CN109263057A - 一种精密碳纤维桁架的粘接与装配方法 - Google Patents

Abstract

一种精密碳纤维桁架的粘接与装配方法涉及空间光学遥感技术领域，解决了精密碳纤维桁架的粘接与装配过程复杂且漫长的问题，该方法包括：对上金属镶嵌件下表面和下金属镶嵌件上表面进行研磨、对杆接头进行修正的过程；制作粘接辅助装置的过程；利用粘接辅助装置制作桁架杆组件的过程；装配上板组件、桁架杆组件和下板组件得到精密碳纤维桁架的过程。本发明的通过粘接与装配，无需机床二次加工，不会对碳纤维结构造成污染和腐蚀。通过采用粘接辅助装置粘接杆接头与桁架杆，粘接精确且粘接后不需要机床二次加工，缩短了研制周期，提高了装配的精度简化了装配难度，同时容易满足空间相机各种接口的精度要求，推进空间光学遥感技术的发展。

Description

一种精密碳纤维桁架的粘接与装配方法

技术领域

本发明涉及空间光学遥感技术领域，具体涉及一种精密碳纤维桁架的粘接与装配方法。

背景技术

随着现代军事、科研等领域要求的不断提高，空间相机正朝着大口径、长焦距、高轻量化的方向迈进。在总成直至在轨工作的整个过程中，空间相机会经历严酷的热、力学环境考验。为了保证成像质量，空间相机的支撑结构需要具有良好的强度、刚度以及高度的热、力学稳定性。

碳纤维复合材料是一种优异的新型结构材料，广泛应用于航空、航天等领域内的轻量化结构中，具有低密度和高弹性模量的特性，比刚度极高，热膨胀系数小并且可以根据需求设计，因此非常适合制造空间相机的支撑结构，特别是复杂的桁架结构。

现有的精密碳纤维桁架由于碳纤维复合材料无法像金属材料一样加工螺纹，通常需要在所有连接接口处设置加工好的金属镶嵌件，以预埋或者外部粘接的方式与碳纤维结构形成整体。在实际工程化过程中，金属镶嵌件的定位精度控制通常难以满足空间相机各种接口的精度要求，导致支撑桁架整体尺寸、支撑桁架几何精度、相机的组件安装精度等产生超差甚至无法使用。一般采用对金属镶嵌件进行二次加工的方式来修正桁架粘接和装配带来的尺寸和几何误差，但由于桁架形状复杂，碳纤维表面强度不易于装卡，机床冷却液对碳纤维结构会造成污染和腐蚀，预埋件和粘接件加工过程中可能与碳纤维层撕裂或脱落等问题，粘接后需要机床二次加工，二次加工的过程复杂且漫长，严重制约项目的研制周期。

发明内容

为了解决现有精密碳纤维桁架的粘接与装配过程复杂且漫长的问题，本发明提供一种精密碳纤维桁架的粘接与装配方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种精密碳纤维桁架的粘接与装配方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、对上金属镶嵌件下表面和下金属镶嵌件上表面进行研磨直至共面度符合要求、对杆接头进行修正；

步骤二、制作桁架杆组件的粘接辅助装置；

步骤三、利用粘接辅助装置制作桁架杆组件；

步骤四、装配上板组件、桁架杆组件和下板组件得到精密碳纤维桁架。

按照粘接与装配方法制成的精密碳纤维桁架。

在粘接与装配方法的步骤四中使用的粘接辅助装置。

本发明的有益效果是：

1、通过本发明的粘接与装配，无需机床二次加工，步骤一中预先对上金属镶、下金属镶嵌件和杆接头进行研磨修正，而不是后期修正粘接和装配带来的尺寸和几何误差，不会对碳纤维结构造成污染和腐蚀。

2、通过采用粘接辅助装置粘接杆接头与桁架杆，粘接精确且粘接后不需要机床二次加工，缩短了研制周期，提高了装配的精度。

3、先修正杆接头、研磨上金属镶嵌件下表面和下金属镶嵌件上表面后，再粘接固化完成桁架杆组件，简化了装配难度，同时容易满足空间相机各种接口的精度要求。

4、按照本发明的粘接与装配方法制得的精密碳纤维桁架，其精度明显高于其他方法所制得的碳纤维桁架，推进空间光学遥感技术的发展。

附图说明

图1为本发明的精密碳纤维桁架的整体结构示意图。

图2为本发明的精密碳纤维桁架的下板组件示意图。

图3为本发明的精密碳纤维桁架的桁架杆组件示意图。

图4为本发明的精密碳纤维桁架的粘接辅助装置示意图；

图5为本发明的精密碳纤维桁架的定心轴示意图；

图6为本发明的精密碳纤维桁架的粘接固化状态示意图；

图7为本发明的精密碳纤维桁架的S4对应的装配示意图。

图中：1、上板组件，1.3、上轴系安装法兰，2、桁架杆组件，2.1、桁架杆，2.2、杆接头，3、下板组件，3.1下板，3.2、下金属镶嵌件，3.3、下轴系安装法兰，3.4、下特制螺钉，4、安装孔，5、辅助粘接上板组件，6.1、辅助下板，6.2、下安装凸台，7、螺纹孔，8、定心轴，9、定位轴，10、安装法兰，11、大理石气浮平台，12、数显千分表，13、定心仪；14、标准平面镜；15、杠杆千分表。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

现有的精密碳纤维桁架由上板组件1、下板组件3与多个桁架杆组件2组成，上板组件1、多个桁架杆组件2与下板组件3三部分顺次连接，如图1所示，三部分均采用碳纤维复合材料M55J作为主体结构材料，上板组件1与下板组件3预埋有钛合金材料TC4制造的金属镶嵌件形成对外接口，桁架杆组件2的数量以7个为例，每个桁架杆组件2包括碳纤维制成的桁架杆2.1和粘结在桁架杆2.1两端的杆接头2.2，杆接头2.2采用钛合金材料TC4制造，桁架杆2.1采用碳纤维复合材料M55J。七个桁架杆组件2的空间角度各不相同，杆接头2.2用以与上板组件1和下板组件3进行连接。

上板组件1和下板组件3的结构基本相同。上板组件1包括上板、位于上板上的上轴系安装法兰1.3、预埋在上板上的上金属镶嵌件。下板组件3的结构如图2所示，下板组件3包括下板3.1、位于下板3.1上的下轴系安装法兰3.3、预埋在下板3.1上的下金属镶嵌件。上轴系安装法兰1.3和下轴系安装法兰3.3正对应设置。上板和下板3.1均采用碳纤维复合材料M55J制造。上金属镶嵌件和下金属镶嵌件的结构相同，可统称为金属镶嵌件，金属镶嵌件作为上板组件1和下板组件3的对外接口，用于连接桁架杆组件2。金属镶嵌件包括本体、安装面和安装孔4，本体镶嵌在上板组件1和下板组件3上，本体镶嵌后的表面为安装面，本体镶嵌在上板上则安装面是本体的下表面，本体镶嵌在下板3.1上则安装面是本体的上表面，安装孔4设置在本体上。桁架杆组件2的结构如图3所示，桁架杆2.1一端的杆接头2.2连接上金属镶嵌件的下表面和其上的安装孔4，另一端的杆接头2.2连接下金属镶嵌件的上表面和其上的安装孔4，因而实现桁架组件与上板组件1、下板组件3的连接。

另外上板上可设有上特制螺钉，上特制螺钉将预埋在上板上的上金属镶嵌件的安装孔4的中心引出至外圆柱上，用于测量上板上安装孔4的坐标。下板3.1上可设有下特制螺钉，下特制螺钉将预埋在下板3.1上的下金属镶嵌件的安装孔4的中心引出至外圆柱上，用于测量下板3.1上安装孔4的坐标。上特制螺钉和下特制螺钉统称特制螺钉，由于安装孔4螺纹中心位置无法精确测量，利用特制螺钉引出安装孔4轴心从而极大提高测量精度。

上述精密碳纤维桁架的粘接与装配方法包括如下步骤：

S1、对上金属镶嵌件下表面和下金属镶嵌件上表面进行研磨直至共面度符合要求、对杆接头2.2进行修正；

S2、制作桁架杆组件2的粘接辅助装置；

S3、利用粘接辅助装置制作桁架杆组件2；

S4、装配上板组件1、桁架杆组件2和下板组件3得到精密碳纤维桁架。

上述S1～S4具体实现过程如下：

S1、通过测量来确定上板组件1的安装孔4的坐标、上金属镶嵌件下表面之间的共面度(即所有上金属镶嵌件安装面之间的共面度)、下板组件3的安装孔4的坐标、下金属镶嵌件上表面之间的共面度(即所有上金属镶嵌件安装面之间的共面度)，得到对应的测量结果；根据测量结果对上板组件1的安装面和下板组件3的安装面进行研磨、对所有杆接头2.2进行修正。

为了消除上板组件1和下板组件3成型后预埋的金属镶嵌件位置误差带来的影响，利用三坐标测量机对上金属镶嵌件的安装孔4和上金属镶嵌件的安装孔4坐标进行测量、对上金属镶嵌件的安装面之间的共面度和上金属镶嵌件的安装面之间的共面度进行测量，其中利用特制螺钉(上特制螺钉和下特制螺钉)提高坐标的测量精度，视测量结果对上金属镶嵌件的安装面和下金属镶嵌件的安装面进行研磨、对所有杆接头2.2进行修正，具体为修正杆接头2.2的孔位和修正杆接头2.2的空间角(杆接头2.2连接面和桁架杆2.1的角度)。修正至所有上金属镶嵌件的安装面位于一个平面上，所有下金属镶嵌件的安装面位于一个平面上，且共面度均为2μm～10μm，优选的是2μm。杆接头2.2修正至杆接头2.2匹配对应的安装面和对应的桁架杆2.1。

S2.1、对应上板组件1且利用S1的上金属镶嵌件安装孔4的坐标测量结果制作辅助粘接上板组件5，对应下板组件3且利用S1的下金属镶嵌件安装孔4的坐标测量结果制作辅助粘接下板组件3。另外所述辅助粘接上板组件5包括上定位圆孔，辅助粘接下板组件3包括下定位圆孔，上定位圆孔对应下定位圆孔。

加工辅助粘接上板组件5和辅助粘接下板组件3，辅助粘接上板组件5对应上板组件1，辅助粘接下板组件3对应下板组件3。辅助粘接上板组件5包括辅助上板、位于辅助上板的上安装凸台、位于辅助上板的上基准圆孔和位于辅助上板的上定位圆孔。辅助上板对应上板。上安装凸台对应上金属镶嵌件——上安装凸台的位置对应上金属镶嵌件，上安装凸台相比于辅助上板的高度对应上金属镶嵌件相比于上板的高度，也就是上安装凸台的下表面对应上金属镶嵌件下表面，上安装凸台上对应上金属镶嵌件安装孔4设有螺纹孔7。上基准圆孔对应上轴系安装法兰1.3。辅助粘接下板组件3包括辅助下板6.1、位于辅助下板6.1的下安装凸台6.2、位于辅助下板6.1的下基准圆孔和位于辅助下板6.1的下定位圆孔。下安装凸台6.2对应下金属镶嵌件——下安装凸台6.2的位置对应下金属镶嵌件，下安装凸台6.2相比于辅助下板6.1的高度对应下金属镶嵌件相比于下板3.1的高度，也就是下安装凸台6.2的上表面对应下金属镶嵌件上表面，下安装凸台6.2上对应下金属镶嵌件安装孔4设有螺纹孔7。辅助下板6.1对应下板3.1。下基准圆孔对应下轴系安装法兰3.3。辅助粘接上板组件5和辅助粘接下板组件3分别对应上板组件1和下板组件3加工。上安装凸台共面度优于0.002mm，下安装凸台6.2共面度优于0.002mm，辅助上板和辅助下板6.1的上下表面平行度均优于0.005mm。

上述的上基准圆孔、下基准圆孔、上定位圆孔和下定位圆孔的制作方法为：将辅助上板和辅助下板6.1组合打销钉后加工两组圆孔，其中一组为基准圆孔(上基准圆孔和下基准圆孔)，另一组为定位圆孔(上定位圆孔和下定位圆孔)，圆孔(基准圆孔和定位圆孔)的圆柱度要求优于0.005mm。

上述的螺纹孔7的制作为：将辅助粘接上板组件5和辅助粘接下板组件3拆分，利用S1上金属镶嵌件安装孔4坐标的实测值加工辅助粘接上板组件5的螺纹孔7，利用S1的下金属镶嵌件安装孔4坐标的实测值加工辅助粘接下板组件3的螺纹孔7。辅助粘接上板组件5上的螺纹孔7和辅助粘接下板组件3上的螺纹孔7均利用加工中心加工，加工基准为基准圆孔(辅助粘接上板组件5上的螺纹孔7对应上基准圆孔，辅助粘接下板组件3上的螺纹孔7对应下基准圆孔)，位置度公差优于Φ0.1mm。

S2.2、按照上基准圆孔和下基准圆孔的直径、以及上板组件1和下板组件3的距离加工定心轴8，按照上定位圆孔和下定位圆孔的直径、以及上板组件1和下板组件3的距离加工定位轴9。

按照S2.1中基准圆孔和定位圆孔的直径对应加工定心轴8和定位轴9，定心轴8与基准圆孔配合，定位轴9与定位圆孔配合，配研(定心轴8和定位轴9)轴端圆柱，要求与对应的圆孔安装时单边间隙不超过0.002mm。定心轴8的结构如图5所示，定心轴8两端加工有安装法兰10，通过安装法兰10可以同时与辅助粘接上板组件5和辅助粘接下板组件3紧固，定心轴8控制辅助粘接上板组件5和辅助粘接下板组件3的间隔与上述上板组件1和下板组件3的间隔相同，误差不大于0.003mm。

S2.3、将上述辅助粘接上板组件5、辅助粘接下板组件3、定心轴8、定位轴9组合紧固后，得到粘接辅助装置。

定心轴8和定位轴9均位于辅助粘接上板组件5和辅助粘接下板组件3之间，且均连接辅助粘接上板组件5和辅助粘接下板组件3，定心轴8两端分别连接上基准圆孔和下基准圆孔，定位轴9的两端分别连接上定位圆孔和下定位圆孔。辅助粘接上板组件5、辅助粘接下板组件3、定心轴8和定位轴9组合紧固后称为粘接辅助装置。完成组合紧固，得到粘接辅助装置。

S3.1、将粘接辅助装置固定在隔振作用的平台上，例如00级大理石气浮平台11上，调整实验室恒温(20±1)℃，相对湿度30％～50％。将桁架杆2.1和杆接头2.2安装于辅助粘接上板组件5和辅助粘接下板组件3上，确认桁架杆组件2安装位置正确，确认每根桁架杆2.1与其对应的两个杆接头2.2的粘接间隙合理，确认所有紧固螺钉旋紧时无卡滞，上述的均确认后拆下紧固螺钉。

S3.2、按桁架杆2.1与对应的两个杆接头2.2按照标准粘接工艺进行抹胶粘接，此时桁架杆2.1位于辅助粘接上板组件5和辅助粘接下板组件3之间，粘接后再按照S3.1的状态安装紧固螺钉，利用两块数显千分表12监视辅助粘接上板组件5的移动量，开始进入固化阶段，保证静置固化时间不小于7天。粘接固化状态如图6所示。

S3.3、固化完成后，确认S3.2中所述监视用数显千分表12示数无异常变化，拆下所有桁架杆组件2，此时桁架杆组件2的每个桁架杆2.1两端均固定连接了杆接头2.2。

S4.1、将上述下板组件3安装于定心仪13上，利用标准平面镜14调整下板组件3的安装面水平，然后利用杠杆千分表15调整下板组件3位置并紧固在定心仪13上，要求下轴系安装法兰3.3的圆心位于定心仪13的光轴上，误差优于0.002mm。该过程以及对应的装置如图7所示。

S4.2、将上述桁架杆组件2安装在下板组件3上、上板组件1安装在桁架杆组件2上，紧固螺钉旋紧但不施加力矩，保证上板组件1有一定平移量，利用此平移量调整上板组件1的上轴系安装法兰1.3与下板组件3的下轴系安装法兰3.3圆心同轴，然后谨慎施加力矩旋紧所有紧固螺钉至上述上轴系安装法兰1.3与下轴系安装法兰3.3的同轴度优于Φ0.01mm；此时得到精密碳纤维桁架半成品。

S4.3、从定心仪13上拆下上述精密碳纤维桁架半成品，在杆接头2.2位置打销钉定位，复检S4.2中上轴系安装法兰1.3和下轴系安装法兰3.3的同轴度，同轴度合格后，(同轴度优于Φ0.01mm)，至此，一种精密碳纤维桁架粘接和装配工作完成。

通过本发明的粘接与装配，无需机床二次加工，步骤一中预先对上金属镶、下金属镶嵌件和杆接头2.2进行研磨修正，而不是后期修正粘接和装配带来的尺寸和几何误差，不会对碳纤维结构造成污染和腐蚀。通过采用粘接辅助装置粘接杆接头2.2与桁架杆2.1，粘接精确且粘接后不需要机床二次加工，缩短了研制周期，提高了装配的精度。先修正杆接头2.2、研磨上金属镶嵌件下表面和下金属镶嵌件上表面后，再粘接固化完成桁架杆组件2，简化了装配难度，同时容易满足空间相机各种接口的精度要求，通过S1、S2.3和S3.1，以及制作辅助粘接上板组件5与辅助粘接下板组件3等，使得本发明的方法制作的精密碳纤维桁架精度明显高于其他方法制得的碳纤维桁架，推进空间光学遥感技术的发展。

Claims (10)

1.一种精密碳纤维桁架的粘接与装配方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、对上金属镶嵌件下表面和下金属镶嵌件(3.2)上表面进行研磨直至共面度符合要求、对杆接头(2.2)进行修正；

步骤二、制作桁架杆组件(2)的粘接辅助装置；

步骤三、利用粘接辅助装置制作桁架杆组件(2)；

步骤四、装配上板组件(1)、桁架杆组件(2)和下板组件(3)得到精密碳纤维桁架。

2.如权利要求1所述的一种精密碳纤维桁架的粘接与装配方法，其特征在于，所述步骤一的具体过程为测量上金属镶嵌件的安装孔(4)和下金属镶嵌件(3.2)的安装孔(4)的坐标、上金属镶嵌件下表面之间的共面度和下金属镶嵌件(3.2)上表面之间的共面度，得到对应的测量结果，根据测量结果对上金属镶嵌件下表面和下金属镶嵌件(3.2)上表面进行研磨直至共面度符合要求、对杆接头(2.2)进行修正。

3.如权利要求2所述的一种精密碳纤维桁架的粘接与装配方法，其特征在于，所述精密碳纤维桁架包括上板组件(1)和下板组件(3)，上板组件(1)的上板上设有上特制螺钉，下板组件(3)的下板(3.1)上设有下特制螺钉(3.4)，步骤一中，通过上特制螺钉测量上金属镶嵌件的安装孔(4)的坐标，通过下特制螺钉(3.4)测量下金属镶嵌件(3.2)的安装孔(4)的坐标。

4.如权利要求1所述的一种精密碳纤维桁架的粘接与装配方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：对应上板组件(1)和上金属镶嵌件的安装孔(4)的坐标测量结果制作辅助粘接上板组件(5)，对应下板组件(3)和下金属镶嵌件(3.2)的安装孔(4)的坐标测量结果制作辅助粘接下板组件(3)；所述辅助粘接上板组件(5)包括上定位圆孔和上基准圆孔，辅助粘接下板组件(3)包括下定位圆孔和下基准圆孔，所述上基准圆孔对应上板组件(1)的上轴系安装法兰(1.3)，所述下基准圆孔对应下板组件(3)的下轴系安装法兰(3.3)；按照上基准圆孔和下基准圆孔的直径以及上板组件(1)和下板组件(3)的距离加工定心轴(8)，按照上定位圆孔和下定位圆孔的直径以及上板组件(1)和下板组件(3)的距离加工定位轴(9)；将辅助粘接上板组件(5)、辅助粘接下板组件(3)、定心轴(8)和定位轴(9)组合并紧固，得到粘接辅助装置。

5.如权利要求4所述的一种精密碳纤维桁架的粘接与装配方法，其特征在于，所述辅助粘接上板组件(5)还包括辅助上板和位于辅助上板上的上安装凸台，辅助粘接下板组件(3)包括辅助下板(6.1)和位于辅助下板(6.1)上的下安装凸台(6.2)，辅助上板对应上板组件(1)的上板，上安装凸台对应上金属镶嵌件，上基准圆孔对应上轴系安装法兰(1.3)，辅助下板(6.1)对应下板组件(3)的下板(3.1)，下安装凸台(6.2)对应下金属镶嵌件(3.2)，下基准圆孔对应下轴系安装法兰(3.3)。

6.如权利要求1所述的一种精密碳纤维桁架的粘接与装配方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：将粘接辅助装置固定在隔震平台上，将桁架杆(2.1)和杆接头(2.2)安装于辅助粘接上板组件(5)和辅助粘接下板组件(3)上，确认桁架杆组件(2)安装位置，确认每根桁架杆(2.1)与对应杆接头(2.2)的粘接间隙，再确认紧固螺钉旋紧时无卡滞，均确认后拆下紧固螺钉；粘结桁架杆(2.1)与杆接头(2.2)，安装紧固螺钉，对粘结进行固化；固化完成后，得到桁架杆组件(2)，拆下桁架杆组件(2)。

7.如权利要求1所述的一种精密碳纤维桁架的粘接与装配方法，其特征在于，所述步骤四的具体过程为将下板组件(3)安装在定心仪(13)上，调整下金属镶嵌件(3.2)上表面水平，调整下板组件(3)位置并紧固在定心仪(13)上，下轴系安装法兰(3.3)的圆心位于定心仪(13)的光轴上，将桁架杆组件(2)和上板组件(1)安装在下板组件(3)上，旋紧紧固螺钉至上轴系安装法兰(1.3)与下轴系安装法兰(3.3)圆心同轴，得到精密碳纤维桁架半成品，从定心仪(13)上拆下精密碳纤维桁架半成品，在杆接头(2.2)位置打销钉定位，检验上轴系安装法兰(1.3)和下轴系安装法兰(3.3)的同轴度，同轴度合格后，粘接和装配工作完毕。

8.如权利要求7所述的一种精密碳纤维桁架的粘接与装配方法，其特征在于，所述紧固螺钉的旋紧过程为：将桁架杆组件(2)和上板组件(1)安装在下板组件(3)上，紧固螺钉旋紧但不施加力矩，保证上板组件(1)具有平移量，利用所述平移量调整上板组件(1)以使上板组件(1)的上轴系安装法兰(1.3)与下板组件(3)的下轴系安装法兰(3.3)圆心同轴，施加力矩旋紧紧固螺钉至上轴系安装法兰(1.3)与下轴系安装法兰(3.3)的同轴度优于Φ0.01mm，得到精密碳纤维桁架半成品。

9.按照权利要求1至8中任意一项所述的粘接与装配方法制成的精密碳纤维桁架。

10.在如权利要求1至8中任意一项所述的粘接与装配方法的步骤四中使用的粘接辅助装置。