某輪軌天線座滾輪組的設(shè)計及測量

陳亞峰

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某輪軌天線座滾輪組的設(shè)計及測量

陳亞峰

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中針對某高精度相控陣雷達天線座采用的錐面滾輪結(jié)構(gòu)，研究了滾輪和軌道對應(yīng)的空間關(guān)系，總結(jié)出了計算公式，并在此基礎(chǔ)上確定了天線座方位承載滾輪及軌道設(shè)計方案。在安裝調(diào)整過程中，根據(jù)激光跟蹤儀極坐標原理進行了點位坐標測量，用靶鏡直接測量平面來確定滾輪內(nèi)平面的法線方向、靶鏡配合工裝測滾輪錐面來確定圓心的方法確定了滾輪的軸線和位置，有效指導了滾輪的安裝調(diào)整，滿足了其向心度和位置度設(shè)計要求。

激光跟蹤儀；軌道；滾輪；工裝；靶鏡

引 言

某相控陣雷達天線座是我國目前最重、最大跨距的一套二維可動的高精度天線座。該天線座支撐著超百噸天線在方位和俯仰2個維度上轉(zhuǎn)動，其方位運動主要由4組8個滾輪在軌道面上的旋轉(zhuǎn)來完成。隨著現(xiàn)代武器的發(fā)展及深空探測的需要，相控陣天線向超大超重型發(fā)展，原來的轉(zhuǎn)臺式天線座越來越無法滿足要求，因此必須研究大型輪軌式天線座。輪軌式天線座的核心就是軌道及滾輪結(jié)構(gòu)。某單位曾經(jīng)設(shè)計過僅方位旋轉(zhuǎn)的相控陣輪軌式天線座，但其結(jié)構(gòu)精度遠小于本天線座，而且當時采用的是點接觸輪軌，承載能力不能滿足當前任務(wù)要求。為使該相控陣天線能夠準確指向被探測目標，本文精心設(shè)計了線接觸輪軌組合結(jié)構(gòu)。組合結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件滾輪座用高精度數(shù)控機床精密加工來保證相關(guān)結(jié)構(gòu)精度，最終組合結(jié)構(gòu)和天線座通過精確測量、安裝及調(diào)整來保證軸系精度。

1 滾輪組的設(shè)計

考慮整體形象的美觀和結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性，方位-俯仰型輪軌式天線座目前一般采用較為成熟的4點支撐布局。將雷達天線座的方位轉(zhuǎn)臺設(shè)計成矩形，4組滾輪分布在長方形方位轉(zhuǎn)臺的4個角上，每組包含1個主動輪及電機、減速器和1個被動輪，共8只滾輪，其布局如圖1所示。4組滾輪均調(diào)整到位后，通過4只電機驅(qū)動主滾輪在軌道面上旋轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)方位轉(zhuǎn)動。由于其負載較大，為使每個滾輪均勻受力，通過均衡承載裝置使每組滾輪與方位轉(zhuǎn)臺的底面相連，在轉(zhuǎn)臺兩短邊上安裝一組支臂支撐天線，主要載荷直接通過支臂傳到滾輪上，傳力途徑及結(jié)構(gòu)簡單明了。

圖1 滾輪布局示意圖

為了提高旋轉(zhuǎn)精度和承載能力，滾輪與軌道采用了線接觸副。為了保證滾輪與軌道之間純滾動，將滾輪踏面設(shè)計成錐形，滾輪軸線的延長線與軌道平面交于方位中心軸線上。要使?jié)L輪平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，就需保證4組滾輪的所有軸線均指向軌道面中心，并且每個滾輪的轉(zhuǎn)動軸與內(nèi)表面交點距軌道圓中心的距離相等，如圖2和圖3所示。

圖2 滾輪軌道關(guān)系示意圖

圖3 滾輪與軌道接觸示意圖

滾輪組由滾輪、滾輪座、驅(qū)動裝置及均衡承載裝置組成，滾輪座內(nèi)安裝有滾輪軸及軸承等，如圖4所示。

圖4 滾輪組結(jié)構(gòu)示意圖

均衡承載裝置由2套球形鋼支座組成，采用2套球形支座可以保證滾輪座在軌道切線方向轉(zhuǎn)動，使2只滾輪上的載荷平衡。同時2套支座的安裝高差可以調(diào)節(jié)滾輪座對軌道面的傾角，保證滾輪軸線的對中關(guān)系。球形鋼支座由上、下支座板，球面滑板，錨固螺栓等部件組成，如圖5所示。轉(zhuǎn)臺豎向荷載由上支座板、球面滑板和下支座傳至下部滾輪座及滾輪。

圖5 球形支座結(jié)構(gòu)圖

由于同一組的2只滾輪的軸線均要指向軌道中心，因此需要保證同一滾輪座的2排安裝軸孔的位置關(guān)系。該軸孔通過數(shù)控機床加工來保證精度，同時滾輪座本身與軌道面之間存在一定的夾角，而且該夾角與軌道及滾輪的直徑均相關(guān)。這些相對位置關(guān)系及尺寸鏈均需仔細設(shè)計及核算。滾輪與軌道的尺寸關(guān)系如圖6所示。

圖6 滾輪組與軌道的尺寸分析示意圖

從圖6可知：O為軌道面圓心；A1、A2為滾輪內(nèi)表面圓心；B1、B2為滾輪與軌道的接觸點；A1B1、A2B2為滾輪半徑r；OA1、OA2為軌道半徑R；A1A2為兩滾輪中心截面圓心之間的距離L1；OA1、OA2為兩滾輪中心截面圓心到軌道圓心之間的距離L2；θ1為滾輪與軌道面之間的夾角；θ2為2個滾輪軸線之間的夾角；θ3為滾輪座安裝面與軌道面之間的夾角。根據(jù)相對尺寸關(guān)系和已確定的相關(guān)參數(shù)(r、R、L1)，可以推出以下滾輪座的設(shè)計參數(shù)：

(1)

L2=R cosθ1

(2)

(3)

(4)

考慮到尺寸的合理公差及加工誤差，在滾輪座與轉(zhuǎn)臺之間設(shè)計了調(diào)整墊片，用于最后安裝時傾角的微調(diào)。要使天線座平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，就需保證4組滾輪的軸線均指向軌道中心，滾輪軸線與軌道中心的夾角誤差精度要求在± 0.01°以內(nèi)，且每個滾輪的旋轉(zhuǎn)半徑均相等。設(shè)計和加工只能保證零部件的相關(guān)尺寸在一定的尺寸范圍內(nèi)，在組裝成型過程中還需要精確測量及調(diào)整。初始安裝時為了方便滾輪座的測量調(diào)整，將轉(zhuǎn)臺底面朝天且將所有滾輪座的安裝面調(diào)整到同一水平面。滾輪座反扣在轉(zhuǎn)臺上,使?jié)L輪錐面朝天,用工裝保持滾輪座的相對位置,使所有滾輪頂面在同一個水平面上，該水平面對應(yīng)軌道面。將滾輪座調(diào)整到滿足精度要求后，固化滾輪座的位置。正式安裝時先按銷釘復(fù)位，復(fù)測精度并作微調(diào)。由于滾輪座的遮擋，測量時只能觀測到滾輪內(nèi)表面的3/5圓周，所以必須采用合適的測量方法保證滾輪表面測量點的測量精度滿足要求。為滿足滾輪測量的高精度要求，采用激光跟蹤儀測量，而且為了更好地保證測量精度及同一次測量盡可能觀測到更多的滾輪，需精心設(shè)置測量儀器的位置。

2 激光跟蹤儀極坐標測量原理及精度指標分析

激光跟蹤儀測量范圍大，測量精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性及測量效率都高，其單點的采集精度可以達到0.01 mm。激光跟蹤儀測量的基本原理是極坐標法，通過測量目標的水平角、垂直角和斜距，建立以測站為中心的極坐標系[1]。其精度主要是由測距保證的，因為斜距利用激光干涉原理測量。某輪軌天線座滾輪組采用API型激光跟蹤儀進行測量，激光跟蹤儀的測量坐標系如圖7所示。

圖7 激光跟蹤儀極坐標測量示意圖

激光跟蹤儀觀測目標點P的觀測值(水平角、垂直角、斜距) 分別為α、β和S，則P點的三維坐標為[2]：

(5)

設(shè)水平角和垂直角的測量精度均為mα，距離測量精度為ms，則有：

(6)

則空間點P的點位誤差為[3]：

(7)

3 測量方案

根據(jù)天線座的精度要求，滾輪在轉(zhuǎn)動時必須順暢地在軌道上滾動，不產(chǎn)生跳動和打滑。因此滾輪的軸線與軌道中心的夾角要保證在0.01°以內(nèi)，且所有滾輪的旋轉(zhuǎn)半徑偏差在2 mm以內(nèi)。綜合考慮現(xiàn)場條件和各種因素的影響，采用美國API型激光跟蹤儀配合PolyWorks工業(yè)測量系統(tǒng)進行測量。為了滿足設(shè)計要求，安裝時需要測量軌道的圓度、軌道圓的圓心、內(nèi)平面、內(nèi)平面的圓心和滾輪的軸線。軌道的圓度及其中心位置首先通過測量中心軸承安裝的圓柱面來獲得，滾輪的內(nèi)平面及軸線通過測量滾輪端面和圓錐面來構(gòu)建。激光跟蹤儀架設(shè)在中心座及滾輪之間，且保證能夠同時觀測2組滾輪和轉(zhuǎn)臺中心，儀器與測量點之間光線直線可達，且中間不能有障礙物[4]，如圖8所示。儀器的架設(shè)還要注意另外2組滾輪的位置，需要合適的轉(zhuǎn)站位置以保證共同的旋轉(zhuǎn)中心，保證轉(zhuǎn)站及總的測量精度[5]。

圖8 滾輪測量時儀器的架設(shè)

滾輪的生產(chǎn)是通過數(shù)控機床加工的,圓度及端平面的平面度均很好。滾輪的內(nèi)平面可以用靶鏡貼在內(nèi)平面上直接測量，滾輪的軸線可以通過測量圓及內(nèi)平面來構(gòu)建。在10 m的距離范圍內(nèi)激光跟蹤儀配合靶鏡測量點位精度在± 0.12 mm 左右,點位測量精度對向心度的影響為0.001 4°,能滿足要求，但需要去掉漆面不平的影響,測量時需將測點處油漆去掉[6]。

對于滾輪軸線的測量可以采用2種方法:

1)直接測量圓錐面獲得。將靶鏡直接貼在滾輪圓錐面上采集圓錐面信息,通過圓錐擬合得到軸線。由于滾輪座及電機減速器的遮擋,只能在3/5圓周內(nèi)采集點位信息。而且滾輪的厚度只有200多毫米，軸線長度約8 m，擬合出來的軸線誤差較大。通過計算，精度已經(jīng)大于安裝要求,所以不能采用該測量方法。

2)采用靶鏡配合工裝測量滾輪錐圓,通過擬合圓心作滾輪內(nèi)平面的法線獲得。由于滾輪面是個錐面，加工特定的工裝靠緊錐面和平面，保證靶鏡放置的若干位置能夠準確擬合為圓，測量工裝放在滾輪側(cè)面，如圖9所示。為得到精確的滾輪內(nèi)平面圓心，將內(nèi)平面測量的點擬合為一個平面，將所有點投影至擬合的內(nèi)平面中再進行圓擬合求解圓心[3]。測內(nèi)平面時，為得到高精度的法線方向，應(yīng)盡可能多采測點且分布均勻，處理數(shù)據(jù)時需嚴格控制平面擬合的偏差范圍。平面擬合的精度為±0.01 mm，測點投影至內(nèi)平面后圓擬合的精度為±0.02 mm，擬合圓心極限偏差為±0.045 mm，這樣測量點位誤差基本控制在±0.05 mm以下,滿足調(diào)整精度要求。

圖9 測量工裝圖

根據(jù)上述分析，最終采用靶鏡測量滾輪內(nèi)平面來確定軸線法線方向、工裝配合靶鏡測圓錐并結(jié)合棱來確定圓心的方式進行測量。用工業(yè)測量系統(tǒng)解算的結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，同一組滾輪軸線對于中心的對稱性、滾輪軸線交點與軌道圓心的偏差，通過幾輪調(diào)整,最終使得偏差小于2 mm，滿足產(chǎn)品精度要求。

圖10 滾輪擬合軸線交點及圓心求解

4 結(jié)束語

某輪軌式天線座的三軸正交是確保其結(jié)構(gòu)精度的關(guān)鍵技術(shù)，而其方位的平穩(wěn)運動需要軌道的平面度及滾輪的位置度和向心度來保證。本文根據(jù)總體精度要求及滾輪的高精度安裝要求，通過分析滾輪和軌道的相對關(guān)系,精心設(shè)計了軌道及滾輪組。在最終的安裝中利用API型激光跟蹤儀結(jié)合PolyWorks工業(yè)測量系統(tǒng)對滾輪座進行了測量及調(diào)整，采用激光跟蹤儀配合靶鏡及工裝測量滾輪平面和圓心的方法來確定滾輪軸線，測量中采用把圓的測量點投影至滾輪內(nèi)平面再擬合成圓的方法來確定圓心，減少測量誤差，有效地指導了安裝和調(diào)整，滿足了滾輪安裝的精度要求。

[1] 吳鑫, 戴廣明, 魏忠良, 等. 標校塔信號源抗風擾穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電子科技, 2015, 28(7): 12-17.

[2] 李廣云. 工業(yè)測量系統(tǒng)進展[M]. 北京: 解放軍出版社, 2000.

[3] 鄧勇, 李宗春, 李干, 等. 65 m射電望遠鏡滾輪安裝調(diào)整測量[J]. 測繪通報, 2012 (S1): 109-112.

[4] 馮祝雷, 李明, 丁海東. 激光跟蹤儀高精度測量運動物體位姿的研究[J]. 激光技術(shù), 2016, 40(3): 436-440.

[5] 耿晨剛. 導軌精度檢測方法[J]. 中州大學學報, 2013, 30(5): 122-125.

[6] 余華昌, 包曉峰. 激光跟蹤儀在平面度測量上的準確性探討[J]. 光學專業(yè), 2015, 35(S1): 34-36.

陳亞峰(1975-)，男，高級工程師，主要從事雷達天線座傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

Design and Measurement of Wheel Assemblyfor a Wheel-rail Type Pedestal

CHEN Ya-feng

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

According to the cone wheel structure of a high-precision phased array radar antenna pedestal system, the spatial relationships between the wheel and track are studied, the computation formulas are concluded and the design scheme for wheel and track is confirmed on this basis. During the installation and adjustment of the wheel on track, the point position coordinate measurement is carried out according to the polar coordinate principle of the laser tracker. The plane is measured directly by the spherically mounted retroreflectors (SMR) to find the normal line direction of the wheel inner plane and the wheel cone plane is measured by SMR together with the fixture to find the center of the circle. The axis and position of the wheel are thus obtained with this method. The result shows that the method can direct the installation and adjustment effectively and meet the centrality and position design requirements of the wheel.

laser tracker; track; wheel; fixture; spherically mounted retroreflectors (SMR)

2017-03-14

TN820.8+2

A

1008-5300(2017)03-0012-04