自动化技术在卫星天线高精度装配中的运用探讨

付佐红

摘   要：近年来，我国的航天器技术水平显著提升，对配件装配的精度和效率要求也在不断增长。目前在汽车、航空等许多领域中已经广泛采用自动化装配技术。对于提升我国航天器研制水平，加快先进的数字化、自动化的推进，在航天产品中的应用具有重大意义。目前西方发达国家已经逐步推广航天产品自动化装配技术。本文针对卫星天线的自动化装配技术运用进行探讨。

关键词：自动化  卫星天线  高精度装配

我国航天领域发展迅猛，近年来使用的航天器种类越来越多，技术水平不断提高，对配件的精度要求也有较大提升。现代卫星天线的装配结构已经不再适合采用传统的手工方法进行操作，必须使用新型自动化技术予以替代。自动化装配技术在社会各行业中已得到普遍发展，将其引入卫星天线装配当中，可以有效提升装配精度、提高装配效率。

1  航天领域中自动化装配技术的发展现状

目前在西方发达国家，自动化装配技术已经逐步应用于航天产品当中。日本宇宙开发事业集团（NASDA）使用空间机器人进行卫星装配实验，成功在卫星上装配了天线。美国国家航空航天局（NASA）近年来不断尝试使用工业机器人开展大型航天杆件的装配工作。我国航天领域中的自动化技术水平仍然较低，我们应当不断加快相关领域的研究，努力将自动化装配技术推广到各类航天产品当中，进一步提升我国航天产品的装配精度和效率。

2  卫星天线的装配要求

卫星天线是卫星与地球进行无线通信的基本设施，对于卫星的正常运转具有不可替代的重要作用。卫星天线的构型多种多样，其中固面天线的结构较为简单、稳定性强，可以满足较高的精度要求。

固面天线的装配要求主要包括焦点和对称面角度两个指标。由于固面反射器的曲面一般符合抛物面或椭球面方程，通过方程参数可以得到焦点坐标。通常而言，焦点坐标的精度应当控制在±0.2mm的范围内。通过固面反射器的型面方程，还可以得到特定的角度对称面。通常情况下，角度对称面的精度应当控制在±0.03°的范围内。

由于固面天线的焦点和角度对称面处于空间虚拟位置当中，不易直接测量，因此在装配时不但存在沿X、Y、Z三个坐标轴方向的移动自由度，还需增加绕坐标轴旋转的转动自由度，从而导致装配天线时存在4个甚至6个自由度，大大提升了装配难度。传统的手工装配方法难度极高，不易学习掌握，亟需开发自动化装配技术进行替代。

3  自动化卫星天线装配系统的构建方法

与汽车、航空等行业相比，卫星天线的精度要求更高，因此自动化卫星天线装配系统的构建重点在于尽可能提升精度，而不是缩短操作时间。为了提升装配精度，应当更加强调系统中测量装置的重要性。此外，在汽车等行业当中，往往采用固定的装配程序进行批量化、规模化生产，然而在航天领域当中，同类产品的数量很少，为了适应实际装配需求，必须不断对程序进行修改和调试。

3.1 执行系统的构建

执行系统中需要配备精度足够高的运动机构，精确控制卫星天线装配时的6个自由度，从而准确抓取到相关产品以进行位置调整。目前，在构建执行系统时普遍采用工业机器人进行操作，以完成灵活、多样化的装配任务。对于不同种类的产品，还要在工业机器人上配备相应的末端执行器。

3.2 测量系统的构建

在构建测量系统时，应当选用全自动化的测量装置，以便快速对产品进行精确测量。在航天领域中，通常采用iGPS系统进行大范围内的参数测量，同时采用激光跟踪仪进行较小范围内的动态参数测量。由于衛星天线的空间范围较小，因此适合采用激光跟踪仪构建测量系统。

3.3 布局系统的构建

在系统工作过程中，不同的设备和产品不断进行运动，有可能造成位置干涉等安全隐患，或产生测量设备遮光问题。因此，设计人员应当对整个系统中的所有设备和产品进行合理的布局规划，确保产品可以顺利通过所有设备，工业机器人也能够自由移动到需要进行操作的位置。

3.4 中央控制系统的构建

中央控制系统是整个自动化装配系统中的核心组成部分，需要使用到自动调姿控制、坐标系建立与转换、测量数据评估、软件开发等多种不同技术。

自动调姿控制需要使用精确的测量技术，并根据适当的算法检测出当前产品部件的位置和姿态，然后对执行系统发出命令，向其给出抓取该部件的初始位置、姿态和目标位置、姿态。执行完成后，再次对产品部件进行测量，若仍然存在较大误差，则重新命令执行系统进行调整。经过多次操作和测量后，最终使得部件的位置精度满足装配需求。

在装配过程中，还需要在整个装配设备中建立精确的坐标系。以测定装配平台、产品部件、机器人的具体位置，从而准确完成装配任务。在不同设备的坐标系之间，还要建立自动变换和校正程序，以免造成误差。

在进行测量时，由于设备故障或外界环境因素干扰等原因，有可能造成测量精度下降，甚至超过误差上限。因此，在系统中还需设计测量数据评估程序，对测量结果的可靠性进行判断，对于误差较大的测量结果，还应当找出其发生原因，以便工作人员及时排除故障，让测量设备尽快恢复正常运转。

中央控制系统还需要开发一套自动化控制软件，集成系统中的数据处理、数据分析、机器人控制和装配操作等各项功能。

系统建立完成后，即可对卫星反射器位置进行精准测量，然后将其位置和姿态信息传输到中央控制系统当中，再通过系统算法生成操作指令，并传输至执行系统，控制工业机器人进行调整操作。通过多次操作和测量之后，最终将卫星天线的位置控制在误差范围内，实现自动化高精度装配的目标。

4  结语

通过建立自动化卫星天线装配系统，可以极大地提高卫星天线装配的精度和效率，通过测量系统、执行系统和中央控制系统之间的协调控制，对产品位置进行反复校正，最终满足产品的高精度要求。

参考文献

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