王國星，程 澤，臧梓軼，胡亞航，董 上，姚 迪

(北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094)

衛(wèi)星太陽翼鎖緊深度是太陽翼產(chǎn)品空間展開的重要指標(biāo)，關(guān)系到太陽翼的展開剛度、力學(xué)性能指標(biāo)以及展開指示電阻是否到位。太陽翼鎖緊深度一旦不合格，會直接降低太陽翼展開鎖定剛度，對太陽翼在軌姿態(tài)控制及展開可靠性帶來極大影響。在衛(wèi)星太陽翼的地面研制過程中，太陽翼鎖緊深度是衡量太陽翼模擬展開試驗成功與否的關(guān)鍵指標(biāo)。如何準(zhǔn)確、規(guī)范地進行太陽翼鎖緊深度測量，已成為太陽翼研制生產(chǎn)單位工藝技術(shù)人員關(guān)注的重點。

目前，太陽翼裝配生產(chǎn)單位使用游標(biāo)卡尺主尺尾端測量太陽翼鉸鏈鎖定柱到鉸鏈測量基準(zhǔn)面的距離。因鉸鏈鎖定槽空間狹窄，檢驗人員無法將主尺尾端與被測基準(zhǔn)面完全貼合，稍有晃動，會使卡尺傾斜，造成人為測量誤差。此外，以火星巡視器太陽翼鉸鏈為代表的新型鉸鏈機構(gòu)，沒有充足的卡尺測量空間。這些問題使得太陽翼鉸鏈鎖定深度測量數(shù)據(jù)一致性較差，制約了對太陽翼展開鎖定性能的有效評估。

針對上述檢測難題，本文設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)小巧，可以減少人為誤差的鉸鏈鎖定深度測量裝置。主要研究內(nèi)容為：1)分析目前太陽翼鉸鏈鎖定深度測量難點，提出改進方案；2)優(yōu)選方案后，開展鉸鏈深度測量裝置的設(shè)計，并進行測量誤差分析；3)對測量裝置應(yīng)用實踐，獲取并分析測量數(shù)據(jù)，給予應(yīng)用效果評價。

1 現(xiàn)狀概述

1.1 太陽翼鉸鏈簡介

太陽翼是衛(wèi)星一次能源的重要組成部分，通過太陽電池把空間軌道上的太陽光能轉(zhuǎn)換為電能，為衛(wèi)星提供能源。太陽翼可以分為太陽翼機械部分和太陽電池電路部分。其中，太陽翼機械部分為太陽電池電路的承載體，并完成規(guī)定構(gòu)型與展收動作。圖1所示為太陽翼產(chǎn)品在星體上展開。

典型的太陽翼機械部分由結(jié)構(gòu)部件、機構(gòu)部件、直屬件組成。其中，機構(gòu)部件中包含展開鎖定機構(gòu)、聯(lián)動機構(gòu)、壓緊釋放機構(gòu)。目前，北京衛(wèi)星制造廠有限公司承擔(dān)的90%以上剛性基板太陽翼，多數(shù)采用以渦卷彈簧為動力的鉸鏈裝置作為展開鎖定機構(gòu)的主要組成部分。在太陽翼裝配及地面展開試驗過程中，鉸鏈的鎖鉸與勾鉸安裝在電池板四角處，用于連接太陽翼大部件。在太陽翼收攏狀態(tài)時，鎖定軸處于滑道上。當(dāng)接觸壓緊釋放后，在平面渦卷彈簧與聯(lián)動裝置的驅(qū)動下，鎖定軸沿滑道移動，直至進入鎖定槽。鎖定深度到位后，鎖定軸觸發(fā)微動開關(guān)，遙測顯示展開到位信號，太陽翼展開試驗完成。

圖1 太陽翼在星體展開

鎖緊軸的深度位置關(guān)系到鉸鏈的鎖緊是否到位、太陽翼的展開剛度、太陽翼展開到位指示電阻是否正常指示。一旦鉸鏈鎖定深度不合格，會直接降低太陽翼展開鎖定剛度，對太陽翼在軌姿態(tài)控制及展開可靠性帶來極大影響。

1.2 測量難點

根據(jù)上述分析，根部鉸鏈與板間鉸鏈的鎖定深度是衡量太陽翼展開鎖定機構(gòu)驅(qū)動力矩以及裝配質(zhì)量的重要機械性能指標(biāo)，在太陽翼裝配工藝中鉸鏈鎖定深度測試是關(guān)鍵檢驗點之一，同時作為產(chǎn)品關(guān)鍵特性納入生產(chǎn)階段產(chǎn)品保證要素管理。太陽翼機構(gòu)在產(chǎn)品交付時，鎖緊深度成為重要的驗收項目。因此，鉸鏈鎖定深度測量結(jié)果的符合性、一致性成為用戶判定產(chǎn)品合格與否的重要參照指標(biāo)，這也對檢驗員的檢驗手段與檢測能力提出較高的要求。

1)檢測難點一：卡尺與測量基準(zhǔn)面難以貼平。

以東四平臺為例，在裝配工藝文件中，對鉸鏈深度的檢驗措施為：用游標(biāo)卡尺測量鎖定柱外側(cè)面與鉸鏈平臺面距離。根部鉸鏈鎖定深度、板間鉸鏈鎖緊深度要求最小值如圖2所示。

a)根部鉸鏈鎖緊深度

b)板間鉸鏈鎖緊深度

測量時，圖2中因為鉸鏈的設(shè)計空間有限，檢驗人員無法使用游標(biāo)卡尺的卡頭對深度進行測量。在傳統(tǒng)的測量方法中，以圖2中基準(zhǔn)平面與卡尺的主尺尾端齊平，使用游標(biāo)卡尺的游標(biāo)尾端接觸鎖定柱，從而讀取鎖定柱與基準(zhǔn)面之間距離。

傳統(tǒng)的測量過程中，游標(biāo)卡尺主尺尾端與鉸鏈接觸面有限。圖3所示為一部分產(chǎn)品只能靠鉸鏈一側(cè)基準(zhǔn)面進行測量定位，操作時卡尺極容易出現(xiàn)傾斜，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，引入人為測量誤差。圖4所示為鎖勾類鉸鏈的卡尺接觸面平面段狹窄，測量時，卡尺不易擺放，卡尺與測量基準(zhǔn)面難以貼平，測量數(shù)據(jù)的一致性難以保障。因此，卡尺與測量基準(zhǔn)面難以貼平會導(dǎo)致不同檢驗人員選擇鉸鏈基準(zhǔn)面位置不同、卡尺擺放方向不同或讀取數(shù)據(jù)方式不同，均會引入測量誤差。

圖3 卡尺與鉸鏈只有一側(cè)接觸

圖4 卡尺與鉸鏈難以貼平

以東四平臺太陽翼板間鉸鏈鎖定深度測量為例，因卡尺與測量基準(zhǔn)面難以貼平，導(dǎo)致不同人員的操作檢驗方法、讀取數(shù)據(jù)一致性相差較大。不同檢驗員之間測量數(shù)據(jù)往往相差0.1～0.2 mm。數(shù)據(jù)差距會對太陽翼展開穩(wěn)定性給予誤判，嚴(yán)重時將影響設(shè)計師對產(chǎn)品質(zhì)量的判斷。

2)檢測難點二：空間狹窄卡尺無法進入。

目前工作中，有2類工況使得測量鎖定深度的操作難度極大。其中一種工況是太陽翼產(chǎn)品展開狀態(tài)時距離地面工裝距離太近，無足夠的測量空間(見圖5)。

圖5 鉸鏈深度測量空間不足

測試鎖定深度一般采取游標(biāo)卡尺直接量取，這種工況下，操作人員無法直接使用游標(biāo)卡尺準(zhǔn)確讀數(shù)。目前，現(xiàn)場多采用測量塊或測量條等轉(zhuǎn)移工裝對鉸鏈深度測量后做標(biāo)記，再用卡尺對轉(zhuǎn)移工裝標(biāo)記處二次測量的方法解決。此方法屬于卡尺間接測量，轉(zhuǎn)移過程會帶來二次測量，引入測量誤差，直接影響地面展開試驗的驗證準(zhǔn)確性與充分性。

綜上所述，鉸鏈鎖定深度檢測難點以及測量一致差的原因總結(jié)如下：1)鉸鏈與卡尺測量面接觸面積小且難貼平，導(dǎo)致檢驗人員選擇鉸鏈基準(zhǔn)面位置不統(tǒng)一，測量過程中卡尺位置易晃動；2)部分型號鎖定深度測量空間狹窄，卡尺不能自如進出；3)檢驗使用的游標(biāo)卡尺，測量精度為0.02 mm，影響測量數(shù)據(jù)的一致性。

2 測量裝置設(shè)計

2.1 方案分析

根據(jù)上述測量難點的分析與驗證，改進的深度測量裝置應(yīng)該具備如下特點：1)測量裝置與鉸鏈的接觸面要齊平，以便作為測量基準(zhǔn)面，并且有足夠大的接觸面積；2)檢驗方法固定后，測量結(jié)果不受檢驗人員的個性化的影響；3)裝置的測量精度不大于0.01 mm，提高量具自身的精度；4)可便于操作者手持該裝置在15 cm以內(nèi)空間進行作業(yè)。

針對鉸鏈鎖定深度測試一致性較差的難題，開展了3種方案思路的優(yōu)缺點分析，并形成對比清單(見表1)。

表1 鉸鏈鎖定深度測量方案對比

方案1：在數(shù)顯功能的千分表基礎(chǔ)上進行改造，在千分表的表頭一端設(shè)計轉(zhuǎn)接工裝。該工裝即可以實現(xiàn)與千分表緊固連接，還可以為測量鉸鏈深度提供測量基準(zhǔn)面。千分表裝置尺寸較小，可以滿足狹窄空間下的操作任務(wù)[1-2]。該裝置的方案設(shè)計模型如圖6所示。

圖6 改造方案設(shè)計模型

方案2：采用市面上已有的深度尺測量工具，圖7所示為數(shù)顯深度測試用卡尺。該設(shè)備尺寸在10 cm之內(nèi)，測量頭直徑僅1 mm，可以適應(yīng)各種產(chǎn)品的測量空間。設(shè)備前端自帶測量基準(zhǔn)面，缺點為基準(zhǔn)面尺寸過長，對于部分鉸鏈產(chǎn)品，測量過程中會有干涉或接觸面難以貼平的現(xiàn)象。

圖7 深度尺測量工具試驗

方案3：采用相位式激光測距原理(見圖8)。選用激光測距儀對鉸鏈基準(zhǔn)面測量點和鎖定勾測量點進行測量，數(shù)據(jù)通過藍牙傳輸?shù)缴衔粰C，計算鉸鏈鎖定深度。該方法可實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集，缺點是測量周期長，經(jīng)濟成本較高[3-5]。

圖8 激光測距方案

通過上述分析可知，測量深度的卡尺無法實現(xiàn)全部產(chǎn)品的貼合，激光測距傳感器與自動采集系統(tǒng)造價昂貴，對于狹窄空間作業(yè)受限。千分表改造并增加測量基準(zhǔn)面的方法可行，而且經(jīng)濟成本低，實現(xiàn)周期短，測量精度對比游標(biāo)卡尺有明顯提升，因此選擇方案1開展分析設(shè)計與應(yīng)用驗證。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

對千分表的改造通過設(shè)計轉(zhuǎn)接裝置與測量基準(zhǔn)面來解決。該改造裝置由數(shù)顯千分表、測量基準(zhǔn)塊、鎖緊套筒、鎖緊螺母、測量頭組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該裝置的使用方法流程簡圖如圖10所示，流程內(nèi)容如下：1)第一次使用前，需要將鎖緊套筒緊固在數(shù)顯千分表的表頭固定端，固定時通過鎖緊螺母的旋轉(zhuǎn)鎖緊原理固定；2)調(diào)整基準(zhǔn)塊的角度，使其與鉸鏈接觸面積足夠大；3)測量前，將千分表的測量頭退回至測量基準(zhǔn)塊的基準(zhǔn)面，此時給千分表置零位；4)靠近鉸鏈，將測量基準(zhǔn)塊緊貼鉸鏈測量基準(zhǔn)面，釋放測量頭，使其接觸鉸鏈鎖定柱；5)讀取數(shù)顯屏幕上的數(shù)據(jù)，記錄時可四舍五入保留至數(shù)據(jù)的百分位。

圖10 使用方法流程

測量裝置主要零件要求有一定的剛度，同時應(yīng)盡可能輕便，并保證反復(fù)更換與長期使用，選用45鋼作為鎖緊組件的材料，并做發(fā)黑處理。測量基準(zhǔn)塊要求具備一定的強度，并且表面不易生銹，采用材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼。材料物理屬性見表2。

表2 材料物理屬性

考慮到鉸鏈產(chǎn)品的鎖定形式有差異，設(shè)計φ1 mm、φ2 mm兩種直徑測量頭，以適應(yīng)鉸鏈鎖定柱不同空間的測量間隙。為保障測量基準(zhǔn)塊與鎖緊套筒可以滿足緊配合，設(shè)計對稱φ1.5 mm的定位銷，使其滿足使用的同時還能自由拆裝。鎖緊套筒與鎖緊螺母采用分瓣式卡簧連接，合成鎖緊組件，保障千分表與測量基準(zhǔn)塊可靠連接。量具采用數(shù)顯帶置零位功能的千分表，可以將讀數(shù)顯示至千分位，有效提高測量精度。加工與裝配后的測量裝置如圖11所示。

圖11 測量裝置

該裝置對比傳統(tǒng)測量方法有如下優(yōu)點。

1)由于測量工裝的測量基準(zhǔn)面相比以往的測量器具有明顯的增大，從而增加測量裝置與鉸鏈接觸面的面積，避免了因測量基準(zhǔn)與被測基準(zhǔn)面未貼實而產(chǎn)生的測量誤差。

2)測量裝置的尺頭設(shè)計為可更換不同規(guī)格測量頭的轉(zhuǎn)接件，整體裝置的體積小、質(zhì)量輕，從而實現(xiàn)不同操作空間情況下的便捷測量。

3)測量裝置前端采用的是鋼件材料，使得測量重心靠近測量基準(zhǔn)面，可以避免量具重心不穩(wěn)導(dǎo)致的測量誤差，測量基準(zhǔn)塊增大、增厚可提高測量過程穩(wěn)定性。

2.3 誤差分析

以普通游標(biāo)卡尺的測量精度0.02 mm為參照指標(biāo)，對新設(shè)計的測量裝置進行測量誤差，以驗證測量裝置對鉸鏈鎖定深度測量的有效性。

1)測量基準(zhǔn)塊加工誤差。測量基準(zhǔn)塊的外側(cè)面需要與鉸鏈測量基準(zhǔn)面貼合，因此對與外側(cè)面的平面度有較高要求，平面度要求小于0.01 mm，依靠銑床機械加工保障。故因測量基準(zhǔn)塊平面度帶來的測量誤差為ε平=0.01mm。

2)測量基準(zhǔn)平面與測量頭的垂直度誤差。如測量基準(zhǔn)塊與鎖緊組件之間安裝未能同軸，則會使測量基準(zhǔn)塊外側(cè)面與測量頭不垂直，導(dǎo)致測量頭傾斜進入鎖定槽，使得實際測量尺寸偏大。千分尺的測量頭與鎖緊組件的同軸性依靠鎖緊螺母保障，鎖緊套筒與測量基準(zhǔn)塊裝配間隙為0.02 mm，以板間鉸鏈鎖定深度測量實際值14.5 mm為例進行計算，因基準(zhǔn)平面與測量頭不垂直導(dǎo)致的測量誤差為：

(1)

3)千分表自身精度誤差。千分表量具的測量精度為0.001 mm，故應(yīng)測量儀器自身產(chǎn)生的儀器絕對誤差為ε儀=0.001mm。

測量裝置對鉸鏈鎖定深度測量的綜合誤差由式1進行計算，千分表自身同軸度以及鉸鏈深度測量接觸面平面度假定為理想狀態(tài)，不在計算范圍之內(nèi)。經(jīng)計算，理論綜合誤差為1.005×10-2mm,滿足小于0.02 mm的要求。

(2)

通過塊規(guī)量具來模擬板間鉸鏈的測量接觸面，分別以深度8、10和12 mm為檢測標(biāo)準(zhǔn)進行3組試驗，每組測量10次，檢測該測量裝置重復(fù)裝卡的精度，以及測量數(shù)據(jù)一致性。該裝置在反復(fù)裝卡后，3組試驗數(shù)據(jù)結(jié)果的極差分別為0.003、0.005和0.003 mm。試驗結(jié)果表明，該裝置可有效裝卡并測量。

3 應(yīng)用效果

選取東方紅四號衛(wèi)星平臺中同一產(chǎn)品XX-1(02)的根部鉸鏈進行鎖緊深度裝置的使用與測試，采用不同操作人員多次測量(見表3)，共選8人，每人測試10次，試驗次數(shù)共80次。目的為驗證鎖定深度測量裝置改造后，其測量數(shù)據(jù)的一致性情況。

表3 不同人員多次測量

應(yīng)用Minitab數(shù)據(jù)分析軟件對表3中的測試數(shù)據(jù)進行一致性分析，數(shù)據(jù)離散性用標(biāo)準(zhǔn)差表征，數(shù)據(jù)的平均值、極值用均值圖表征，子組數(shù)量設(shè)置為10。鉸鏈鎖定深度測試數(shù)據(jù)離散性分析和均值分析分別如圖12和圖13所示。80組數(shù)據(jù)的正態(tài)分布整體數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.002，數(shù)據(jù)均值為45.66 mm，極差為0.009 mm。

8位檢驗員測試同一產(chǎn)品的整體極大值與極小值相差0.009 mm，不同檢驗員之間子組數(shù)據(jù)均值相差0.002 mm。由上述數(shù)據(jù)分析可知，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差較游標(biāo)卡尺測量有了明顯降低，測量離散性進一步縮小。驗證了新研制的鉸鏈鎖定深度測量裝置綜合誤差分析的正確性，在測量基準(zhǔn)面增大而且貼合良好后，有效地解決了因操作檢驗手法不同、測量過程不穩(wěn)定導(dǎo)致的數(shù)據(jù)讀取一致性差的問題。

裝置投產(chǎn)后，在東四平臺、東三B平臺、小衛(wèi)星、遙感等型號得到應(yīng)用(見圖14)，在鎖定勾式鉸鏈應(yīng)用實物如圖15所示。上述應(yīng)用經(jīng)多位操作者實踐驗證，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，使用安全可靠。在經(jīng)濟成本方面，改造后的測量裝置成本約為200元，裝配集成中心配置5臺，與采用自動數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)相比，可節(jié)約成本10萬元。在操作便捷性方面，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，屬于通用互換式裝置，便于攜帶與保存。操作前針對不同型號操作空間的需求，將主要零件重組，現(xiàn)場置零后使用。在安全性方面，測量裝置結(jié)構(gòu)緊湊小巧，無尖角，不易與產(chǎn)品發(fā)生磕碰，降低了對人員與產(chǎn)品的操作安全隱患。與傳統(tǒng)卡尺相比，測量時可以直接從千分表數(shù)顯屏幕讀數(shù)，操作過程僅需0.5 min即可完成，作業(yè)效率提升了20%，降低了操作者的勞動強度。

圖12 鉸鏈鎖定深度測試數(shù)據(jù)離散性分析

圖13 鉸鏈鎖定深度測試數(shù)據(jù)均值分析

圖14 遙感領(lǐng)域應(yīng)用

圖15 鎖定勾式鉸鏈深度測量

4 結(jié)語

針對游標(biāo)卡尺檢測太陽翼鎖定深度存在測頭與基準(zhǔn)面不垂直、測量數(shù)據(jù)一致性差的現(xiàn)象，采用一種百分表轉(zhuǎn)接裝置來解決這類問題。該裝置由數(shù)顯百分表、測量基準(zhǔn)塊、鎖緊套筒、鎖緊螺母、測量頭組成。測量基準(zhǔn)塊提供了比傳統(tǒng)卡尺更大的測量接觸面，提高了手持測量過程穩(wěn)定性，避免了因測量基準(zhǔn)與被測基準(zhǔn)未貼實而產(chǎn)生的測量誤差。不同直徑的測量頭可適應(yīng)各種狹窄空間的測試。采用該裝置后，經(jīng)多次在太陽翼鉸鏈驗證，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。該方法不僅可適用于剛性吊掛展開式太陽翼鉸鏈深度測量，還可以用于大型艙段凹槽深度或其他狹窄空間部位的測量，同時也可推廣至其他深空探測型號、天線等機構(gòu)的鉸鏈類產(chǎn)品深度指標(biāo)測量，具有較強的推廣性和實用性。