葉 壯 張述卿 劉雪鵬 李 臣 李 光 李興光

激光通信粗指向機(jī)構(gòu)軸系精度測(cè)量方法

葉 壯 張述卿 劉雪鵬 李 臣 李 光 李興光

（北京控制工程研究所，北京 100190）

基于某型號(hào)CPA機(jī)構(gòu)的研制過(guò)程，介紹了角秒級(jí)軸系傾角回轉(zhuǎn)誤差和垂直度測(cè)量的工藝難點(diǎn)。結(jié)合測(cè)試實(shí)例介紹了此CPA機(jī)構(gòu)軸系精度測(cè)量的測(cè)量原理、配置方法以及數(shù)據(jù)處理過(guò)程。該工藝方法的實(shí)施為機(jī)構(gòu)順利研制奠定了基礎(chǔ)，并對(duì)同類高精度空間跟蹤指向機(jī)構(gòu)軸系精測(cè)有借鑒和推廣意義。

激光通信粗指向機(jī)構(gòu)；軸系組件；垂直度；傾角回轉(zhuǎn)誤差

1 引言

在無(wú)線通信領(lǐng)域，激光通信具有頻帶寬、速率高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，是下一代空間通訊技術(shù)重要的發(fā)展方向。自上世紀(jì)80年代，歐美等具有宇航能力的發(fā)達(dá)國(guó)家就已經(jīng)開始空間激光通信系統(tǒng)的研制。2001年11月，歐空局SILEX系統(tǒng)成功進(jìn)行了首次星間激光通信試驗(yàn)[1]。此后，美日等國(guó)也相繼研制了各自的空間激光通信終端，并成功開展了星地或星間的激光通信試驗(yàn)。目前在國(guó)內(nèi)，以航天院所、中科院和高校為主要力量的多家單位在理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)和終端系統(tǒng)等不同領(lǐng)域、不同階段開展研究，并取得了一定成果。

空間激光通信終端通常由光學(xué)分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)、跟蹤捕獲分系統(tǒng)和總控分系統(tǒng)組成。其中捕獲跟蹤分系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱APT）包括粗、精兩級(jí)指向機(jī)構(gòu)，功能是驅(qū)動(dòng)光學(xué)負(fù)載實(shí)現(xiàn)捕獲、對(duì)準(zhǔn)和跟蹤，是激光通信鏈路建立的前提。激光通信粗指向機(jī)構(gòu)（簡(jiǎn)稱CPA）作為捕獲跟蹤分系統(tǒng)的主要組成部分，負(fù)責(zé)光學(xué)負(fù)載的大范圍二維轉(zhuǎn)動(dòng)，保證光學(xué)信號(hào)進(jìn)入并穩(wěn)定在后部精跟蹤端視場(chǎng)內(nèi)。雖然名為粗指向機(jī)構(gòu)，但相較于射頻通信系統(tǒng)采用的天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其指向精度要求更高，軸系精度測(cè)量難度更大。

行業(yè)內(nèi)軸系精度標(biāo)定方法主要參考GJB 1801，在機(jī)床、儀器等行業(yè)廣泛應(yīng)用[2～8]。本文所述的CPA機(jī)構(gòu)是為某衛(wèi)星通信終端研制的重點(diǎn)單機(jī)。其角秒級(jí)軸系精度達(dá)到了目前國(guó)內(nèi)空間跟蹤指向類機(jī)構(gòu)的領(lǐng)先水平。基于該型號(hào)CPA機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了一種角秒級(jí)軸系精度的標(biāo)定方法。

2 CPA機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

如圖1所示，該CPA機(jī)構(gòu)采用經(jīng)緯儀式結(jié)構(gòu)，由垂直布局的方位軸系和水平布局的俯仰軸系組成，兩軸系通過(guò)U形框架連接，光學(xué)負(fù)載安裝在U形框架內(nèi)由兩軸系共同驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)二維轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 某型號(hào)CPA機(jī)構(gòu)外觀圖

為實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)高指向精度，該CPA機(jī)構(gòu)在軸系裝配階段需精確測(cè)量以下兩項(xiàng)精度指標(biāo)。

a. 軸系傾角回轉(zhuǎn)誤差；

b. 軸系回轉(zhuǎn)軸線平均線與安裝基準(zhǔn)面垂直度誤差。

其中，傾角回轉(zhuǎn)誤差表征軸系在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中回轉(zhuǎn)軸線的穩(wěn)定程度，而回轉(zhuǎn)軸線與安裝基準(zhǔn)的垂直度則表征機(jī)構(gòu)軸系安裝的角位置關(guān)系。上述兩項(xiàng)軸系精度是CPA機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度指向的前提。

3 工藝難點(diǎn)分析

為滿足轉(zhuǎn)動(dòng)功能需求，以軸承為核心的軸系機(jī)械結(jié)構(gòu)不可避免地存在由零件形位誤差、裝配位置誤差、結(jié)構(gòu)間隙、低剛度零組件微變形等因素累積而成的結(jié)構(gòu)誤差，這些結(jié)構(gòu)誤差共同作用對(duì)軸系精度產(chǎn)生影響。對(duì)于角秒級(jí)精度的軸系組件，常規(guī)方法中的很多可忽略的微小誤差因素都需要予以關(guān)注，進(jìn)而增加了精度測(cè)量的工藝難度。其主要難點(diǎn)體現(xiàn)在方法設(shè)計(jì)、基準(zhǔn)法線和回轉(zhuǎn)軸線標(biāo)定以及數(shù)據(jù)分析處理三個(gè)方面。

在工藝方法設(shè)計(jì)層面，需要考慮測(cè)量?jī)x器的精度和使用特點(diǎn)。常規(guī)機(jī)械接觸式測(cè)量方法無(wú)法滿足角秒級(jí)精度需求，需要建立以高精度光學(xué)測(cè)量設(shè)備為核心的測(cè)量裝置。工裝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理布局結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)精度，避免裝配應(yīng)力產(chǎn)生微變形而影響測(cè)試結(jié)果。此外，在實(shí)際操作時(shí)還需要考慮測(cè)試溫度、地基平臺(tái)穩(wěn)定度等環(huán)境因素的影響。

在法線和軸線標(biāo)定層面，需要評(píng)估零組件形貌誤差對(duì)標(biāo)定精度的影響，準(zhǔn)確將虛擬的基準(zhǔn)法線和軸線轉(zhuǎn)移到可測(cè)量的光學(xué)鏡面上。對(duì)于基準(zhǔn)面法線，工裝、零件微米級(jí)的形面誤差都可能影響標(biāo)定精度，如何保證法線標(biāo)定的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性是一項(xiàng)主要難點(diǎn)；對(duì)于測(cè)量軸線，如何保證理論軸線與工藝鏡面垂直一致，避免安裝工藝誤差是需要解決的主要問題。

在數(shù)據(jù)處理層面，一方面利用特征數(shù)據(jù)甄別工藝誤差，另一方面重復(fù)測(cè)量實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互驗(yàn)是減小隨機(jī)誤差提高測(cè)量準(zhǔn)確度和置信度的重要手段。而這些方法的應(yīng)用都不免會(huì)使計(jì)算過(guò)程更加繁復(fù)，如何提高計(jì)算效率也是測(cè)量工藝方法最終實(shí)現(xiàn)的重要前提。

4 測(cè)量原理介紹

為滿足該CPA機(jī)構(gòu)高精度軸系標(biāo)定需要，構(gòu)建了圖2所示以自準(zhǔn)直儀、平晶和平面反射鏡為主要組成的光學(xué)測(cè)量裝置。平晶用于標(biāo)定安裝基準(zhǔn)面；平面反射鏡隨軸系轉(zhuǎn)動(dòng)用于標(biāo)定回轉(zhuǎn)軸線。用自準(zhǔn)直儀測(cè)量反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的法線傾角變化和兩鏡面法線間的角度關(guān)系，從而標(biāo)定傾角回轉(zhuǎn)誤差和垂直度誤差。

圖2 工裝結(jié)構(gòu)示意圖

該方法將利用CPA機(jī)構(gòu)軸系內(nèi)的通光口徑，采取分步標(biāo)定的方式將基準(zhǔn)法線和回轉(zhuǎn)軸線先后置于同一自準(zhǔn)直儀視場(chǎng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了傾角回轉(zhuǎn)誤差和垂直度誤差的同時(shí)測(cè)量。

在基準(zhǔn)面法線標(biāo)定方面，由于平晶具有亞微米級(jí)面形的優(yōu)勢(shì)，在與微米級(jí)安裝基準(zhǔn)平面貼合時(shí)具有較高的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。此外，在工裝設(shè)計(jì)時(shí)，使用非金屬零件支撐平晶安裝，通過(guò)尺寸鏈控制，讓非金屬零件承受定量可控的微變形，既能使平晶與基準(zhǔn)面緊密貼合也能避免結(jié)構(gòu)微應(yīng)力變形或平晶面形破壞對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的負(fù)面影響。

在回轉(zhuǎn)軸線標(biāo)定方面，利用軸系轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)虛擬回轉(zhuǎn)軸線平均線的擬合。此外，在軸線回轉(zhuǎn)過(guò)程中，平面反射鏡安裝誤差具有一階特性，可以利用頻域分析消除。

4.1 安裝配置及數(shù)據(jù)采集

如圖3所示，將被測(cè)軸系牢固安裝在安裝底板上，并置于穩(wěn)定的光學(xué)平臺(tái)。用尼龍托盤工裝將平晶靠緊被測(cè)軸系安裝基準(zhǔn)面。利用五棱鏡折轉(zhuǎn)光路，將自準(zhǔn)直儀沿軸線方向準(zhǔn)直平晶，當(dāng)前自準(zhǔn)直儀軸、軸示數(shù)即為安裝平面法線基準(zhǔn)，記為X和Y。保持自準(zhǔn)直儀和五棱鏡位置不變，在被測(cè)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)端安裝平面反射鏡。驅(qū)動(dòng)被測(cè)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)，在均布點(diǎn)位置，記錄自準(zhǔn)直儀測(cè)量讀數(shù)，第點(diǎn)坐標(biāo)記為X和Y。

圖3 軸系精度標(biāo)定過(guò)程說(shuō)明圖

4.2 數(shù)據(jù)計(jì)算與誤差評(píng)定

4.2.1 傾角回轉(zhuǎn)誤差計(jì)算

a. 計(jì)算零次和一次傅里葉系數(shù)a0、a0和a1、a1、b1、b1：

b. 計(jì)算第點(diǎn)傾角誤差E：

c. 評(píng)定被測(cè)軸系傾角回轉(zhuǎn)誤差：

4.2.2 軸線垂直度計(jì)算

計(jì)算軸線垂直度：

4.3 計(jì)算說(shuō)明

由于自準(zhǔn)直儀測(cè)量坐標(biāo)系的正交特性，軸采樣數(shù)據(jù)實(shí)際是同一誤差在軸相位相差90°時(shí)采樣數(shù)據(jù)的重復(fù)測(cè)量，所以，傾角回轉(zhuǎn)誤差和垂直度誤差的兩軸計(jì)算數(shù)據(jù)具有相互驗(yàn)證性，提升了測(cè)量結(jié)果的置信度。由于傾角回轉(zhuǎn)誤差具有一定的隨機(jī)性，因此在結(jié)果評(píng)定時(shí)按式（10）進(jìn)行最大包絡(luò)。

為提升效率和工藝過(guò)程的可操作性，編寫了專用計(jì)算程序。程序讀取采樣數(shù)據(jù)后能夠自動(dòng)生成測(cè)試結(jié)果，并以圖形化方式顯示誤差幅值、相位以及頻域特征等信息。計(jì)算程序的使用不僅簡(jiǎn)化了原本復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，同時(shí)使計(jì)算結(jié)果更為直觀，方便后續(xù)工序進(jìn)行軸系校調(diào)。

5 經(jīng)緯儀式CPA機(jī)構(gòu)軸系精度計(jì)算示例

以該經(jīng)緯儀式CPA機(jī)構(gòu)方位軸精度標(biāo)定為例。按上述方法搭建如圖4所示測(cè)量裝置，自準(zhǔn)直儀準(zhǔn)直基準(zhǔn)面平晶建立測(cè)量基準(zhǔn)，如表1所示，安裝平面反射鏡后轉(zhuǎn)動(dòng)軸系在間隔15°的24個(gè)位置記錄自準(zhǔn)直儀測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖4 CPA機(jī)構(gòu)方位軸精度測(cè)量

表1 測(cè)量數(shù)據(jù) （″）

按式（10）和式（11）計(jì)算得到該軸系傾角回轉(zhuǎn)誤差小于2.3″，回轉(zhuǎn)軸線平均線與方位軸安裝面垂直度誤差5.3″，誤差分布和傾角相位如圖5所示。采樣數(shù)據(jù)的頻域特征如圖6所示，平面反射鏡安裝工藝誤差產(chǎn)生的一階諧波分量幅值占數(shù)據(jù)主要部分，計(jì)算時(shí)按式（7）和式（8）被消減。

圖5 傾角回轉(zhuǎn)誤差和垂直度誤差分布圖

圖6 采樣數(shù)據(jù)頻域特征圖

6 結(jié)束語(yǔ)

基于某型號(hào)經(jīng)緯儀式CPA機(jī)構(gòu)的研制過(guò)程，介紹了該產(chǎn)品角秒級(jí)軸系精度測(cè)試的工藝原理、方法和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。通過(guò)合理選擇工藝裝備、優(yōu)化工裝設(shè)計(jì)、消除工藝誤差等方式，解決了高精度軸系基準(zhǔn)法線和回轉(zhuǎn)軸線標(biāo)定的工藝難題。并在工藝實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上編寫專用計(jì)算程序提高了計(jì)算效率，增加了測(cè)量工藝的可實(shí)現(xiàn)性。該工藝方法的實(shí)施為該經(jīng)緯儀式CPA機(jī)構(gòu)順利研制奠定了基礎(chǔ)，并對(duì)同類高精度空間跟蹤指向機(jī)構(gòu)軸系精測(cè)有借鑒和推廣意義。目前該CPA產(chǎn)品已經(jīng)隨衛(wèi)星發(fā)射入軌，在軌運(yùn)行良好。

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Measurement Method of Spindle Precision for Laser Communication Coarse Pointing Assembly

Ye Zhuang Zhang Shuqing Liu Xuepeng Li Chen Li Guang Li Xingguang

(Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190)

Based on the development of a certain model CPA (Coarse Pointing Assembly), the technical difficulties in measuring the wobble error and the verticality of the arcsec level spindle are explained in this paper. The measurement principle, configuration and data processing method are introduced in the illustration of the CPA spindle test case. This measurement method is significant for development of the CPA, and can be applied to the similar space high-precision pointing and tracking mechanism.

laser communication coarse pointing assembly；spindle；verticality；wobble error

葉壯（1984），工程師，機(jī)械電子工程專業(yè)；研究方向：空間機(jī)構(gòu)精密裝配工藝。

2019-12-10