一種大型相控陣?yán)走_(dá)陣面的安裝調(diào)整方法*

梅啟元，沈文軍

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

一種大型相控陣?yán)走_(dá)陣面的安裝調(diào)整方法*

梅啟元，沈文軍

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

大型相控陣?yán)走_(dá)的陣面口徑大，重量重，精度要求高, 對結(jié)構(gòu)件的加工精度、外場施工提出了較高的要求，無論是工廠加工還是外場安裝，均具有成本高、周期長、實現(xiàn)難度大等特點。文中在滿足雷達(dá)戰(zhàn)技指標(biāo)的前提下，提出了全新的安裝調(diào)整方法，用體積小、重量輕的安裝塊代替大型骨架，用光學(xué)儀器指導(dǎo)安裝代替機(jī)加工定位安裝，利用調(diào)整機(jī)構(gòu)代替調(diào)整墊片，降低了成本，提高了安裝精度，降低了施工難度，縮短了產(chǎn)品研制周期，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

大型相控陣?yán)走_(dá)；精度；安裝；調(diào)整；調(diào)整機(jī)構(gòu)

引 言

很多大型相控陣?yán)走_(dá)(如口徑超過幾十米、重量超過幾百噸的雷達(dá))一般都架設(shè)在大型天線樓(或艙)上。這種雷達(dá)的口徑大，重量重，精度要求高，給安裝基礎(chǔ)的設(shè)計、制造和外場施工帶來了較大的困難，同時也給雷達(dá)設(shè)備的安裝帶來了困難，且無法實現(xiàn)在使用過程中的精度調(diào)整。如何提高雷達(dá)的安裝精度、減少材料費用和加工安裝成本以及降低外場施工難度是類似產(chǎn)品在工程研制中必然會遇到的一大難題。

為了解決這個問題，通常的做法是在天線陣面和天線樓之間制作一套加工精度和剛強(qiáng)度要求較高的過渡骨架作為安裝基礎(chǔ)，通過機(jī)加工和調(diào)整墊片保證陣面精度。過渡骨架不僅體積大，重量重，而且對加工精度要求高，無論是工廠加工還是外場安裝，均具有成本高、周期長、實現(xiàn)難度大的特點，是影響大型相控陣?yán)走_(dá)成本、安裝精度和施工周期的一大難題。文獻(xiàn)[1]對高精度測量雷達(dá)安裝誤差的測量、計算分析和調(diào)整方法進(jìn)行了全面闡述，并用實例說明了高精度測量雷達(dá)安裝誤差的標(biāo)定過程。但該技術(shù)僅闡述了高精度雷達(dá)安裝誤差的計算、測量和調(diào)整，并未介紹安裝方法和安裝過程，對大型相控陣?yán)走_(dá)的制造成本、安裝精度和施工周期并無影響。文獻(xiàn)[2]主要論述了在大型相控陣?yán)走_(dá)天線機(jī)械軸的標(biāo)校中如何使用現(xiàn)代光學(xué)測量技術(shù)和設(shè)備，從而提高測量的精度和效率，介紹了測量設(shè)備的系統(tǒng)組成、測量的原理以及測量的具體操作過程。但該技術(shù)僅介紹了光學(xué)儀器如何對大型相控陣?yán)走_(dá)機(jī)械軸進(jìn)行標(biāo)校，并未介紹光學(xué)儀器如何指導(dǎo)雷達(dá)設(shè)備的安裝，只能對精度進(jìn)行被動測量，對精度的提高并無貢獻(xiàn)。

本文提出了一種能夠快速、高精度安裝和調(diào)整大型相控陣?yán)走_(dá)陣面的方法，它能有效降低工廠加工量和外場施工難度，減少雷達(dá)外場的架設(shè)時間，縮短大型相控陣?yán)走_(dá)的研制周期，同時能提高雷達(dá)的安裝精度，實現(xiàn)大型相控陣?yán)走_(dá)在使用過程中的精度調(diào)整，解決大型相控陣?yán)走_(dá)精度要求高、外場施工難度大的難題。

1 安裝方法

1.1 模塊劃分

在安裝前，首先應(yīng)對大型陣面進(jìn)行模塊化設(shè)計。模塊化設(shè)計與傳統(tǒng)的設(shè)計方法截然不同，它是統(tǒng)籌考慮產(chǎn)品系統(tǒng)，把其中含有相同或相似的功能單元分離出來，用標(biāo)準(zhǔn)化原理進(jìn)行統(tǒng)一、歸并、簡化， 以通用單元的形式獨立存在的一種機(jī)電一體化設(shè)計方法[3-5]。具體實施時，可根據(jù)雷達(dá)天線陣面的結(jié)構(gòu)形式、精度要求、維修性要求、運輸要求、吊裝要求等因素，將大型陣面分解成若干個具有相同功能、相同結(jié)構(gòu)形式的模塊，以簡化安裝面的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而確定安裝支撐面的位置和大小。某雷達(dá)的陣面模塊劃分如圖1所示。

圖1 模塊劃分示意圖

1.2 基礎(chǔ)設(shè)計安裝

根據(jù)陣面模塊劃分，提出對陣面安裝基礎(chǔ)的要求，并對安裝基礎(chǔ)進(jìn)行簡化設(shè)計，利用由離散的安裝點組成的安裝面代替連續(xù)的安裝面，降低雷達(dá)對安裝基礎(chǔ)的精度要求，減少外場施工難度和施工量。

大型雷達(dá)安裝基礎(chǔ)規(guī)模大，僅僅依靠基建施工難以滿足雷達(dá)的高精度安裝要求，需要通過逐級過渡和調(diào)整，提高安裝精度，降低施工難度。

陣面與安裝基礎(chǔ)之間的典型安裝如圖2所示，依次為基建基礎(chǔ)、過渡板、過渡塊、調(diào)整機(jī)構(gòu)和陣面。利用過渡板實現(xiàn)一級調(diào)整，減少基建帶來的誤差，利用過渡塊進(jìn)行二級調(diào)整，使安裝基礎(chǔ)基本滿足X方向和Z方向的精度要求，如圖3所示，最后利用調(diào)整機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)高度方向(Y方向)的精度調(diào)整，最終達(dá)到預(yù)期精度要求。

圖2 陣面安裝關(guān)系示意圖

圖3 調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝示意圖

1.3 過渡板安裝

設(shè)計能夠代替過渡骨架的過渡板和過渡塊，利用全站儀的引導(dǎo)，將過渡板初步固定在天線樓上。在過渡板上安裝光學(xué)棱鏡，通過全站儀依次測量帶有光學(xué)棱鏡的過渡板的位置，將測量值與理論值進(jìn)行對比，利用輔助螺桿調(diào)節(jié)過渡板的位置，直到實際測量值與理論值相符為止，過渡板的安裝如圖4所示。

圖4 安裝過渡板

當(dāng)過渡板的位置精度滿足要求后，將過渡板焊接固定在天線樓上。安裝過渡板時，宜采用焊接方式。焊接時為減小變形，可通過調(diào)整螺栓調(diào)整位置并固定牢靠，需采用連續(xù)焊縫雙面對稱焊接，焊接完畢后松開并拆除調(diào)整螺栓。

1.4 過渡塊及調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝

當(dāng)過渡板安裝滿足要求后，將安裝塊通過定位銷固定在過渡板上，并在安裝塊上安裝調(diào)整機(jī)構(gòu)，調(diào)整機(jī)構(gòu)的安裝如圖3所示。

1.5 陣面安裝

調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝完畢并驗收合格后，即可通過汽車式起重機(jī)將模塊化的陣面安裝到調(diào)整機(jī)構(gòu)上，子陣面的安裝如圖5所示。

圖5 安裝子陣面

2 安裝精度測量及調(diào)整

2.1 精度測量

陣面安裝完畢后，還需要對安裝精度進(jìn)行測量，以確保滿足要求，對不滿足要求的應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。

精度測量通常采用攝影測量方法，攝影測量的基本原理為三角測量[6]，如圖6所示。通過計算空間相交和會聚的直線就可以精確確定點位。但攝影測量又不同于經(jīng)緯儀，它在測量上不受三角測量點的數(shù)量限制，可以同時測量多個點，通過前方交會和后方交會計算出測量點的三維坐標(biāo)以及相機(jī)所在的位置和旋轉(zhuǎn)角，最終通過整體平差，優(yōu)化測量結(jié)果。某雷達(dá)的陣面測量如圖7所示，攝影測量分析結(jié)果如圖8所示。

圖6 攝影測量法原理

圖7 陣面測量示意圖

圖8 攝影測量分析結(jié)果

2.2 精度調(diào)整

測量完畢后，通過調(diào)整機(jī)構(gòu)對超差處進(jìn)行調(diào)整，直到精度滿足要求為止。調(diào)整機(jī)構(gòu)是保證陣面安裝精度，消除安裝基礎(chǔ)變形、地基不均勻沉降等影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不僅可以實現(xiàn)雷達(dá)在使用過程中的精度調(diào)整，而且可大大降低對安裝基礎(chǔ)的精度要求和機(jī)加工要求，降低安裝難度。調(diào)整機(jī)構(gòu)采用渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)，主要由基座、渦輪、蝸桿、絲桿、安裝板、定位螺釘、注油嘴等組成，工作時，轉(zhuǎn)動蝸桿，絲桿在渦輪的作用下作上升或下降運動，實現(xiàn)精度調(diào)整，調(diào)整機(jī)構(gòu)的外形及組成如圖9所示。

圖9 調(diào)整機(jī)構(gòu)外形示意圖

3 結(jié)束語

本文在滿足雷達(dá)戰(zhàn)技指標(biāo)的前提下，提出了用體積小、重量輕的安裝塊代替大型骨架，用光學(xué)儀器指導(dǎo)安裝代替機(jī)加工定位安裝，利用調(diào)整機(jī)構(gòu)代替調(diào)整墊片的大型相控陣?yán)走_(dá)的安裝方法，節(jié)省了成本，提高了安裝精度，降低了施工難度，縮短了產(chǎn)品研制周期。與傳統(tǒng)機(jī)加工方法相比，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在：

1)改進(jìn)了大型陣面安裝面的結(jié)構(gòu)形式，用由安裝塊組成的點狀安裝面代替連續(xù)的安裝面，節(jié)省了成本。

2)提高了安裝精度，縮短了外場安裝周期。采用高精度全站儀，結(jié)合光學(xué)棱鏡標(biāo)校定位技術(shù)，利用螺栓加調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)安裝塊的快速、高精度安裝。同時過渡件的體積小，重量輕，現(xiàn)場施工快捷，安裝調(diào)節(jié)方便。

3)單個過渡塊的體積比過渡骨架小2個數(shù)量級，降低了工廠加工難度和加工成本，縮短了加工周期。

4)安裝塊的總重量約為過渡骨架重量的10%，不僅節(jié)省了原材料，還減輕了設(shè)備載荷。

工程實踐表明，以上方法有效可行，但在光學(xué)儀器指導(dǎo)設(shè)備安裝的定位精度方面還有進(jìn)一步的提升與研究空間，使大型雷達(dá)的安裝更加方便快捷。采用以上方法后，安裝面的平面度比傳統(tǒng)安裝面提高了20%以上。不僅節(jié)省了材料和加工費用，外場的安裝架設(shè)時間亦縮短了30%以上，同時可實現(xiàn)使用過程中的精度調(diào)整，大大提高了安裝精度，節(jié)省了成本，縮短了大型相控陣?yán)走_(dá)的現(xiàn)場安裝時間，具有較高的應(yīng)用價值。

[1] 朱澤鋒，張恒華，王鵬宇. 高精度測量雷達(dá)安裝誤差的測試和調(diào)平方法研究[J]. 計量與測試技術(shù), 2012, 39(6): 18-19.

[2] 秦志剛. 現(xiàn)代光學(xué)測量技術(shù)及設(shè)備在大型相控陣?yán)走_(dá)天線標(biāo)校上的應(yīng)用[J]. 電子機(jī)械工程，2003,19(4):31-33.

[3] 吳在東, 肖海紅. 二維相控陣?yán)走_(dá)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電子機(jī)械工程，2006,22(1):17-19.

[4] 陳惠云,花興來. 雷達(dá)模塊化效益綜合評價研究[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2010,8(6): 503-509.

[5] 路龍龍，楊芳紅. 模塊化設(shè)計在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子元器件應(yīng)用, 2012,14(6): 49-52.

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An Installing and Adjusting Method for Antenna Array of Large Phased Array Radar

MEI Qi-yuan，SHEN Wen-jun

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The antenna array of the large phased array radar is characterized by large aperture, heavy weight and high accuracy, which puts forward higher requirement for the machining accuracy and outfield construction. Both the manufacturing process and outfield installation have the problems of high cost, long period and difficult to achieve. In this paper, a new installing & adjusting method is proposed for the antenna array of the large phased array radar. In the method, a small-volume and light-weight installation block is used to replace the large skeleton. The optical instrument is adopted here to guide the installation instead of machining location. And the adjusting mechanism is used to replace the adjusting spacer. As a result, the cost is lower, the installation accuracy is improved, the construction difficulty is reduced and the development period is shortened.

large phased array radar; accuracy; installation; adjustment; adjusting mechanism

2014-05-15

TN82

A

1008-5300(2014)06-0036-04

梅啟元(1976-),男，碩士, 高級工程師, 主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計工作。