一种高精度板式结构的装配工艺研究

于 寅 李 明

（上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200093）

航天器的承力结构由铝蒙皮蜂窝板与碳纤维框架装配而成，该结构装配完成后还需装配其他系统产品，尤其是一些姿态控制产品，所以对结构的稳定性要求很高。作为承力结构必须能够承受航天器在发射及飞行过程中的严苛动力学环境，在剧烈振动过程中结构依然保持稳定，方能保证航天器正常入轨及工作[1]。因此，在结构装配时，必须将装配所产生的应力降至最低，同时必须合理选择装配基准面，满足结构板上产品安装面的几何精度测量，减少航天器因动力学环境导致的故障[2]。

1 主结构布局特点

此航天器的高精度主结构为板式结构，如图1所示，主承力结构由底板、隔板、顶板、碳纤维框架组成。它们组成了一条传力路径，用于传递各类冲击、震动。如图2所示，外侧四块侧板与底板、顶板和隔板连接形成航天器的次承力结构，提高该结构的扭转刚度。

图1 主结构示意图

图2 外侧板示意图

2 主结构关键精度要求

该主结构的±Y隔板板面及±X碳纤维框架表面与主基准及侧向基准的垂直度及平行度要求都优于0.15mm。±Y隔板及±X碳框顶部共20个分散的小凸台面组合成一个整体安装面，该安装面的平面度要求优于0.08mm，且与主基准面的平行度要求优于0.15mm。

3 装配基准的选择和建立

针对不同类型部件的装配测量要求，需要建立机械装配基准及光学装配基准。

3.1 机械基准的选择和建立

设计出如图3所示精测工装，装配时，其顶面与航天器底板装配一起，将航天器设计基准转移至精测工装上。选择工装的底面M作为测量的主基准面，侧边加工面为侧向基准面。通过机械加工的方法保证精测工装其顶面也即航天器底板装配面与主基准M面的平行度小于0.05mm，侧向基准面与主基准M的垂直度小于0.05mm。

此机械装配基准面的选择是基于传统的装配经验，存在以下缺点：侧向基准的机加精度不够高，且在多次测量侧向基准时，侧面取点位置不同会造成侧向基准精度不同，重复性较差；相比测量的部件表面，侧向基准面较小，用来评价部件较大面的几何精度，效果非常差。

图3 精测工装基准示意图

在实际测量中，则使用3D测量软件Ployworks中建立如图3所示的虚拟面N来作为侧向基准面，精测的基准坐标系建立如下，在测量软件中，将精测环两侧向基准孔的连线在精测环主基准面上的投影线作为Y轴，投影线的中点作为坐标系原点，过原点且在主基准面内与Y轴垂直的轴为X轴，Z轴通过右手法则确定，确定的坐标系为主结构基准坐标系，XOZ面为主结构侧向基准面N。

新的侧向基准N，借助两个基准孔来建立，对于机加的精度要求没有平面高，而且重复性非常好；在软件中形成的侧向基准面可以无限大，能有效评价被测面的几何精度。在对比两种建立侧向基准的方法后，选择用借助基准孔在3D测量软件Ployworks中形成的虚拟面作为侧向基准N。

3.2 光学基准的选择和建立

航天器±Y隔板上需装配光学单机，单机上有光学测量立方棱镜，其安装精度要求与整个结构的轴线偏差均在2′以内。为满足测量需求，需将光学棱镜粘贴至与虚拟侧向基准N平行的侧边加工面上，同时，需建立光学基准，使光学基准坐标系应与机械基准坐标系相一致，三轴夹角偏差小于15″[3]。

如图4所示，将精测环置于000级大理石平台上，保证立方镜的一个面和大理石平台贴合的基础上，使另一个面与侧向加工面接触，与侧向加工面平行的方向上，放置另一个立方镜，利用两台经纬仪测量两个立方镜之间的角度偏差。在两个角度偏差小于15″时，可使用502胶水，将立方镜与侧向加工面进行粘贴。测量并记录侧向加工面与侧向基准N所形成的角度，在后续测量中，将这个偏差加入到测量结果中，经过补偿的值即为最终的光学测量值。

图4 光学基准棱镜示意图

4 主体结构装配工艺

4.1 安装底板

将底板抬到精测环的上方，用销钉定位安装底板到精测环上，保证底板重复安装的定位统一性。然后安装平台舱底板与精测环的紧固螺栓，测量底板上结构板安装面与主基准M的平行度，平行度需优于0.05mm。

4.2 安装隔板及碳纤维框架

由于±Y隔板及±X碳框顶部共20个分散的小凸台面组合成一个整体安装面，其自身有平面度要求，且与主基准M有平行度要求，装配时先保证凸台面的整体平面度，然后调整其与基准面的平行度。

先将+Y隔板凸台面朝下，放在大理石平台上，再将2个碳框凸台面朝下安装到+Y隔板上，手紧安装螺钉，然后将-Y隔板凸台面朝下，放在大理石平台上并贴近2个碳框的安装面，并手紧安装螺钉。最后，将组装好的隔板与框架放置于底板上，借助塞尺及垫片来调整框架与底板安装面的间隙，小于0.02mm时，可以上紧螺钉力矩。

4.3 顶板安装

顶板对于整个主结构起辅助作用，与±Y隔板通过12个M5的螺钉相连，如图5所示，将顶板放置隔板上的安装位置，然后上紧力矩，安装好顶板后，再安装顶板隔板间的加强角片，力矩锁紧角片紧固螺栓即可。

图5 顶板安装示意图

4.4 侧板预装

每块侧板与结构板装配时，其安装孔会出现偏差，所以，需要对四侧板进行预装，并修整偏差孔位，并调整安装面间的间隙，以保证侧板顺利装配。

首先，将侧板放置于相应安装位置，安装4个紧固螺钉，无须拧紧，使侧板完全贴紧安装面，并使用塞尺测量安装面之间的间隙，进行位置和数值记录；然后取下侧板，按照记录的数据对间隙大于0.1mm的安装面进行修整，使用502胶水将相应厚度的黄铜片粘贴至安装面上，并在表面粘贴铝基胶带，防止黄铜片掉落，如表1所示为隔板加垫垫片的位置及厚度；再次，安装侧板，在安装全部紧固螺钉时如发现不能顺利旋紧，对螺钉孔位置及偏离方向进行标记；最后，拆卸侧板，对偏离的孔位修整，满足要求后配钻销钉孔[4]。

表1 加垫垫片规格及位置

5 结构精度测量

按设计要求上紧螺钉力矩后，采用距离测量精度为0.018mm的Leica AT901激光跟踪仪对结构体几何精度进行测量，测量值如表2所示。

±Y隔板面及±X碳纤维框架面相对主基准的平行度及垂直度其设计值小于1.5mm，实测结果远远优于设计值要求值，20个小凸台面组成的安装面其平面度为0.073mm，小于设计要求值0.08mm，相对主机准M的平行度0.095mm，优于设计值0.15mm。

表2 主结构精度测量数据

6 结论

通过设计出装配及测量用精测工装，借助测量软件建立起测量基准面及基准坐标系，按装配方案装配后的主结构，实测结构面的精度值远优于设计值，有效解决了高精度板式结构的装配及精度测量需求。