一种用于卫星装配姿态调整的智能装备

□ 戴 璐 □ 齐向军 □ 贾春雨 □ 张 健 □ 郭宇元

北京卫星制造厂有限公司 北京 100094

1 设计背景

为了满足卫星单舱总装、测试需求,需要通过用于卫星装配姿态调整的智能装备实现舱体姿态的调整。用于卫星装配姿态调整的智能装备可以停放和翻转卫星单舱,在卫星单舱仪器、电缆安装等工况下作为停放架车使用。

在卫星单舱总装期间,按照现有的用于卫星装配姿态调整的装备的状态,需要操作的最大高度超过5 000 mm。舱体高度过高,舱段体积增大,舱内的大质量设备增多,导致卫星单舱空间内总装时操作人员需求的探伸量增大,总装操作困难,部分位置采用常规手段无法进行总装。

另一方面,需要翻转卫星单舱,并且调整卫星单舱的高度,方便操作人员进入卫星单舱空间内进行总装操作。

对此,在设计中考虑升级姿态调整装备,在普通姿态调整装备上增加升降结构。卫星单舱翻转时,将舱体升高,以满足回转空间需要。卫星单舱总装操作时,将卫星单舱降低,以适应操作高度需求。

笔者基于卫星总装期间卫星单舱垂直升降作业的需求,设计了一种用于卫星装配姿态调整的智能装备——带升降功能的翻转架车。

2 功能分析

2.1 行走转运功能

行走转运功能主要用于实现智能装备在厂房内的工位转换。设计脚轮,方便智能装备在厂房内移动、转运。

2.2 停放功能

在卫星单舱仪器、电缆安装时,智能装备作为停放架车使用。

2.3 翻转功能

保证卫星单舱能绕Y轴旋转360°进行调姿。

2.4 升降功能

设计垂直升降功能,实现卫星单舱360°任意角度停放时在高度方向的调节。

3 升降系统设计

3.1 升降结构选型

目前比较成熟的升降结构主要有液压式、螺旋升降式、卷索链条式三种。三种升降结构的主要特点和应用方向见表1。

表1 主要升降结构特点和应用方向

考虑到智能装备需结构紧凑、体积小、质量小,并且卫星单舱保持架为近似刚体结构,各向变形量均小于1 mm,受侧向力小,初步选用螺旋升降式结构。

螺旋升降式结构有一侧升降另一侧随动、螺母固定式升降、双丝杠固定式升降、单丝杠固定式升降四种形式,特点见表2。根据各形式的优缺点,笔者最终选定单丝杠固定式升降形式。

表2 螺旋升降式结构形式特点

3.2 升降范围确定

卫星单舱保持架外形尺寸为3 088 mm×2 438 mm×3 390 mm。根据卫星单舱保持架的外形尺寸,确定卫星单舱保持架的外包络尺寸及转轴位置。卫星单舱保持架尺寸如图1所示。

智能装备设计的翻转轴最大高度需保证卫星单舱保持架有足够翻转空间,翻转轴最小高度需保证卫星单舱保持架平行停放时与地面距离尽量小。

通过对智能装备的使用工况进行逐一分析,得出升降系统的最小高度、最大高度及行程范围。

▲图1 卫星单舱保持架尺寸示意

卫星单舱保持架最大旋转半径为卫星单舱保持架半宽1 544 mm与翻转轴高1 760 mm组成的斜边长度2 342 mm。在这一基础上,增加200 mm的安全距离。翻转轴高度在满足2 542 mm的情况下,可以保证卫星单舱保持架安全翻转。因此,翻转轴距智能装备上表面的最大距离需不小于2 542 mm。

在智能装备使用工况下,卫星单舱对地板水平或竖直停放,卫星单舱保持架需尽可能接近智能装备上表面。卫星单舱保持架高3 390 mm,翻转轴高1 760 mm,卫星单舱保持架半宽为1 544 mm,考虑到卫星单舱保持架与主框架上表面留有安全距离50 mm,翻转轴与主框架上表面的最小距离为1 810 mm。

综上所述,初定翻转轴的最小高度为1 650 mm,最大高度为3 150 mm,能够满足使用要求。

3.3 升降结构原理

升降结构由丝杠、导轨、驱动电机、升降平台组成,如图2所示。

为确保卫星单舱南北片连接点受力均匀,在智能装备两侧各设置一套升降结构,需保证两侧同步驱动。升降结构工作过程为,电机驱动丝杠完成指定转动,通过固定在升降平台上的螺母使升降平台升降。升降平台通过两侧的滑块与导轨连接,整个运动过程中,由导轨提供导向,确保在承受偏心力时,丝杠不产生弯曲。

▲图2 升降结构

3.4 丝杠选型

根据技术要求,升降系统额定载荷为2 000 kg,安全因数为3。

对丝杠进行分析,两组丝杠受载2 000 kg,单丝杠受载1 000 kg,即10 kN。考虑1 500 mm行程内的稳定性,选择S200系列丝杠,包括400 mm升降平台高度,在1 900 mm范围内可承受30 kN载荷,属于4倍安全因数受载。

升降结构中丝杠选用M80梯形齿丝杠,螺纹段长度为1 900 mm。丝杠与螺母间隙为0.1 mm,根据两侧同步误差不大于丝杠间隙,两侧跨距不大于丝杠直径,当两侧同步误差在4.75 mm以内时,不会出现卡顿。

由于梯形齿丝杠为损耗件,并且螺母为黄铜件,更易损耗引起故障,因此丝杠磨损可根据目测观察,及时进行保养更换。螺母具有内螺纹,不易观察,所以螺母设计为安全螺母,如图3所示。安全螺母安装在主螺母下方,正常工作状态不承受轴向载荷,且只对单向负载起保护作用。螺母磨损失效,安全螺母将承担全部载荷。当丝杠磨损,即间隙X变化量超过丝杠螺距的20%时,需立刻更换螺母。

▲图3 安全螺母

智能装备升降结构的控制系统中,采用两套交流伺服电机和交流驱动控制模块,构成伺服电机调速控制系统。根据需求的推力及安全因数,选择伺服电机功率为1.8 kW,数量为两台。配套交流驱动控制模块额定转速输出,速度可在0～5 mm/s间调节。选择5 mm/s时,升降全程需5 min。

3.5 导轨选型

为分摊升降结构中丝杠侧向力,提高升降结构使用精度和寿命,每个升降平台周围设置两条导轨,导轨及滑块主要承受MA、MB两种载荷,如图4所示。

▲图4 导轨及滑块载荷

将载荷考虑为刚性体,MA为与滑块相连的升降平台受到的力矩,单个升降平台受载1 000 kg,即10 kN,单个导轨受力5 kN,导轨及升降平台受力如图5所示。MA为:

MA=5×0.438=2.19 kN·m

▲图5 导轨及升降平台受力

MB为与滑块相连的升降平台受到的偏心力矩,系统总偏心力矩不大于2 100 N·m。两侧共四根导轨,单个导轨的MB为0.525 kN·m。

选择相应规格导轨配双滑块,可承受17 kN·m力矩,属于3倍安全因数受载。升降结构中,导轨配双滑块与升降平台相连接。

4 整体结构设计

智能装备在传统保持架翻转架车的基础上进行优化设计,除主框架、翻转系统外,还增加了升降系统。智能装备结构如图6所示。升降结构与主框架融合成一体设计,将翻转系统与升降结构相连接,实现翻转轴位置的升降。在主框架底部安装脚轮及底面升降系统,方便智能装备的移动、转运及调平停放。

智能装备主框架在继承传统保持架翻转架车结构的基础上进行优化。考虑到升降结构和翻转系统的刚度、稳定性、空间需求,采用空心方钢管焊接结构,在减小质量的同时保证智能装备的整体刚度。主框架如图7所示。

▲图6 智能装备结构

▲图7 主框架

5 结束语

用于卫星装配姿态调整的智能装备实质是带升降功能的翻转架车,实现了卫星单舱行走转运功能、停放功能、翻转功能、升降功能,并且具有垂直升降功能,实现卫星单舱在高度方向上的调节。在传统保持架翻转架车上增加升降结构,卫星单舱翻转时将舱体升高,以满足回转空间需要。卫星单舱总装操作时,将卫星单舱降低,以适应操作高度需求。这一智能装备可以大大提高卫星各阶段各系统装调的可操作性,能够实现高精度航天部件的位姿调整,并且适应不同规格卫星的装配。增加操作楼梯平台,优化布局,方便人员操作,为这一智能装备后续在航天器装配中的应用奠定了基础。