李曉峰 焦云雷 郭晨亮 孟慶昕 許江濤 盆洪民

微型展開鉸鏈的蝸卷彈簧盲區(qū)裝配操作方法

李曉峰 焦云雷 郭晨亮 孟慶昕 許江濤 盆洪民

（天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津 300458）

針對某衛(wèi)星大型網(wǎng)狀雷達(dá)天線微型展開鉸鏈裝配過程存在的盲區(qū)操作特點(diǎn)，總結(jié)出一種采用觸覺與聽覺感知的微型展開鉸鏈蝸卷彈簧盲區(qū)裝配操作方法.該方法通過制作工裝輔助，感知螺釘與蝸卷彈簧卡位時(shí)力矩變化和聽到卡位聲音感知，實(shí)現(xiàn)蝸卷彈簧與螺釘正確裝配；借助無損檢測方法實(shí)現(xiàn)鉸鏈的蝸卷彈簧產(chǎn)品裝配關(guān)系驗(yàn)證，確保鉸鏈合格率及可靠度。在某導(dǎo)航衛(wèi)星上大型網(wǎng)狀雷達(dá)天線的展開機(jī)構(gòu)裝配中成功應(yīng)用。結(jié)果表明，此裝配方法能有效降低螺釘裝配不到位錯(cuò)誤，顯著提高盲區(qū)裝配作業(yè)的效率，極大提高產(chǎn)品裝配合格率和鉸鏈產(chǎn)品的可靠度。

展開鉸鏈；蝸卷彈簧；盲區(qū)裝配操作；聲音感知

1 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)架式空間可展開天線是一種由多基本單元組合而成的大型桁架結(jié)構(gòu)，具有大尺度，收納比高，超柔性的機(jī)、電、熱復(fù)雜系統(tǒng)[1]。雷達(dá)天線在衛(wèi)星發(fā)射階段處于收攏狀態(tài)；衛(wèi)星入軌后，解除鎖定裝置，展開機(jī)構(gòu)通過彈簧驅(qū)動(dòng)的展開鉸鏈實(shí)現(xiàn)慢速驅(qū)動(dòng)天線展開。彈簧驅(qū)動(dòng)的展開機(jī)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星、構(gòu)架式可展開天線、環(huán)形桁架式可展開天線等采用不同形式曲面支撐展開機(jī)構(gòu)的天線，已應(yīng)用于我國環(huán)境C衛(wèi)星及北斗導(dǎo)航工程[2，3]。構(gòu)架式可展開天線單元內(nèi)部及單元之間通過彈簧、展開鉸鏈、支架等方式連接，收攏狀態(tài)彈簧儲存能量，當(dāng)反射器鎖定裝置解鎖，彈簧釋放能量驅(qū)動(dòng)鉸鏈運(yùn)動(dòng)反射器展開[4]。展開鉸鏈?zhǔn)沁B接很多空間折展機(jī)構(gòu)的重要部件，同時(shí)具備可動(dòng)連接、展開、鎖定功能，已被廣泛應(yīng)用于太陽翼、大型天線、大型空間支撐臂、可展桁架等航天領(lǐng)域[5]。如果展開機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)卡滯或失去驅(qū)動(dòng)力矩，可導(dǎo)致天線展開任務(wù)失敗。因此展開鉸鏈裝配是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的可裝配性和裝配質(zhì)量直接影響展開機(jī)構(gòu)使用功能[6]。

介紹了一種微型展開鉸鏈的蝸卷彈簧盲區(qū)裝配操作方法，解決了展開機(jī)構(gòu)的展開鉸鏈的裝配過程中盲區(qū)手工裝配操作造成產(chǎn)品不合格問題。由于裝配位置在封閉空間內(nèi)，裝配操作人員的視線受阻，無法看到待裝配零件的實(shí)時(shí)狀態(tài)，從觸覺和聽覺的角度提出了裝配操作實(shí)施方法，并對其進(jìn)行了實(shí)際裝配操作驗(yàn)證，通過工業(yè)CT儀器的檢測，驗(yàn)證該裝配操作方法的可行性和正確性。對提高展開鉸鏈裝配生產(chǎn)效率、準(zhǔn)確率和可靠性具有重要意義。

2 展開鉸鏈構(gòu)造及裝配難點(diǎn)

2.1 展開鉸鏈構(gòu)造

展開鉸鏈由鉸鏈本體、同步齒輪、蝸卷彈簧、鉸鏈軸、蝸簧螺釘?shù)冉M成。其工作原理是蝸卷彈簧內(nèi)圈楔形槽與蝸簧螺釘?shù)穆葆旑^部鉤住固定不動(dòng)，蝸卷彈簧外圈通過螺釘與齒輪螺接緊固，工作過程內(nèi)圈與展開鉸鏈軸相對靜止不動(dòng)，外圈驅(qū)動(dòng)左齒輪和右齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)輸出力矩工作。展開鉸鏈內(nèi)部構(gòu)造如圖1所示。

圖1 展開鉸鏈構(gòu)造示意圖

2.2 裝配難點(diǎn)

展開鉸鏈裝配過程主要難點(diǎn)為鉸鏈軸穿過鉸鏈本體、同步齒輪和蝸卷彈簧，蝸簧螺釘頭部需要進(jìn)入蝸卷彈簧內(nèi)圈和次內(nèi)圈之間空隙。難點(diǎn)之一是穿入過程屬于一軸過五孔的操作，穿過五孔后鉸鏈軸上的蝸簧螺釘頭部需要通過盲裝操作穿過蝸卷彈簧，通過旋轉(zhuǎn)鉸鏈軸實(shí)現(xiàn)蝸簧螺釘頭部穿過內(nèi)圈上的楔形槽。鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)過程中，鉸鏈軸帶動(dòng)蝸卷彈簧內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，螺釘頭部與蝸卷彈簧內(nèi)圈楔形槽邊沿產(chǎn)生較大摩擦力，造成彈簧內(nèi)圈與帶有蝸簧螺釘?shù)你q鏈軸形成不穩(wěn)定的摩擦抱緊狀態(tài)，蝸卷彈簧卷緊后，通過不穩(wěn)定的摩擦力傳遞輸出力矩，會形成蝸簧螺釘頭部已穿過內(nèi)圈上楔形槽依靠螺釘傳遞力矩的假象，長期放置或者多次壓緊展開試驗(yàn)后，穩(wěn)定狀態(tài)逐漸失去平衡，蝸卷彈簧內(nèi)圈松脫，會導(dǎo)致鉸鏈無輸出力矩。因此，難點(diǎn)之二是識別微型鉸鏈的蝸卷彈簧與軸之間是依靠摩擦力還是鏈接力來傳遞扭矩。整個(gè)裝配過程需要運(yùn)用裝配操作技能解決一軸過五孔和盲區(qū)裝配操作的難點(diǎn)，要求非常高，常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)。

3 裝配方案及驗(yàn)證

3.1 技術(shù)方案及流程

蝸卷彈簧楔形槽的劃分為：螺釘頭部初始位置、滑行區(qū)域、最終位置。蝸卷彈簧與蝸簧螺釘頭部裝配關(guān)系示意圖如圖2所示。結(jié)合產(chǎn)品裝配過程的蝸簧螺釘頭部運(yùn)動(dòng)和彈簧末端楔形槽特點(diǎn)，借助于工裝輔助，采用聽覺感知蝸卷彈簧末端落入楔形槽瞬間撞擊的聲音，用手指觸覺感知撞擊振動(dòng)[7，8]，協(xié)助判斷蝸卷彈簧和蝸簧螺釘?shù)难b配結(jié)果，通過CT檢查研制裝配關(guān)系的正確性。裝配工藝流程如圖3所示。

圖2 蝸卷彈簧與蝸簧螺釘頭部裝配關(guān)系示意圖

圖3 展開鉸鏈裝配工藝流程圖

3.2 裝配方法步驟

第1步：確保裝配過程在安靜環(huán)境下進(jìn)行，由蝸卷彈簧末端落入楔形槽瞬間撞擊的聲音和振動(dòng)作為感知源。裝配零件用酒精清洗干凈，晾干。

第2步：依據(jù)蝸卷彈簧的力矩述職進(jìn)行編號配對。

第3步：將蝸卷彈簧尾端利用螺釘固定在同步齒輪上。

第4步：在蝸簧螺釘螺紋頭部涂適量螺紋防松膠，然后擰入鉸鏈軸內(nèi)螺紋中，要求蝸簧螺釘裝配后螺紋端面與鉸鏈軸外圓柱平齊。對防松膠進(jìn)行固化。如圖4所示。

圖4 蝸簧螺釘鉸鏈軸裝配示意圖

第5步：制造了專用的蝸簧軸裝配引導(dǎo)工裝，減小穿軸過程中的阻力。手指抓住鉸鏈本體，將蝸簧螺釘?shù)穆葆旑^部與蝸卷彈簧楔形槽大口端對齊，鉸鏈軸穿過蝸卷彈簧內(nèi)圈，旋轉(zhuǎn)鉸鏈軸使蝸簧螺釘頭部進(jìn)入同步蝸卷彈簧楔形槽最小端。此步驟會聽到蝸卷彈簧末端落入楔形槽瞬間撞擊的聲音或手指觸覺感知撞擊振動(dòng)。

第6步：蝸簧螺釘鉤緊蝸卷彈簧后勻速上緊，達(dá)到正常安裝狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 蝸簧螺釘頭部與蝸卷彈簧楔形槽裝配示意圖

第7步：鉸鏈裝配完成后，通過多次壓緊、展開反復(fù)功能試驗(yàn)。

第8步：工業(yè)CT射線檢測蝸卷彈簧末端是否落入楔形槽小端，裝配關(guān)系是否滿足圖紙要求。

3.3 方法驗(yàn)證與討論

選取編號171103、171075的展開鉸鏈2套。采用上述方法裝配，裝配完成后對蝸卷彈簧與蝸簧螺釘頭部的狀態(tài)進(jìn)行工業(yè)CT檢測，檢測結(jié)果見圖6，可以看出，展開鉸鏈的蝸簧螺釘頭部已進(jìn)入蝸卷彈簧最終位置，達(dá)到裝配目標(biāo)。

通過對裝配過程的分析：

a. 蝸簧螺釘頭部裝入過程不能直接對正初始位置，應(yīng)該正對蝸卷彈簧的初始位置前端，否則螺釘頭部存在無法進(jìn)入楔形槽的可能。

b. 鉸鏈軸轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，存在蝸簧螺釘頭部外圓弧一部分嵌入到蝸卷彈簧內(nèi)圈楔形槽中的可能，無法聽到蝸卷彈簧末端落入楔形槽瞬間撞擊的聲音和感覺不到振動(dòng)，在后續(xù)蝸卷彈簧加力過程中，螺釘頭部由楔形槽寬口向窄口做相對運(yùn)動(dòng)，由此產(chǎn)生了不穩(wěn)定的卡滯力，會形成不穩(wěn)定的壓緊裝配狀態(tài)。但該狀態(tài)的展開鉸鏈處于不穩(wěn)定裝配狀態(tài)，隨著多次壓緊、展開過程的試驗(yàn)，或者同步蝸卷彈簧靜態(tài)長期放置，彈簧張緊力發(fā)生緩慢的釋放，可能造成蝸簧螺釘螺釘頭部與楔形槽脫開。

c. 鉸鏈軸轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，無法聽到蝸卷彈簧末端落入楔形槽瞬間撞擊的聲音和感覺不到振動(dòng)

4 結(jié)束語

a. 提出一種基于觸覺與聽覺感知的微型展開鉸鏈蝸卷彈簧盲區(qū)裝配操作方法，實(shí)現(xiàn)蝸卷彈簧與螺釘正確裝配；

b. 借助無損檢測方法實(shí)現(xiàn)鉸鏈的蝸卷彈簧產(chǎn)品裝配關(guān)系驗(yàn)證，確保鉸鏈合格率及可靠度。

c. 應(yīng)用結(jié)果表明，該方法能有效提高展開鉸鏈的盲區(qū)裝配操作合格率和產(chǎn)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 李團(tuán)結(jié)，馬小飛. 大型空間可展開天線技術(shù)研究[J]. 空間電子技術(shù)，2012，9(3)：35～39

3 馬小飛，李洋，肖勇，等. 大型空間可展開天線反射器研究現(xiàn)狀與展望[J]. 空間電子技術(shù)，2018(2)：16～26

4 黃志榮，宋彥平，鄭士昆，等. 偏饋式構(gòu)架反射器構(gòu)型設(shè)計(jì)與展開協(xié)調(diào)性分析[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2016，35(11)：1792～1796

5 郭宏偉，李長洲，史文華，等. 彈簧展開鉸鏈鎖定沖擊及減小沖擊方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，48(1)：29～34

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7 童新宇，吳新麗，李思儒，等. 人手指振動(dòng)觸覺感知的短時(shí)間記憶特性[J]，生理學(xué)報(bào)，2020，72(5)：643～650

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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

李曉峰（1979），技師，機(jī)電一體化專業(yè)；研究方向：航天器結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)集成裝配操作技術(shù)。

2021-02-08