裝配校準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

(天津航天機電設備研究所，天津 300458)

0 引言

目前我國遙感衛星的數傳天線和中繼天線多采用機械可動天線，該天線采用雙軸驅動機構實現天線對地面站的指向，提高了星上數傳的等效全向輻射功率[1]。同時隨著衛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星領域中也得到廣泛的研究和應用[3-7]。

機械可動天線一般由反射器組件、展開機構、跟蹤機構、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，需要對產品結構件進行機械裝配測試和校準，裝配校準主要包括主反射器與饋源位置關系、副反射器與主反射器位置關系，通過裝配校準實現天線主反射器與饋源、副反射器3者之間的相對位置的準確性[9]。天線裝配校準會對主反射器的型面精度產生影響，嚴重的甚至會使型面精度超差，使天線電性能指標超差。為滿足天線產品電性能指標要求，需要保證主反射器的型面精度，對裝配校準過程進行分析研究。

1 機械可動天線的裝配校準

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，圖中坐標系為天線主反射器坐標系。

圖2 反射器組件圖

副反射器和饋源組件的裝配校準一般采用4臺經緯儀建立測量系統，分別測量主反射器、副反射器和饋源組件的基準孔，建立天線主反射器坐標系，計算副反射器和饋源組件在天線主反射器坐標系下的轉角偏差和位移偏差[10]，系統測量原理如圖3原理圖所示。

圖3 裝配校準測量原理圖

為了保證天線電氣指標，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系要求[11]。饋源組件、副反射器與主反射器相對位置關系校準要求包括3個方向轉角誤差和3個方向的位移誤差。

饋源組件直接與主反射器相連接，其裝配校準產生的應力小。而副反射器通過副反支桿與主反射器連接，其在裝配校準時工況較為復雜，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，則裝配校準對主反射器型面精度的影響需要控制在0.1 mm內，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力會導致主反射器型面精度發生改變，在副反射器安裝完成后還需要對主反射器型面精度進行檢測。這種反復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行數值量化分析，用于指導裝配，文章采用有限元方法對該裝配過程進行分析。

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軟件進行有限元建模分析，有限元模型如圖4所示，為了區分4個副反支桿，按圖4所示對副反支桿進行編號。

圖4 有限元模型

主反射器和底部加強肋為蜂窩板結構，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，按照層合板理論進行鋪層建模。

分析時，副反支桿被設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系；第3個分析步中釋放強制位移，反射器在內應力作用下自由變形。

2.2 計算結果分析

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的長度組合形式進行歸類，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根桿進行區分，類別2以相對的兩根桿和另外相對的兩根桿進行區分，類別3以相鄰的兩根桿和另外相鄰的兩根桿進行區分，類別4以4根桿同步變化進行區分。具體分類形式和計算結果見表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角偏差影響

從有限元分析的結果可以看出，±0.5 mm的長度公差對于副反支桿來說過于寬松，很容易導致裝配過程中副反射器位移超差，需要對副反支桿進行修配或增加調整墊片。另外，對于工況10，當副反支桿兩長兩短，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，則裝配校準后可能會導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個基準點擬合的圓得到的副反射器的位移偏差永遠為0，雖然該指標得到了滿足，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卻沒有有效進行評判的情形。因此，在對副反射器基準點進行檢測時，還應增加反映副反射器變形的檢測指標，例如以相對兩組基準點距離變化值作為檢測指標，工況10下相對兩組基準點距離變化值為±0.13 mm，可以將兩組基準點距離變化值不超過±0.1 mm作為檢測指標。

圖5 工況10下反射器組件變形云圖

3 減小裝配校準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，在實際裝配校準過程中就發生了第2章工況10的情況。在實際裝配校準過程中發現副反射器的位移和轉角都符合精度要求，但是相對兩組基準點距離變化值為0.22 mm，裝配校準后，其主反射器型面精度RMS值由初始的0.08 mm變為0.17 mm，參見表2。進一步分析原因，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。在裝配校準時，孔位dz值偏高的副反支桿連接埋件，其相對的另一側埋件處要添加調整墊片，使得副反射器一組相對的基準點dz偏高，另一組相對的基準點dz值偏低，從而發生了工況10的現象，使主反射器型面精度值發生了較大的變化。

表2 不同裝配校準工況下主反射器的型面精度值

通過以上分析可知，調節副反支桿對副反射器進行裝配校準，可能會造成主反射器型面精度超差，使天線產品不能滿足電氣指標要求。為了保證天線裝配校準后，主反射器型面精度值滿足要求，需要采取適當的方法進行控制，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，對主反射器的預埋件安裝孔位精度控制在±0.1 mm以內，對副反支桿要求其尺寸精度控制在±0.1 mm以內。主反射器一般為碳纖維蒙皮、鋁蜂窩和金屬預埋件組成，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，影響加工經濟性，并延長加工周期。

3.2 采用工裝法輔助裝配校準

設計通用工裝，輔助副反支桿的安裝。設計如圖6所示的工裝，此工裝由四桿機構、位移調整機構和固定盤3部分組成，四桿機構可以調節副反射器的Rx、Ry和Dz，位移調整機構可以調節副反射器的Dx和Dy，副反射器可以自由轉動調節Rz，Rz調節合適后，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整墊片進行調節，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和碳桿采用環氧膠粘接，如圖8所示。

圖8 副反支桿圖

采用3.2節所示副反射器裝配校準工裝，將副反射器和主反射器的安裝位置校準到符合精度指標后，將碳桿和接頭1與接頭2用環氧膠進行粘接，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力。

3.4 實際工程驗證

在實際工程應用中，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點，如圖9所示，該主反射器的口徑為φ=1 500 mm。采用經緯儀系統測量或者攝影測量計算靶標點的值[12]，并導入Spatial Analyzer軟件對型面精度值進行計算，如圖10所示。反射器不同裝配校準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點圖

圖10 Spatial Analyzer軟件型面精度計算圖

通過表2可知，直接進行裝配校準，由于存在裝配應力和第2.2節工況10的情況，其型面精度值變化較大。采用工裝對副反射器進行裝配校準，通過調整墊片的添加，可以適當減少裝配校準產生的應力變形。采用工裝進行副反射器裝配校準并對副反支桿粘接固化，可以進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種工況進行了計算分析，得出每種工況下裝配校準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會超差。提出采用工裝法輔助裝配校準，進一步裝配校準時直接對副反支桿進行粘接固化，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產生的應力。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后僅變化了0.01 mm，同時減少了副反支桿的反復拆裝調試，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。