因，4個副反支桿的長度基本一致，但是主反射器的副反支桿連接埋件安裝孔超差，3個副反支桿連接埋件孔位偏低，另一個副反支桿連接埋件孔位dz值偏高。在裝配校準(zhǔn)時，孔位dz值偏高的副反支桿連接埋件，其相對的另一側(cè)埋件處要添加調(diào)整墊片，使得副反射器一組相對的基準(zhǔn)點dz偏高，另一組相對的基準(zhǔn)點dz值偏低，從而發(fā)生了工況10的現(xiàn)象，使主反射器型面精度值發(fā)生了較大的變化。

表2 不同裝配校準(zhǔn)工況下主反射器的型面精度值

通過以上分析可知，調(diào)節(jié)副反支桿對副反射器進(jìn)行裝配校準(zhǔn)，可能會造成主反射器型面精度超差，使天線產(chǎn)品不能滿足電氣指標(biāo)要求。為了保證天線裝配校準(zhǔn)后，主反射器型面精度值滿足要求，需要采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行控制，下文介紹3種方法。

3.1 提高加工精度

在主反射器和副反支桿加工制造時，提出更高的加工精度要求。如對主反射器型面要求其初始型面精度控制在0.05 mm，對主反射器的預(yù)埋件安裝孔位精度控制在±0.1 mm以內(nèi)，對副反支桿要求其尺寸精度控制在±0.1 mm以內(nèi)。主反射器一般為碳纖維蒙皮、鋁蜂窩和金屬預(yù)埋件組成，其通過模具鋪層并高溫固化而成型；副反支桿為碳纖維管和兩短金屬接頭粘接而成。主反射器和副反支桿過高的加工精度要求，必然會使加工時間和加工成本大幅增加，影響加工經(jīng)濟性，并延長加工周期。

3.2 采用工裝法輔助裝配校準(zhǔn)

設(shè)計通用工裝，輔助副反支桿的安裝。設(shè)計如圖6所示的工裝，此工裝由四桿機構(gòu)、位移調(diào)整機構(gòu)和固定盤3部分組成，四桿機構(gòu)可以調(diào)節(jié)副反射器的Rx、Ry和Dz，位移調(diào)整機構(gòu)可以調(diào)節(jié)副反射器的Dx和Dy，副反射器可以自由轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)Rz，Rz調(diào)節(jié)合適后，用固定盤上的4個螺釘頂緊副反射器。副反裝配校準(zhǔn)完畢后，依次安裝4個副反支桿，如有不合適處，可以在支桿兩端的連接處添加調(diào)整墊片進(jìn)行調(diào)節(jié)，副反支桿安裝完成后，拆除輔助工裝，如圖7所示。但此方法不能解決由于副反支桿連接埋件安裝孔位dz偏高造成的影響。

圖6 副反射器裝配校準(zhǔn)輔助工裝

圖7 副反支桿安裝與輔助工裝拆卸

3.3 采用工裝法直接在主、副反射器之間粘接副反支桿

副反支桿由接頭1、接頭2和碳桿組成，其中接頭1與主反射器連接，接頭2與副反射器連接，接頭1、接頭2和碳桿采用環(huán)氧膠粘接，如圖8所示。

圖8 副反支桿圖

采用3.2節(jié)所示副反射器裝配校準(zhǔn)工裝，將副反射器和主反射器的安裝位置校準(zhǔn)到符合精度指標(biāo)后，將碳桿和接頭1與接頭2用環(huán)氧膠進(jìn)行粘接，然后將接頭1與主反射器連接，接頭2與副反射器連接，待粘接固化完成，去除裝配校準(zhǔn)工裝，此方法利用粘接時碳桿與接頭1和接頭2之間膠的流動，抵消了加工誤差造成的影響，可以完全消除副反支桿的裝配應(yīng)力。

3.4 實際工程驗證

在實際工程應(yīng)用中，為計算主反射器型面精度，通常在主反射器表面粘貼大量靶標(biāo)點，如圖9所示，該主反射器的口徑為φ=1 500 mm。采用經(jīng)緯儀系統(tǒng)測量或者攝影測量計算靶標(biāo)點的值[12]，并導(dǎo)入Spatial Analyzer軟件對型面精度值進(jìn)行計算，如圖10所示。反射器不同裝配校準(zhǔn)工況下的型面精度值詳見表2。

圖9 主反射器粘貼熒光靶標(biāo)點圖

圖10 Spatial Analyzer軟件型面精度計算圖

通過表2可知，直接進(jìn)行裝配校準(zhǔn)，由于存在裝配應(yīng)力和第2.2節(jié)工況10的情況，其型面精度值變化較大。采用工裝對副反射器進(jìn)行裝配校準(zhǔn)，通過調(diào)整墊片的添加，可以適當(dāng)減少裝配校準(zhǔn)產(chǎn)生的應(yīng)力變形。采用工裝進(jìn)行副反射器裝配校準(zhǔn)并對副反支桿粘接固化，可以進(jìn)一步減少主反射器型面精度的變化值，與初始型面值比較，僅變化了0.01 mm。

4 結(jié)束語

文章采用有限元方法，對不同副反支桿長度共16種工況進(jìn)行了計算分析，得出每種工況下裝配校準(zhǔn)對主反射器型面精度的影響，尤其在工況10下，其主反射器型面精度甚至?xí)?。提出采用工裝法輔助裝配校準(zhǔn)，進(jìn)一步裝配校準(zhǔn)時直接對副反支桿進(jìn)行粘接固化，利用粘接時碳桿與金屬接頭之間膠的流動性，抵消加工和裝配誤差，減少甚至消除裝配校準(zhǔn)產(chǎn)生的應(yīng)力。通過實際工程驗證了本方法的可行性，其型面精度值在裝配校準(zhǔn)后僅變化了0.01 mm，同時減少了副反支桿的反復(fù)拆裝調(diào)試，極大地提高了裝配測試效率，其裝配測試效率可提高50%以上。