戴廣永 馮利明 李曉峰 孟慶昕 焦云雷

逆向裝配工藝方法在航天器機(jī)構(gòu)裝配中的應(yīng)用

戴廣永 馮利明 李曉峰 孟慶昕 焦云雷

（天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津 300458）

著陸器轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)巡視探測器從著陸器向月面轉(zhuǎn)移的重要機(jī)構(gòu)。介紹了在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)總裝過程中，通過采用逆向裝配的工藝方法解決了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、裝配操作難度大、裝配精度不易保證等問題，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的精密裝配，保證了裝配關(guān)鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量，積累了豐富的裝配經(jīng)驗(yàn)，形成了穩(wěn)定成熟的裝配裝調(diào)方法。

逆向裝配；轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)；總裝技術(shù)；裝調(diào)方法

1 引言

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)月球巡視探測器從著陸器向月面轉(zhuǎn)移的重要裝置。其功能是：在發(fā)射和飛行時(shí)，通過壓緊釋放機(jī)構(gòu)將懸梯收攏壓緊在著陸器的+Z板上；穩(wěn)定著陸后，在展開鉸鏈及聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下懸梯展開并鎖定；巡視探測器自行行駛到轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的懸梯上，緩釋機(jī)構(gòu)電機(jī)工作并緩慢釋放轉(zhuǎn)移四連桿機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)移四連桿機(jī)構(gòu)在巡視探測器重力以及緩釋機(jī)構(gòu)電機(jī)的共同作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，并將懸梯下放至與月球接觸并貼覆，巡視器自主駛向月面。轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)主要由四連桿機(jī)構(gòu)、懸梯組件、緩釋機(jī)構(gòu)、展開鉸鏈、展開聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、角位移傳感器、助推彈簧、壓緊釋放機(jī)構(gòu)等組成。

機(jī)構(gòu)在裝配過程中面臨著產(chǎn)品外形大、展開鎖定鉸鏈軸孔同軸度高且無測量基準(zhǔn)、“∞形固定端套”壓接量化難、大角度展開機(jī)構(gòu)隨動(dòng)電纜布線復(fù)雜、壓緊釋放機(jī)構(gòu)加載空間小、聯(lián)動(dòng)繩裝夾測量控制難等裝配工藝技術(shù)難題。

2 主要技術(shù)指標(biāo)及難點(diǎn)分析

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)裝配主要技術(shù)指標(biāo)有：a.單側(cè)懸梯上2個(gè)展開鎖定鉸鏈同軸度0.05mm，展開鎖定精度≤±0.05°；b.展開鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與內(nèi)懸梯組件根部轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線之間的距離滿足(491.5±0.05)mm；c.緩釋機(jī)構(gòu)裝配中保證鋼絲繩端部固定套和中間部位限位塊的拉脫力不小于1000N；d.展開聯(lián)動(dòng)裝置的裝配中保證聯(lián)動(dòng)鋼絲繩端部固定端套的拉脫力不小于1500N。

難點(diǎn)之一是保證懸梯上跨距150mm的2個(gè)展開鎖定鉸鏈同軸度0.05mm。在鉸鏈完成裝配后，只有直接測量鉸鏈軸線材料保證2個(gè)鉸鏈的同軸度要求，但軸的可見端為螺紋且很短，無法找到合適的基準(zhǔn)點(diǎn)，要求達(dá)到0.05mm的同軸度成為裝調(diào)難點(diǎn)。

難點(diǎn)之二是聯(lián)動(dòng)裝置影響長短懸梯展開功能和同步性，是保證懸梯順利展開的關(guān)鍵部件。聯(lián)動(dòng)張力控制不準(zhǔn)確使懸梯展開時(shí)與著陸腿發(fā)生卡死現(xiàn)象。聯(lián)動(dòng)鋼絲繩張力的測量和一致性成為裝調(diào)技術(shù)難點(diǎn)。

難點(diǎn)之三是保證不銹鋼固定端套的夾緊力分別不小于1000N和1500N。在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)組件依靠電機(jī)纏繞鋼絲繩實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移功能，鋼絲繩端部的固定成為關(guān)鍵點(diǎn)，結(jié)構(gòu)上采用固定端套壓緊鋼絲繩固定形式，無法量化，不能現(xiàn)場測試，缺乏可操作性。用裝調(diào)方法保證固定端套的夾緊力成為裝調(diào)難題。

3 關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和裝調(diào)技術(shù)

3.1 展開鎖定鉸鏈同軸度逆向裝調(diào)技術(shù)

3.1.1 展開鎖定鉸鏈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)懸梯依靠兩個(gè)展開鉸鏈實(shí)現(xiàn)展開及鎖定，兩個(gè)展開鉸鏈配對(duì)使用。展開鉸鏈由公鉸、母鉸、平面渦卷彈簧、軸、拉桿等零件組成，展開鉸鏈?zhǔn)菍㈤L懸梯與短懸梯連接，由平面渦卷彈簧提供展開驅(qū)動(dòng)力，使折疊的長短懸梯按一定速度展開并連接為剛性一體。其中平面渦卷彈簧為關(guān)鍵零件，材料為鈹青銅合金，屬于難加工材料。展開鎖定精度≤±0.05°。裝配要求跨距150mm的2個(gè)展開鎖定鉸鏈同軸度0.05mm。鉸鏈完成裝配后，只有1mm螺紋轉(zhuǎn)軸端作為測量面，無法測量。

3.1.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、提高裝調(diào)性

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)前期裝配過程中發(fā)現(xiàn)內(nèi)外懸梯與展開鎖定裝配后，在輕微力的作用下解鎖，無法達(dá)到展開鎖定精度≤±0.05°的指標(biāo)要求。可靠鎖定成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。將展開鉸鏈中滾動(dòng)套鎖定部分重新設(shè)計(jì)為一體件，變滾動(dòng)摩擦為滑動(dòng)摩擦，經(jīng)過試驗(yàn)，解鎖力增大，設(shè)計(jì)可靠度提高1.5倍，展開鎖定精度0.01°完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

展開鎖定鉸鏈在初始設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)為雙側(cè)Z字形支架式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。Z字形支架式結(jié)構(gòu)在單個(gè)鉸鏈中難以達(dá)到同軸，使鉸鏈在工作中受力不均勻，存在安全隱患，更不能在裝配中滿足跨距150mm的2個(gè)展開鎖定鉸鏈同軸度0.05mm。改用雙側(cè)軸套式長軸結(jié)構(gòu)，如圖2所示，代替以往單側(cè)軸套式短軸結(jié)構(gòu)。其機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提高了鉸鏈的同軸度指標(biāo)可達(dá)性，降低了裝調(diào)難度，提高了機(jī)構(gòu)工作可靠性。

圖1 驅(qū)動(dòng)彈簧雙側(cè)Z字形支架式結(jié)構(gòu)圖

圖2 驅(qū)動(dòng)彈簧雙側(cè)軸套式長軸結(jié)構(gòu)圖

表1 驅(qū)動(dòng)彈簧固定結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后優(yōu)缺點(diǎn)比較表

3.1.3 通過改進(jìn)測量、裝調(diào)方法解決鉸鏈同軸裝配難點(diǎn)

在初始設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)指標(biāo)為4鉸鏈同軸，裝配時(shí)要保證并行四連桿機(jī)構(gòu)同步轉(zhuǎn)動(dòng)且4個(gè)展開鎖定鉸鏈軸同軸度為0.05mm。2個(gè)展開鉸鏈跨距150mm，4個(gè)展開鉸鏈跨距1090mm，在如此大跨距下要保證4個(gè)展開鉸鏈的同軸度裝配指標(biāo)難度較大（通過計(jì)算鉸鏈軸線在、方向最大偏差為0.022mm）。經(jīng)分析，采用基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移法以及分步調(diào)整的方式可達(dá)到4個(gè)展開鉸鏈同軸度0.05mm的要求。

第一步，將展開鉸鏈的軸線基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到展開鉸鏈安裝面，通過設(shè)計(jì)工裝，測量并調(diào)整軸線與工裝底面的距離，2個(gè)展開鉸鏈的同軸度滿足要求，如圖3所示。用同樣的方法調(diào)整另2個(gè)鉸鏈的同軸度。然后按編號(hào)將展開鎖定鉸鏈裝配，如圖4所示。

圖3 鉸鏈的軸線基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到安裝面

圖4 已裝配的2個(gè)同軸展開鎖定鉸鏈

第二步，設(shè)計(jì)整體調(diào)整工裝，鉸鏈組安裝面跨距1090mm，且要求鉸鏈安裝面和測量基準(zhǔn)面的平面度優(yōu)于0.01mm。用整體工裝將2組調(diào)好同軸度的展開鎖定鉸鏈固定，測量2個(gè)鉸鏈組同軸工裝基準(zhǔn)面到整體工裝的、基準(zhǔn)面距離在0.03mm范圍之內(nèi)，在工裝上配打定位銷孔，定位后裝配內(nèi)外懸梯與展開鎖定鉸鏈（見圖5），從而保證4個(gè)展開鎖定鉸鏈同軸度0.05mm。

圖5 調(diào)整4個(gè)展開鎖定鉸鏈的同軸度

通過以上方法，圓滿解決了轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)4個(gè)展開鎖定鉸鏈在跨距1090mm時(shí)同軸度0.05mm的裝配難點(diǎn)。

在研制階段中期，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)為獨(dú)立展開并能呈異面的懸梯組件，將4鉸鏈同軸優(yōu)化為2鉸鏈同軸，但技術(shù)指標(biāo)同樣是保證2個(gè)鉸鏈同軸度0.05mm，裝配裝調(diào)同樣調(diào)整優(yōu)化為“二維基準(zhǔn)測量理論計(jì)算法”[1，2]，即：在零件制造階段，記錄每個(gè)零件轉(zhuǎn)軸與基準(zhǔn)面的精確尺寸，設(shè)計(jì)高精度裝調(diào)工裝，在鉸鏈鎖定狀態(tài)下固定鉸鏈位置，并提供測量基準(zhǔn)面，在裝配過程中通過現(xiàn)場測量尺寸與制造過程尺寸相加，得出轉(zhuǎn)軸與基準(zhǔn)面的實(shí)測距離，然后計(jì)算獲得同軸度值[3]。具體裝調(diào)方法：將配對(duì)的展開鉸鏈安裝在調(diào)整工裝上，測量鉸鏈基準(zhǔn)面與工裝的基準(zhǔn)面之間的距離值（、值在加工過程精測，裝配時(shí)提供數(shù)據(jù)），通過公式=2×{((1+1)-(2+2))2+(1-2)2}0.5可計(jì)算得出同軸度值[4]，調(diào)整方法示意如圖6所示。

圖6 采用二維基準(zhǔn)測量理論計(jì)算法調(diào)整2個(gè)展開鎖定鉸鏈的同軸度示意圖

3.2 聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)繩索張力控制裝調(diào)技術(shù)

3.2.1 聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

聯(lián)動(dòng)裝置是保證懸梯順利展開的關(guān)鍵部件，影響長短懸梯展開的同步性、避障性。其作用是利用繩定長原理，驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)。在短懸梯展開過程中使長懸梯同時(shí)做展開運(yùn)動(dòng)，避免短懸梯先展開，長懸梯后展開，且長懸梯后展開時(shí)會(huì)與著陸腿發(fā)生卡死現(xiàn)象。由于繩長為491mm，緊貼短懸梯組件，測量空間小，聯(lián)動(dòng)時(shí)間較短，保證聯(lián)動(dòng)鋼絲繩的張力不變成為裝調(diào)技術(shù)難點(diǎn)。聯(lián)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 聯(lián)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 采用預(yù)拉繩索裝調(diào)微距測量裝調(diào)技術(shù)

保證聯(lián)動(dòng)繩索的張力經(jīng)過時(shí)間變化后張力穩(wěn)定不變，需采取下列措施。首先應(yīng)保證鋼絲繩在一定的作用力下沒有蠕變。因此，在鋼絲繩使用前，用“配重旋吊法”消除鋼絲繩制造中的殘余應(yīng)力，使鋼絲繩的張力穩(wěn)定一致，這是關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)。其次，在聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)中增加張力微調(diào)裝置，對(duì)理論定長的鋼絲繩微調(diào)預(yù)緊，使鋼絲繩具有一定的張力。固定鋼絲繩固定端套壓接位置精度也是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。再次，裝調(diào)后由于空間小，常規(guī)測量方法不能準(zhǔn)確測量鋼絲繩張力，為獲得準(zhǔn)確張力精度，定制專用測試設(shè)備，通過對(duì)此類型和長度的鋼絲繩做標(biāo)定，獲得準(zhǔn)確的測試精度，從而解決聯(lián)動(dòng)繩索測試問題。最后，采用GD414硅橡膠對(duì)鋼絲繩固定端做防松處理，這樣經(jīng)多次展開收攏試驗(yàn)后，鋼絲繩的張力仍能滿足設(shè)計(jì)要求。此裝調(diào)方法簡單可行、效果顯著。

3.3 不銹鋼“圓柱形固定端套”和“∞形固定端套”壓接量化控制和測試裝調(diào)技術(shù)

圖8 固定端套使用部位圖

在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)裝置和緩沖釋放機(jī)構(gòu)中，鋼絲繩端部采用不銹鋼“圓固定端套”和“∞形固定端套”擠壓夾緊鋼絲繩的緊固方式（使用部位如圖8所示，固定端套示意圖如圖9、圖10所示），裝調(diào)難點(diǎn)為“∞形固定端套”不易壓接，可操作性差并且壓接力需要穩(wěn)定和可測量、量化。

圖9 固定端套A結(jié)構(gòu)圖

圖10 固定端套B結(jié)構(gòu)圖

固定端套的壓接方法有“軸向壓接法”和“徑向壓接法”[5]。軸向壓接法需設(shè)計(jì)軸套式端部擠壓工裝，在壓力機(jī)上完成壓接。徑向壓接法需設(shè)計(jì)半圓式圓柱面擠壓工裝，用小型壓力鉗完成壓接。轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)外形較大，且裝配裝調(diào)流程為先裝配聯(lián)動(dòng)裝置和緩沖釋放機(jī)構(gòu)，調(diào)整聯(lián)動(dòng)鋼絲繩和緩沖釋放鋼絲繩長度符合要求后再進(jìn)行固定端套的壓接，要求壓接裝調(diào)方便、合理、可靠，壓接程度可量化，故采用“徑向壓接法”。

首先，便攜式柱銷徑向壓接裝置通過改造液壓鉗式設(shè)備并結(jié)合專用半圓式圓柱面擠壓工裝的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)簡單、可靠的壓接操作。其次，通過理論計(jì)算固定端套和“∞形固定端套”的壓縮量并與試驗(yàn)相結(jié)合，確定了壓縮量及壓接工裝尺寸，壓接時(shí)通過測量鉗口間距和固定端套端部伸長量控制固定端套夾緊力的大小，實(shí)測數(shù)據(jù)見表2。另外，通過夾緊力測試裝置對(duì)壓接后的產(chǎn)品進(jìn)行拉伸測試，觀察拉伸過程中是否產(chǎn)生拉力突變以驗(yàn)證夾緊力是否滿足要求（測量裝置如圖11所示），解決了不銹鋼“圓固定端套”和“∞形固定端套”壓接力不易測試、無量化的技術(shù)難點(diǎn)。

表2 固定端套夾緊力量化數(shù)據(jù)表 mm

圖11 柱銷拉脫力測試裝置組成

4 結(jié)束語

通過分析轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)總裝過程中關(guān)鍵部件的特點(diǎn)和難點(diǎn)，在吃透設(shè)計(jì)和工藝意圖的前提下，結(jié)合自身裝配經(jīng)驗(yàn)，合理采用不同的裝調(diào)方法和裝調(diào)質(zhì)量控制技術(shù)，解決了零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、裝配操作難度大、裝配精度不易保證等問題，保證了裝配關(guān)鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量。探月工程著陸器的轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵件精度不僅達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，而且保證了產(chǎn)品的可靠性，使轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)順利完成展開和轉(zhuǎn)移任務(wù)。

1 李春書，崔根群，李迅，等.產(chǎn)品裝配順序規(guī)劃方法的研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2002(19)：9～12

2 王文奎. 偶件的配合精度和裝配方法設(shè)計(jì)[J]. 紹興文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，22(10)：52～54

3 金天國，劉文劍，柏合民，等. 組合夾具裝配中零件尺寸及裝配位置的確定方法[J]. 中國機(jī)械工程，2002，13(11)：31～34

4 王先逵. 機(jī)械制造工藝學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015

5 焦云雷，郭晨亮，楊濤. 一種繩索的金屬端套徑向夾緊及量化測試工藝技術(shù)[J]. 航天制造技術(shù)，2016(1)：42～45

Application of Reverse Assembly Process Method in Spacecraft Mechanism

Dai Guangyong Feng Liming Li Xiaofeng Meng Qingxin Jiao Yunlei

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

The lander transfer mechanism is an important mechanism to realize the transfer of the lunar patrol probe from the lander to the lunar surface. The paper mainly introduces that in the final assembly process of the transfer mechanism, the use of reverse assembly process method solves the problems of complex product structure design, difficult assembly operations, and difficulty in ensuring assembly accuracy, realizes the precise assembly of the transfer mechanism, and ensures the quality of the key links of assembly. Through this method, rich assembly experience has been accumulated, and a stable and mature assembly method has been formed.

reverse assembly；transfer mechanism；final assembly technology；assembly method

戴廣永（1987），工程師，機(jī)械電子工程專業(yè)；研究方向：航天器機(jī)構(gòu)精密制造及裝配工藝設(shè)計(jì)。

2020-07-20