一種大型天線陣面自動調(diào)姿設(shè)備的設(shè)計及測量*

許洪韜，呂龍泉，張正兵

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京 210039）

引 言

隨著雷達技術(shù)的不斷進步，現(xiàn)代相控陣雷達向著結(jié)構(gòu)體積輕薄化、功能高度集成化的方向發(fā)展[1]，其天線陣面具有口徑大、精度高的特點。天線陣面設(shè)備量大且密度高[2]，內(nèi)部包含大量的電子元器件及線纜，大大增加了天線陣面的裝配難度。同時，當前雷達產(chǎn)品迭代更新快，研制周期短，分配給天線陣面的裝配周期被進一步壓縮，尤其對于批生產(chǎn)的雷達，生產(chǎn)節(jié)奏加快，對天線陣面的高效裝配提出了更高要求。

為了實現(xiàn)天線陣面的高效裝配，在工藝流程優(yōu)化的前提下，需根據(jù)裝配對象的變化，選擇合適的天線陣面姿態(tài)，以達到最舒適的人機工程性。傳統(tǒng)裝配方式通常采用單獨的立式工裝或臥式工裝進行。該種工裝姿態(tài)固定，裝配過程無法根據(jù)裝配對象的變化有效進行天線陣面的姿態(tài)變換，從而影響裝配效率。同時需搭建額外的登高梯或腳手架才能覆蓋整個陣面范圍，存在一定的安全隱患，裝配現(xiàn)場較為雜亂。

為此，本文設(shè)計了一種適用于大尺寸高集成天線陣面高效裝配的自動調(diào)姿設(shè)備，同時研究了設(shè)備的大跨距同軸度測量方法，對類似大型天線陣面的高效裝配具有工程實用價值。

1 自動調(diào)姿設(shè)備的設(shè)計

目前相控陣雷達天線陣面多采用長方箱式結(jié)構(gòu)，長度方向兩端預先設(shè)計吊裝接口，用于加工、周轉(zhuǎn)、總裝過程的吊裝。為了高效實現(xiàn)天線陣面在裝配過程中的姿態(tài)調(diào)整，本文設(shè)計了一種自動調(diào)姿設(shè)備，在天線陣面長度方向的兩端分別布置轉(zhuǎn)動裝置，通過轉(zhuǎn)動裝置驅(qū)動天線陣面的姿態(tài)變換。兩端的轉(zhuǎn)動裝置分別為主動端和從動端，兩者結(jié)構(gòu)獨立，通過旋轉(zhuǎn)連接裝置與天線陣面的吊裝接口連接。自動調(diào)姿設(shè)備整體布局如圖1所示。

圖1 自動調(diào)姿設(shè)備整體布局圖

主動端由基座、變頻電機、減速機、電氣控制箱、主動軸、軸承座、旋轉(zhuǎn)連接裝置、插銷裝置、配重、調(diào)節(jié)螺桿等組成，如圖2所示。

圖2 主動端結(jié)構(gòu)組成

從動端由基座、剎車裝置、從動軸、軸承座、配重、調(diào)節(jié)螺桿等組成，如圖3所示。

圖3 從動端結(jié)構(gòu)組成

基座是主動端和從動端各裝置的承載基礎(chǔ)，也是后續(xù)天線陣面與自動調(diào)姿設(shè)備連接后整體的承載基礎(chǔ)。為了保證天線陣面裝配的安全性，基座需根據(jù)待裝配天線陣面的重量進行剛強度計算校核，同時加裝配重塊以具備相應的抗傾覆能力。

為了適應不同尺寸天線陣面對裝配高度舒適性的需求，基座底部設(shè)計了4組調(diào)節(jié)螺桿，可調(diào)節(jié)主動軸和從動軸距離地面的高度，從而調(diào)節(jié)天線陣面離地高度。調(diào)節(jié)螺桿底座設(shè)計成球鉸結(jié)構(gòu)，以克服地面不平帶來的影響。同時，該調(diào)節(jié)螺桿可調(diào)節(jié)基座的水平度，便于后續(xù)兩端同軸度的標校。

綜合考慮設(shè)備與天線陣面的實際搭建狀態(tài)，應先固定自動調(diào)姿設(shè)備的位置，然后吊裝天線陣面與設(shè)備連接。為了保證天線陣面高效精確地與自動調(diào)姿設(shè)備兩端連接固定，將旋轉(zhuǎn)連接裝置設(shè)計為前后兩塊連接裝置，如圖4所示。后連接裝置與基座固定，前連接裝置先與天線陣面固定，然后與天線陣面整體落入后連接裝置后固定。前后兩塊連接裝置通過四周的壓板連接固定，兩者之間的距離根據(jù)壓板的伸出長度可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍設(shè)計為0～20 mm。自動調(diào)姿設(shè)備搭建時，兩端間距根據(jù)天線陣面和前連接裝置長度的理論尺寸單側(cè)留10 mm左右余量，即可保證吊裝天線陣面順利落入自動調(diào)姿設(shè)備的間隙，從而大大提高兩者連接的效率，天線陣面與自動調(diào)姿設(shè)備連接如圖5所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)連接裝置

圖5 天線陣面落入自動調(diào)姿設(shè)備示意圖

電氣控制箱內(nèi)部采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）控制，動作模式包含點動模式、自動模式、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止和角度切換，便于天線陣面裝配過程的姿態(tài)調(diào)整。電機驅(qū)動天線陣面轉(zhuǎn)動時，從動端剎車裝置松開；天線陣面旋轉(zhuǎn)到預定姿態(tài)時，電機停止，同時從動端的剎車裝置抱緊從動軸，防止天線陣面意外轉(zhuǎn)動。

2 同軸測量方案

自動調(diào)姿設(shè)備具有大跨距分體式的結(jié)構(gòu)特點，兩端旋轉(zhuǎn)軸線同軸度要求高，要求控制在0.2 mm以內(nèi)，否則天線陣面與自動調(diào)姿設(shè)備連接后，在旋轉(zhuǎn)過程中容易使天線陣面產(chǎn)生扭擰，造成天線陣面骨架變形，甚至破壞天線陣面骨架焊縫，從而造成重大質(zhì)量問題和經(jīng)濟損失。

自動調(diào)姿設(shè)備的兩端距離較遠，同時根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，無法通過直接測量旋轉(zhuǎn)軸獲得軸線同軸精度數(shù)據(jù)，給旋轉(zhuǎn)軸線的精確測量與調(diào)整造成困難。本文通過外置測量基準、采用激光跟蹤儀測量調(diào)整的方法滿足了兩端旋轉(zhuǎn)軸線的同軸度要求。

2.1 測量原理

激光跟蹤儀具有測量精度高、范圍大、動態(tài)測量特性好等優(yōu)點，已廣泛應用于大尺寸幾何參數(shù)的測量，在重大裝備精密測量、大型零部件安裝定位以及機器人校準方面具有顯著的優(yōu)勢[3-6]。激光跟蹤儀基于球坐標系，采用干涉測長原理[7-8]，通過在待測表面上移動靶鏡，可以很方便地采集對應點的空間三維坐標，然后利用軟件對采集點的數(shù)據(jù)進行面或線的擬合，并計算出相應的偏差。

激光跟蹤儀的測量坐標系如圖6所示。

圖6 激光跟蹤儀球坐標測量示意圖

激光跟蹤儀觀測目標點P的觀測值分別為水平角α、垂直角β和斜距S，則P點的空間坐標(x,y,z)為(Scosβcosα,Scosβsinα,Ssinβ)。

2.2 測量方案

2.2.1 建立測量基準

根據(jù)主動端和從動端的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了測量裝置，構(gòu)建輔助測量基準面，如圖7所示。頂部為相互垂直的與旋轉(zhuǎn)軸線平行的兩個輔助測量基準面，兩基準面垂直度為0.02 mm。底板與基座連接固定，立柱的作用是將測量面架高，便于后續(xù)標校測量基準面。

圖7 測量裝置

2.2.2 調(diào)整基準面與旋轉(zhuǎn)軸線平行且等距

將測量裝置安裝至主動端和從動端，如圖8所示。為了實現(xiàn)兩端基準面與旋轉(zhuǎn)軸線平行且等距，本文采用柔性三坐標儀器測量基準面與旋轉(zhuǎn)軸線的位置關(guān)系，用以指導測量裝置的調(diào)整。具體方法如下：將測量裝置安裝至主動端和從動端的相應位置，以主動端的旋轉(zhuǎn)軸線為基礎(chǔ)，采用柔性三坐標儀器進行測量，通過調(diào)整使得兩個輔助測量基準面與旋轉(zhuǎn)軸線平行，并記錄測量數(shù)據(jù)。根據(jù)主動端的測量裝置基準面相對于旋轉(zhuǎn)軸線的測量數(shù)據(jù)，采用柔性三坐標測量儀器進行測量，通過調(diào)整使得從動端的輔助測量基準面相對于旋轉(zhuǎn)軸線的參數(shù)與主動端的一致。

圖8 測量裝置安裝位置示意圖

2.2.3 調(diào)平水平基準面

采用合像水平儀測量主動端和從動端的水平基準面，通過調(diào)整基座底部的調(diào)節(jié)螺桿等方式，使得兩端的水平基準面水平，水平度控制在5′′以內(nèi)。

2.2.4 主動端與從動端的同軸測量

在將兩端基準面相對于旋轉(zhuǎn)軸線的參數(shù)調(diào)整一致后，以外構(gòu)的基準面相交線替代旋轉(zhuǎn)軸線進行同軸測量。理論上，若基準面相交線同軸，則兩端旋轉(zhuǎn)軸線同軸。本文研究的同軸度測量采用API（美國自動精密工程公司）激光跟蹤儀及與之配合的PolyWorks工業(yè)測量軟件進行，測量示意圖如圖9所示。采用激光跟蹤儀的具體測量方法如下：1）移動靶球在兩端測量裝置基準面上采集多個點并進行平面擬合，擬合計算水平基準面的高差和豎直基準面的錯邊量；2）根據(jù)測量偏差結(jié)果，以主動端為基準調(diào)整從動端，使得兩端盡量趨于一致；3）復測兩端水平基準面的高差和豎直基準面的錯邊量，使得偏差控制在0.1 mm以內(nèi)；4）測量主動端和從動端基準面相交線的同軸度。

圖9 同軸度測量標定示意圖

3 應用效果

某型相控陣雷達天線陣面為長方箱式結(jié)構(gòu)，其外形尺寸約為8 000 mm× 2 300 mm× 450 mm（長× 寬× 厚），在裝配過程中需多次變換天線陣面姿態(tài)以實現(xiàn)裝配效率和作業(yè)舒適度最大化。該天線陣面應用本文設(shè)計的自動調(diào)姿設(shè)備進行裝配過程姿態(tài)變換，實現(xiàn)了裝配效率的大幅提升，相對傳統(tǒng)固定狀態(tài)工裝，裝配效率提升35%以上，同時無需搭建額外的登高梯或腳手架，裝配現(xiàn)場整潔。

設(shè)備主動端和從動端旋轉(zhuǎn)軸線的同軸度采用激光跟蹤儀進行測量，同軸度為0.12 mm，滿足天線陣面翻轉(zhuǎn)兩端同軸度0.2 mm的指標要求。該型雷達處于批生產(chǎn)階段，已使用本自動調(diào)姿設(shè)備裝配了多套天線陣面。天線陣面姿態(tài)變換高效可靠，無一例質(zhì)量問題。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)天線陣面長方箱式的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了一種自動調(diào)姿設(shè)備，在天線陣面的長度方向與其兩端連接，通過自動調(diào)姿設(shè)備旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)天線陣面的姿態(tài)調(diào)整。相對傳統(tǒng)固定式裝配工裝，自動調(diào)姿設(shè)備可將天線陣面的裝配效率有效提升35%以上，同時還可適應大部分長方箱式結(jié)構(gòu)的天線陣面裝配，具有較強的柔性和推廣性。創(chuàng)新性地采用測量基準和激光跟蹤儀的同軸度測量方案，高效指導了自動調(diào)姿設(shè)備的安裝調(diào)整，實現(xiàn)了兩端旋轉(zhuǎn)軸線同軸度的精度要求，對其他類似大跨距分體式結(jié)構(gòu)的同軸度測量具有一定的指導意義。后續(xù)可進一步關(guān)注和研究如何更為便捷地調(diào)整主動端和從動端在水平方向的距離，以滿足兩端的同軸度和跨距要求。