卫星大部件二维转台装配工艺方法.pdf

第 40 卷 2023 年第 4 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）卫星大部件二维转台装配工艺方法董自瑞，季红侠，马赫，杨宝，周诚（上海卫星装备研究所，上海 201109）摘要:为了满足某卫星大部件二维转台在地面重力状态装配后，保证其在轨解锁前精度一致性，提出了二维转台装配工艺优化方法。首先通过模拟载荷配重试验，探索转台星上接口重力下变化规律，保证结构板组合加工偏差，优化卫星层板组合加工工艺方法；其次分析二维转台机构变形，采用卸载装星工装，并对二维转台卸载装配前后关键变形进行精测对比。二维转台通过模拟试验和卸载装配后，保证了地面重力压紧状态和卸载状态下装配精度均在设计指标内，满足卫星二维转台装配要求。通过模拟试验确定结构加工公差余量，在进行卸载装配时，对卸载前后精度精测对比，是卫星大部件载荷装配工艺的正确方法。关键词:二维转台；装配；模拟加载；装配卸载；精测中图分类号:V 476.3 文献标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.04.020Research on Assembly Process of Two-Dimensional Turntable for Large Satellite ComponentsDONG Zirui，JI Hongxia，MA He，YANG Bao，ZHOU Chen（Shanghai Institute of Satellite Equipment，Shanghai 201109，China）Abstract:In order to meet the accuracy consistency of the two-dimensional（2D）turntable for satellite components in the ground gravity state after installation and before unlocking on orbit，an optimization method for the assembly process of the 2D turntable is proposed.First，the change rule of the turntable interface under the gravity is explored by means of simulated load counterweight tests so as to ensure the processing deviation of the structural plate assembly and optimize the processing method for satellite laminate assembly.Second，the deformation of the 2D turntable mechanism is analyzed，the unloading and assembling star tooling is used，and the key deformations of the 2D turntable before and after the unloading assembly are measured and compared.After the simulated tests and unloading assembly of the 2D turntable，both the assembly accuracy in the ground gravity compression state and the assembly accuracy in the unloading state are within the design index，which meets the assembly requirements of the 2D turntable for satellites.When large satellite components are loaded，it is correct to determine the structural machining tolerance allowance through simulation tests and compare the precision before and after unloading assembly.Key words:two-dimensional turntable；assembly；simulated loading；assembly and unloading；precise measurement0引言 卫星二维转台机构作为空间三维活动部件载荷能够实现在轨相机跟踪指向功能，一般安装于卫星层板，在发射状态收拢压紧，在轨后解锁，进行地面目标观察任务。二维转台地面机械安装精度由于安装接口重力变形影响、在轨后无重力状态变形释放等因素，将严重影响卫星二维转台初始指向精度1-3，给卫星在轨任务带来挑战。在卫星层板接口机械加工阶段通过精测、模拟件实验分析二维转台变形余量，确定卫星层板机械加工公差，保证空载、满载状态二维转台安装机械接口均满足指标要求。在二维转台与卫星装配阶段采用卸载装配方式，并收稿日期：20230209；修回日期：20230225作者简介：董自瑞（1991），男，硕士，工程师，主要研究方向航天器结构、卫星 AIT 总装。152第 40 卷 2023 年第 4 期董自瑞，等：卫星大部件二维转台装配工艺方法实测卸载前后安装面精度，实现了卫星二维转台地面重力、卸载状态初始指向精度均满足设计要求，卫星二维转台已经在轨成功应用。国内关于二维转台研究，多聚焦于产品本身结构设计4-6和精度保证7-8，卫星大部件载荷装配工艺研究9-10以非活动部件相机为主，大型活动部件载荷现有装配工艺多采用吊挂、气浮等方式进行活动部件重力卸载、展开，待活动部件组件级展开锁定后，进行卫星姿态调整，连接活动部件与卫星机械接口连接11-13。本文通过实测卫星二维转台安装层板空载、满载接口变化，进行接口加工、转台卸载装配，保证二维转台地面、在轨初始安装精度均满足设计要求，对大型活动部件载荷星上装配具有一定参考意义。1二维转台组成及装星形式 二维转台主要有由二维转台机构（方位轴和俯仰轴）、相机以及压紧点解锁器等部分组成，相机重约 90 kg，转台机构重约 45 kg，如图 1 所示。转台通过 9 个解锁器收拢压紧，其中 6#9#压紧点与卫星层板连接，1#、2#压紧点与星上支架连接，3#5#压紧点为转台相机与机构内部连接。在地面及在轨初始状态锁定，在轨后实现解锁功能，解锁后，转台具备方位轴和俯仰轴转动功能。二维转台通过方位轴法兰与星体中层板预留接口螺钉机械连接，收拢压紧状态解锁器通过螺钉安装 载 星 上 压 紧 支 架 和 二 维 转 台 支 架 上，如 图 2所示。2转台星上接口组合加工工艺方法 二维转台安装在卫星中层板上，质量约 135 kg，且转台底部压紧点部分悬伸至星外，考虑产品安装后卫星层板安装面的形变，在转台安装面组合加工时进行了模拟加载试验，确定组合加工余量。试验具体流程如图 3所示。2.1安装面组粗加工、精测卫星二维转台安装面在整星结构装配阶段采用 GM2140X40 卫星精密修整设备进行组合加工，加工时保证转台法兰及压紧点组合平面度。组合面粗加工后，对星上转台安装面基准（图 2）标记，并用激光跟踪仪测量加载前标记点 Z向坐标即测量点图 1二维转台组成布局Fig.1Composition layout of the 2D turntable图 2二维转台装星接口Fig.2Schematic diagram of the satellite installation interface on the 2D turntable153第 40 卷 2023 年第 4 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）组合平面度，见表 1。2.2加载模拟件试验通过行车将二维转台模拟件（135 kg配重）安装在卫星组合光出后的安装面上，且吊带处于松弛状态，如图 4所示。二维转台模拟件装星加载后，通过激光跟踪仪测量加载后标记点坐标及测量点组合平面度，见表 2。静置 4 h 后，通过行车将模拟件从星上拆除，并用激光跟踪仪测量卸载后标记点坐标及测量点组合平面度，见表 3。2.3确定组合加工余量通过模拟载荷加载前后测量点形变量，见表 4，最大变形量为 0.1 mm。二维转台在加载前、加载配重拆除后，二维转台安装面标记点精测数据一致，二维转台安装后层板变形影响，转台安装面至转台压紧点支架上表面距离679.5-0.3-0.5 mm 按照下偏差加工，加工后距离实测为 679.03 mm，保证二维转台装配后卸载前后精度均满足要求，如图 5所示。图 3二维转台星上接口组合加工工艺流程Fig.3Combined processing process flow of the 2D turntable on-board interface表 1加载前标记点坐标及测量点组合平面度Tab.1Coordinates of the marked points and the combined flatness of the measuring points测量点 Z向坐标测量值/mmA10.02A20A30.03A40.03组合平面度0.04图 4二维转台模拟加载及精测图Fig.42D turntable simulation loading and precise measuring mapping表 2激光跟踪仪测量加载后标记点坐标及测量点组合平面度Tab.2Coordinates of the marked points after loading and the combined flatness of the measuring points obtained by the laser tracker测量点 Z向坐标测量值/mmA10.07A20.07A30.10A40.07组合平面度0.08表 3激光跟踪仪测量卸载后标记点坐标及测量点组合平面度Tab.3Coordinates of the marked points after unloading and the combined flatness of the measuring points obtained by the laser tracker测量点 Z向坐标测量值/mmA10.02A20.02A30.03A40.05组合平面度0.05表 4加载前后 c形变量Tab.4Deformations of a measuring point before and after loading测量点 Z向形变测量值/mmA10.09A20.07A30.13A40.10154第 40 卷 2023 年第 4 期董自瑞，等：卫星大部件二维转台装配工艺方法3二维转台装星工艺 3.1转台受力分析二维转台重力状态竖直停放，在重力作用下，通过约束底部支架，进行二维转台本身受力分析，其变形结果如图 6 所示，二维转台与卫星安装接口处变形在 0.003 2 mm 左右，星上安装层板安装在模拟件加载前后变形 0.10 mm 左右（表 4），通过对比发现层板变形较大，因此在重力场作用下，转台与装星装配需要采用重力卸载，然后在进行转台与卫星底部收拢压紧。3.2二维转台装星工艺二维转台装星在不卸载状态下装星压紧，存在底板变形和压紧点间隙现象，收拢压紧后地面重力状态下解锁器不受预紧力影响，在轨解锁前，解锁器会因为转台安装层板重力消除变形回复带来非解锁方向切向力，因此，需要在卸载状态下进二维转台装星压紧。3.2.1装星姿态调平卫星在状态总装阶段，进行二维转台组合体装星前，需进行转台安装面整体水平度调整，利用激光跟踪仪将转台安装面与大地水平度夹角调整在0.01范围内，保证转台安装接口不受重力影响。3.2.2二维转台装星卸载工装如图 7所示，转台卸载装星工装主要有装星框、弹性绳、十字吊具、吊带、电子拉力称组成，其中装星框主要由主、从动轴侧框、相机侧框 1、相机侧框 2和吊具连接件组成。装星卸载时，将装星框安装在二维状态预留的工装接口处，然后将吊具连接件安装至装星框，行车通过吊带连接电子拉力称，下方通过吊带与十字吊具连接，十字吊具通过弹性绳与装星框吊具连接件连，在行车点动状态进行卸载，当电子拉力称示数为转台重力时，静置 1 h 观察电子称示数有无变化。图 5转台压紧点组合加工尺寸Fig.5Schematic diagram of the combined machining dimensions of a turntable clamping point图 6二维转台及机构受力分析Fig.6Stress analysis diagram of the 2D turntable and mechanism图 7二维转台装星后卸载工装Fig.7Schematic diagram of the 2D turntable unloading tooling after loading stars155第 40 卷 2023 年第 4 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）3.2.3二维转台装星卸载二维转台收拢压紧前用激光跟踪仪进行压紧点组合加工面平面度测量，通过解锁器垫片调整，安装二维转台解锁器，拆除卸载工装后，进行压紧点安装面精测。通过二维转台卸载后收拢压紧，实现在卸载状态下装星精度在679.0+0.15+0.12，收拢压紧后拆除卸载工装，装星精度在679.0+0.06+0.03，即重力状态和在轨未解锁状态均满足679.0+0.2+0，保证了二维转台与卫星装配精度，见表 5。4结束语 在卫星结构装配加工过程，通过模拟加载试验实测安装接口变形确定机械加工方法合理，去除星上层板因大部件二维转台安装后重力变形带来初始精度超差影响。通过受力分析，采用卸载装配完成了二维转台与卫星装配，实测卸载前后卫星接口处变形量，验证并实现了地面重力状态、卸载状态转台初始指向精度均在设计范围内。解决了二维转台与卫星装配地面重力状态、在轨零重力状态初始指向精度一致性问题。在卫星总装 AIT 过程中对初始指向精度大部件载荷与卫星装配具有很高的参考、推广价值。参考文献1 张馨月，施嘲风，纪宝忠，等.高精度激光雷达转台结构设计与装配方法 J.航空精密制造技术，2020，56（5）：53-55.2 刘剑峰，韩琦琦，于思源，等.卫星光通信终端二维转台运动参量对天线指向影响研究J.宇航学报，2007（4）：926-931.3 崔凯.二维跟踪转台与卫星平台的动力学耦合技术研究 D.西安：中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所），2013.4 秦涛，郭骏立，张美丽，等.星载二维转台结构设计及刚度分析 J.红外与激光工程，2022，51（5）：300-308.5 张永强，刘朝晖，李治国，等.空间二维转台照准架的结构 优 化 设 计J.红 外 与 激 光 工 程，2017，46（S1）：110-115.6 王智，李朝辉.月基极紫外相机光机结构设计 J.光学精密工程，2011，19（10）：2427-2433.7 蔺宇辉，李玲，王春辉，等.某空间光学遥感器的振动抑制及装星应力卸载技术应用J.航天返回与遥感，2012，33（1）：23-31.8 张庆庆.同平台两并列载荷的全约束装星方法研究D.长春：中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所），2013.9 袁佳晶，刘锦，张敬伟，等.大型双面安装卫星载荷高精度装配方法 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