微型展开铰链的蜗卷弹簧盲区装配操作方法

李晓峰 焦云雷 郭晨亮 孟庆昕 许江涛 盆洪民

微型展开铰链的蜗卷弹簧盲区装配操作方法

李晓峰 焦云雷 郭晨亮 孟庆昕 许江涛 盆洪民

（天津航天机电设备研究所，天津 300458）

针对某卫星大型网状雷达天线微型展开铰链装配过程存在的盲区操作特点，总结出一种采用触觉与听觉感知的微型展开铰链蜗卷弹簧盲区装配操作方法.该方法通过制作工装辅助，感知螺钉与蜗卷弹簧卡位时力矩变化和听到卡位声音感知，实现蜗卷弹簧与螺钉正确装配；借助无损检测方法实现铰链的蜗卷弹簧产品装配关系验证，确保铰链合格率及可靠度。在某导航卫星上大型网状雷达天线的展开机构装配中成功应用。结果表明，此装配方法能有效降低螺钉装配不到位错误，显著提高盲区装配作业的效率，极大提高产品装配合格率和铰链产品的可靠度。

展开铰链；蜗卷弹簧；盲区装配操作；声音感知

1 引言

随着航天技术的发展，构架式空间可展开天线是一种由多基本单元组合而成的大型桁架结构，具有大尺度，收纳比高，超柔性的机、电、热复杂系统[1]。雷达天线在卫星发射阶段处于收拢状态；卫星入轨后，解除锁定装置，展开机构通过弹簧驱动的展开铰链实现慢速驱动天线展开。弹簧驱动的展开机构已广泛应用于驱动卫星、构架式可展开天线、环形桁架式可展开天线等采用不同形式曲面支撑展开机构的天线，已应用于我国环境C卫星及北斗导航工程[2，3]。构架式可展开天线单元内部及单元之间通过弹簧、展开铰链、支架等方式连接，收拢状态弹簧储存能量，当反射器锁定装置解锁，弹簧释放能量驱动铰链运动反射器展开[4]。展开铰链是连接很多空间折展机构的重要部件，同时具备可动连接、展开、锁定功能，已被广泛应用于太阳翼、大型天线、大型空间支撑臂、可展桁架等航天领域[5]。如果展开机构运动出现卡滞或失去驱动力矩，可导致天线展开任务失败。因此展开铰链装配是关键环节，产品的可装配性和装配质量直接影响展开机构使用功能[6]。

介绍了一种微型展开铰链的蜗卷弹簧盲区装配操作方法，解决了展开机构的展开铰链的装配过程中盲区手工装配操作造成产品不合格问题。由于装配位置在封闭空间内，装配操作人员的视线受阻，无法看到待装配零件的实时状态，从触觉和听觉的角度提出了装配操作实施方法，并对其进行了实际装配操作验证，通过工业CT仪器的检测，验证该装配操作方法的可行性和正确性。对提高展开铰链装配生产效率、准确率和可靠性具有重要意义。

2 展开铰链构造及装配难点

2.1 展开铰链构造

展开铰链由铰链本体、同步齿轮、蜗卷弹簧、铰链轴、蜗簧螺钉等组成。其工作原理是蜗卷弹簧内圈楔形槽与蜗簧螺钉的螺钉头部钩住固定不动，蜗卷弹簧外圈通过螺钉与齿轮螺接紧固，工作过程内圈与展开铰链轴相对静止不动，外圈驱动左齿轮和右齿轮转动输出力矩工作。展开铰链内部构造如图1所示。

图1 展开铰链构造示意图

2.2 装配难点

展开铰链装配过程主要难点为铰链轴穿过铰链本体、同步齿轮和蜗卷弹簧，蜗簧螺钉头部需要进入蜗卷弹簧内圈和次内圈之间空隙。难点之一是穿入过程属于一轴过五孔的操作，穿过五孔后铰链轴上的蜗簧螺钉头部需要通过盲装操作穿过蜗卷弹簧，通过旋转铰链轴实现蜗簧螺钉头部穿过内圈上的楔形槽。铰链轴旋转过程中，铰链轴带动蜗卷弹簧内圈转动，螺钉头部与蜗卷弹簧内圈楔形槽边沿产生较大摩擦力，造成弹簧内圈与带有蜗簧螺钉的铰链轴形成不稳定的摩擦抱紧状态，蜗卷弹簧卷紧后，通过不稳定的摩擦力传递输出力矩，会形成蜗簧螺钉头部已穿过内圈上楔形槽依靠螺钉传递力矩的假象，长期放置或者多次压紧展开试验后，稳定状态逐渐失去平衡，蜗卷弹簧内圈松脱，会导致铰链无输出力矩。因此，难点之二是识别微型铰链的蜗卷弹簧与轴之间是依靠摩擦力还是链接力来传递扭矩。整个装配过程需要运用装配操作技能解决一轴过五孔和盲区装配操作的难点，要求非常高，常规方法难以实现。

3 装配方案及验证

3.1 技术方案及流程

蜗卷弹簧楔形槽的划分为：螺钉头部初始位置、滑行区域、最终位置。蜗卷弹簧与蜗簧螺钉头部装配关系示意图如图2所示。结合产品装配过程的蜗簧螺钉头部运动和弹簧末端楔形槽特点，借助于工装辅助，采用听觉感知蜗卷弹簧末端落入楔形槽瞬间撞击的声音，用手指触觉感知撞击振动[7，8]，协助判断蜗卷弹簧和蜗簧螺钉的装配结果，通过CT检查研制装配关系的正确性。装配工艺流程如图3所示。

图2 蜗卷弹簧与蜗簧螺钉头部装配关系示意图

图3 展开铰链装配工艺流程图

3.2 装配方法步骤

第1步：确保装配过程在安静环境下进行，由蜗卷弹簧末端落入楔形槽瞬间撞击的声音和振动作为感知源。装配零件用酒精清洗干净，晾干。

第2步：依据蜗卷弹簧的力矩述职进行编号配对。

第3步：将蜗卷弹簧尾端利用螺钉固定在同步齿轮上。

第4步：在蜗簧螺钉螺纹头部涂适量螺纹防松胶，然后拧入铰链轴内螺纹中，要求蜗簧螺钉装配后螺纹端面与铰链轴外圆柱平齐。对防松胶进行固化。如图4所示。

图4 蜗簧螺钉铰链轴装配示意图

第5步：制造了专用的蜗簧轴装配引导工装，减小穿轴过程中的阻力。手指抓住铰链本体，将蜗簧螺钉的螺钉头部与蜗卷弹簧楔形槽大口端对齐，铰链轴穿过蜗卷弹簧内圈，旋转铰链轴使蜗簧螺钉头部进入同步蜗卷弹簧楔形槽最小端。此步骤会听到蜗卷弹簧末端落入楔形槽瞬间撞击的声音或手指触觉感知撞击振动。

第6步：蜗簧螺钉钩紧蜗卷弹簧后匀速上紧，达到正常安装状态，如图5所示。

图5 蜗簧螺钉头部与蜗卷弹簧楔形槽装配示意图

第7步：铰链装配完成后，通过多次压紧、展开反复功能试验。

第8步：工业CT射线检测蜗卷弹簧末端是否落入楔形槽小端，装配关系是否满足图纸要求。

3.3 方法验证与讨论

选取编号171103、171075的展开铰链2套。采用上述方法装配，装配完成后对蜗卷弹簧与蜗簧螺钉头部的状态进行工业CT检测，检测结果见图6，可以看出，展开铰链的蜗簧螺钉头部已进入蜗卷弹簧最终位置，达到装配目标。

通过对装配过程的分析：

a. 蜗簧螺钉头部装入过程不能直接对正初始位置，应该正对蜗卷弹簧的初始位置前端，否则螺钉头部存在无法进入楔形槽的可能。

b. 铰链轴转动过程中，存在蜗簧螺钉头部外圆弧一部分嵌入到蜗卷弹簧内圈楔形槽中的可能，无法听到蜗卷弹簧末端落入楔形槽瞬间撞击的声音和感觉不到振动，在后续蜗卷弹簧加力过程中，螺钉头部由楔形槽宽口向窄口做相对运动，由此产生了不稳定的卡滞力，会形成不稳定的压紧装配状态。但该状态的展开铰链处于不稳定装配状态，随着多次压紧、展开过程的试验，或者同步蜗卷弹簧静态长期放置，弹簧张紧力发生缓慢的释放，可能造成蜗簧螺钉螺钉头部与楔形槽脱开。

c. 铰链轴转动过程中，无法听到蜗卷弹簧末端落入楔形槽瞬间撞击的声音和感觉不到振动

4 结束语

a. 提出一种基于触觉与听觉感知的微型展开铰链蜗卷弹簧盲区装配操作方法，实现蜗卷弹簧与螺钉正确装配；

b. 借助无损检测方法实现铰链的蜗卷弹簧产品装配关系验证，确保铰链合格率及可靠度。

c. 应用结果表明，该方法能有效提高展开铰链的盲区装配操作合格率和产品可靠度。

1 Puig L, Barton A, Rando N. A review on large deployable structures for astrophysics missions[J]. Acta Astronautica, 2010(67)：12～26

2 李团结，马小飞. 大型空间可展开天线技术研究[J]. 空间电子技术，2012，9(3)：35～39

3 马小飞，李洋，肖勇，等. 大型空间可展开天线反射器研究现状与展望[J]. 空间电子技术，2018(2)：16～26

4 黄志荣，宋彦平，郑士昆，等. 偏馈式构架反射器构型设计与展开协调性分析[J]. 机械科学与技术，2016，35(11)：1792～1796

5 郭宏伟，李长洲，史文华，等. 弹簧展开铰链锁定冲击及减小冲击方法[J].哈尔滨工业大学学报，2016，48(1)：29～34

6 徐兵，机械装配技术[M]. 北京：中国轻工业出版社，2014

7 童新宇，吴新丽，李思儒，等. 人手指振动触觉感知的短时间记忆特性[J]，生理学报，2020，72(5)：643～650

8 宋瑞，孙晓颖，刘国红，等. 机械振动对平面触觉感知特性的影响[J]，北京航空航天大学学报，2020，46(2)：379～387

Assembly Method of Spiral Springs in Blind Area for Small Deployable Hinges

Li Xiaofeng Jiao Yunlei Guo Chenliang Meng Qingxin Xu Jiangtao Pen Hongmin

(Tianjin Aerospace Institute of Electrical and Mechanical Equipment, Tianjin 300458)

In view of the blind area operation characteristics in the assembly process of small deployable hinges for large net-shape deployable antennas, this paper proposes an operating method in the blind area for spiral springs of small deployable hinges based on tactile and auditory perception. Assisted by designed tools, operators sensed the change of torque by hand when the screws and spiral springs are clamped and heard the clamping sound to judge, and finally realized the correct assembly of the spiral springs and the screws. With the help of non-destructive testing method, the assembly relationship of the hinges with the spiral springs is verified to ensure the qualified rate and reliability of the hinges. In the assembly process of large net-shape deployable antennas of Beidou navigation satellites, the application results show that it can reduce the assembly errors of screws and improve the efficiency of assembly in the blind area.

deployable hinge；spiral spring；blind area assembly operation；sound perception

V465

A

李晓峰（1979），技师，机电一体化专业；研究方向：航天器结构与机构集成装配操作技术。

2021-02-08