装配校准对机械可动天线主反射器型面精度影响的研究①

刘 飞，曹子振，张小成，孙晓辉，盆洪民

(天津航天机电设备研究所，天津 300458)

0 引言

目前我国遥感卫星的数传天线和中继天线多采用机械可动天线，该天线采用双轴驱动机构实现天线对地面站的指向，提高了星上数传的等效全向辐射功率[1]。同时随着卫星天线使用频段的提高，对天线主反射器型面精度也提出了越来越高的要求[2]，高精度反射面在遥感、气象、通信和深空探测等卫星领域中也得到广泛的研究和应用[3-7]。

机械可动天线一般由反射器组件、展开机构、跟踪机构、安装板、锁紧释放装置等组成，典型的机械可动天线如图1所示[8]。

图1 典型的机械可动天线

为了保证天线装配精度和电气性能，需要对产品结构件进行机械装配测试和校准，装配校准主要包括主反射器与馈源位置关系、副反射器与主反射器位置关系，通过装配校准实现天线主反射器与馈源、副反射器3者之间的相对位置的准确性[9]。天线装配校准会对主反射器的型面精度产生影响，严重的甚至会使型面精度超差，使天线电性能指标超差。为满足天线产品电性能指标要求，需要保证主反射器的型面精度，对装配校准过程进行分析研究。

1 机械可动天线的装配校准

1.1 反射器组件装配要求

机械可动天线的反射器组件由主反射器、副反射器、副反支杆和馈源组件组成，如图2所示，图中坐标系为天线主反射器坐标系。

图2 反射器组件图

副反射器和馈源组件的装配校准一般采用4台经纬仪建立测量系统，分别测量主反射器、副反射器和馈源组件的基准孔，建立天线主反射器坐标系，计算副反射器和馈源组件在天线主反射器坐标系下的转角偏差和位移偏差[10]，系统测量原理如图3原理图所示。

图3 装配校准测量原理图

为了保证天线电气指标，主反射器与馈源组件和副反射器之间需要保证较高的同轴度和位置关系要求[11]。馈源组件、副反射器与主反射器相对位置关系校准要求包括3个方向转角误差和3个方向的位移误差。

馈源组件直接与主反射器相连接，其装配校准产生的应力小。而副反射器通过副反支杆与主反射器连接，其在装配校准时工况较为复杂，每种工况对主反射器型面的精度影响均不一样，需要逐一进行分析。

1.2 反射器组件装配过程

假定机械可动天线的主反射器的口面直径尺寸为φ=1 500 mm，研究装配校准对主反射器型面精度的影响。如果主反射器型面精度要求RMS≤0.2 mm。由于加工误差，在天线装配校准前，一般要求主反射器型面的初始精度RMS≤0.1 mm，则装配校准对主反射器型面精度的影响需要控制在0.1 mm内，否则型面精度在装配后有可能超差。

副反支杆长度公差会导致副反射器装配时副反射器与主反射器相对位置公差超差，实际装配中一般靠修配或者增加调整垫片的方式来改善副反射器与主反射器的位置偏差。副反射器装配过程中存在的装配应力会导致主反射器型面精度发生改变，在副反射器安装完成后还需要对主反射器型面精度进行检测。这种反复迭代的过程大大降低了工作效率，因此有必要对装配过程进行数值量化分析，用于指导装配，文章采用有限元方法对该装配过程进行分析。

2 反射器组件装配有限元分析

2.1 有限元模型建立

采用abaqus软件进行有限元建模分析，有限元模型如图4所示，为了区分4个副反支杆，按图4所示对副反支杆进行编号。

图4 有限元模型

主反射器和底部加强肋为蜂窝板结构，蒙皮材料为M40J，按[0/±45/90]s铺层，芯子为BC1.8-3/8P的铝蜂窝。副反支杆壁厚1 mm，副反射器材料为铝合金。主反射器、底部加强肋和副反支杆简化为壳单元，按照层合板理论进行铺层建模。

分析时，副反支杆被设置一个初始的长度偏差，强制将副反支杆与主反射器和副反射器的安装面连接，研究副反支杆长度偏差对副反射器位移偏差和主反射器型面精度的影响。在abaqus中建立了3个分析步，第1个分析步中施加强制位移，使得副反支杆安装面与主反射器和副反射器安装面位置贴合；第2个分析步中副反支杆安装面与主反射器和副反射器安装面建立起绑定约束关系；第3个分析步中释放强制位移，反射器在内应力作用下自由变形。

2.2 计算结果分析

为了研究副反支杆长度公差对主反射器型面精度的影响，对4个副反支杆可能出现的长度组合形式进行归类，主要分为4大类16小类组合形式，其中类别1以1根杆和另外3根杆进行区分，类别2以相对的两根杆和另外相对的两根杆进行区分，类别3以相邻的两根杆和另外相邻的两根杆进行区分，类别4以4根杆同步变化进行区分。具体分类形式和计算结果见表1所示。

表1 副反支杆长度组合对主反射器型面精度和副反射器位移及转角偏差影响

从有限元分析的结果可以看出，±0.5 mm的长度公差对于副反支杆来说过于宽松，很容易导致装配过程中副反射器位移超差，需要对副反支杆进行修配或增加调整垫片。另外，对于工况10，当副反支杆两长两短，并且两长、两短分别安装在主反射器的两端，各呈180°分布，此种工况下副反射器位移偏差都为0，而主反射器型面精度值变化却非常大。当两长为+0.32 mm、两短为-0.32 mm时，主反射器型面精度值变化为0.1 mm，如主反射器初始型面精度为0.1 mm，则装配校准后可能会导致主反射器型面精度值RMS>0.2 mm。工况10下反射器组件变形云图如图5所示，此时副反射器变形是对称的，无论变形多大，仅仅依靠副反射器上4个基准点拟合的圆得到的副反射器的位移偏差永远为0，虽然该指标得到了满足，主反射器型面精度却可能超差，而且副反射器也存在变形过大而该评估指标却没有有效进行评判的情形。因此，在对副反射器基准点进行检测时，还应增加反映副反射器变形的检测指标，例如以相对两组基准点距离变化值作为检测指标，工况10下相对两组基准点距离变化值为±0.13 mm，可以将两组基准点距离变化值不超过±0.1 mm作为检测指标。

图5 工况10下反射器组件变形云图

3 减小装配校准对主反射器型面精度影响的方法

某型号口径为φ=1 500 mm的主反射器，在实际装配校准过程中就发生了第2章工况10的情况。在实际装配校准过程中发现副反射器的位移和转角都符合精度要求，但是相对两组基准点距离变化值为0.22 mm，装配校准后，其主反射器型面精度RMS值由初始的0.08 mm变为0.17 mm，参见表2。进一步分析原因，4个副反支杆的长度基本一致，但是主反射器的副反支杆连接埋件安装孔超差，3个副反支杆连接埋件孔位偏低，另一个副反支杆连接埋件孔位dz值偏高。在装配校准时，孔位dz值偏高的副反支杆连接埋件，其相对的另一侧埋件处要添加调整垫片，使得副反射器一组相对的基准点dz偏高，另一组相对的基准点dz值偏低，从而发生了工况10的现象，使主反射器型面精度值发生了较大的变化。

表2 不同装配校准工况下主反射器的型面精度值

通过以上分析可知，调节副反支杆对副反射器进行装配校准，可能会造成主反射器型面精度超差，使天线产品不能满足电气指标要求。为了保证天线装配校准后，主反射器型面精度值满足要求，需要采取适当的方法进行控制，下文介绍3种方法。

3.1 提高加工精度

在主反射器和副反支杆加工制造时，提出更高的加工精度要求。如对主反射器型面要求其初始型面精度控制在0.05 mm，对主反射器的预埋件安装孔位精度控制在±0.1 mm以内，对副反支杆要求其尺寸精度控制在±0.1 mm以内。主反射器一般为碳纤维蒙皮、铝蜂窝和金属预埋件组成，其通过模具铺层并高温固化而成型；副反支杆为碳纤维管和两短金属接头粘接而成。主反射器和副反支杆过高的加工精度要求，必然会使加工时间和加工成本大幅增加，影响加工经济性，并延长加工周期。

3.2 采用工装法辅助装配校准

设计通用工装，辅助副反支杆的安装。设计如图6所示的工装，此工装由四杆机构、位移调整机构和固定盘3部分组成，四杆机构可以调节副反射器的Rx、Ry和Dz，位移调整机构可以调节副反射器的Dx和Dy，副反射器可以自由转动调节Rz，Rz调节合适后，用固定盘上的4个螺钉顶紧副反射器。副反装配校准完毕后，依次安装4个副反支杆，如有不合适处，可以在支杆两端的连接处添加调整垫片进行调节，副反支杆安装完成后，拆除辅助工装，如图7所示。但此方法不能解决由于副反支杆连接埋件安装孔位dz偏高造成的影响。

图6 副反射器装配校准辅助工装

图7 副反支杆安装与辅助工装拆卸

3.3 采用工装法直接在主、副反射器之间粘接副反支杆

副反支杆由接头1、接头2和碳杆组成，其中接头1与主反射器连接，接头2与副反射器连接，接头1、接头2和碳杆采用环氧胶粘接，如图8所示。

图8 副反支杆图

采用3.2节所示副反射器装配校准工装，将副反射器和主反射器的安装位置校准到符合精度指标后，将碳杆和接头1与接头2用环氧胶进行粘接，然后将接头1与主反射器连接，接头2与副反射器连接，待粘接固化完成，去除装配校准工装，此方法利用粘接时碳杆与接头1和接头2之间胶的流动，抵消了加工误差造成的影响，可以完全消除副反支杆的装配应力。

3.4 实际工程验证

在实际工程应用中，为计算主反射器型面精度，通常在主反射器表面粘贴大量靶标点，如图9所示，该主反射器的口径为φ=1 500 mm。采用经纬仪系统测量或者摄影测量计算靶标点的值[12]，并导入Spatial Analyzer软件对型面精度值进行计算，如图10所示。反射器不同装配校准工况下的型面精度值详见表2。

图9 主反射器粘贴荧光靶标点图

图10 Spatial Analyzer软件型面精度计算图

通过表2可知，直接进行装配校准，由于存在装配应力和第2.2节工况10的情况，其型面精度值变化较大。采用工装对副反射器进行装配校准，通过调整垫片的添加，可以适当减少装配校准产生的应力变形。采用工装进行副反射器装配校准并对副反支杆粘接固化，可以进一步减少主反射器型面精度的变化值，与初始型面值比较，仅变化了0.01 mm。

4 结束语

文章采用有限元方法，对不同副反支杆长度共16种工况进行了计算分析，得出每种工况下装配校准对主反射器型面精度的影响，尤其在工况10下，其主反射器型面精度甚至会超差。提出采用工装法辅助装配校准，进一步装配校准时直接对副反支杆进行粘接固化，利用粘接时碳杆与金属接头之间胶的流动性，抵消加工和装配误差，减少甚至消除装配校准产生的应力。通过实际工程验证了本方法的可行性，其型面精度值在装配校准后仅变化了0.01 mm，同时减少了副反支杆的反复拆装调试，极大地提高了装配测试效率，其装配测试效率可提高50%以上。