某天線座正交裝配工藝與測量方法研究

王新鋒　李　明　陳斌琦

(西安電子工程研究所　西安　710100)

0　引言

天線座是雷達(dá)天線的支撐和定位裝置，天線座方位軸與俯仰軸正交精度對雷達(dá)的測角精度影響很大。影響天線座正交精度的原因主要有兩方面因素：一方面來自于天線座設(shè)計(jì)以及加工制造精度 (如徑向跳動(dòng)、同軸度等)；另一方面在于天線座裝配過程中的數(shù)據(jù)測量、分析，以及裝配調(diào)整。由于加工設(shè)備精度、加工成本以及加工技術(shù)水平等方面的原因，在已加工完的零部件精度的前提下，通過合理的安排裝配關(guān)系、準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)以及裝配調(diào)整等方法，可以減小甚至抵消加工精度帶來的影響，滿足設(shè)計(jì)精度要求，所以天線座的裝配工藝過程也是影響雷達(dá)精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

本文論述了某方位-俯仰型雷達(dá)天線座為保證正交精度在裝配過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)測量和調(diào)整，以及正交測量原理和方法等內(nèi)容，最終測量結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

1　天線座的正交裝配工藝過程

某雷達(dá)天線座為方位-俯仰型天線座，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)要求方位軸系與俯仰軸系正交精度不大于21″, 屬于正交精度要求較高的雷達(dá)天線座。通過認(rèn)真分析圖紙裝配關(guān)系和技術(shù)要求，為了保證天線座的正交精度，需要在裝配過程中精確測量方位軸系不鉛錘度和俯仰軸系不水平度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并且通過裝配微調(diào)整，將這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)嚴(yán)格控制在滿足設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，從而保證最終裝配完成后達(dá)到圖紙技術(shù)要求的正交精度。

圖1　天線座結(jié)構(gòu)示意圖

1.1　方位結(jié)構(gòu)裝配工藝控制與分析

在裝配方位結(jié)構(gòu)部分時(shí)，如圖2所示，為了保證方位-俯仰軸系的正交精度，需要將與U型俯仰結(jié)構(gòu)部分裝配的基準(zhǔn)面(圖中標(biāo)記為H面)的端面跳動(dòng)控制在較小范圍內(nèi)，因?yàn)閷τ谠摳呔芙Y(jié)構(gòu)天線座，即使很小的軸承端面跳動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生一定的傾斜角α[1]，傾斜角α與軸承端面跳動(dòng)值的解析計(jì)算公式為:

圖2　方位軸承端面跳動(dòng)測量示意圖

(1)

其中H為軸承端面的跳動(dòng)值，D為軸承直徑。

根據(jù)上面的傾斜角α解析公式與該天線座的結(jié)構(gòu)分析可知，如果端面跳動(dòng)H過大，俯仰軸系的不水平傾斜角α也將增大，這將嚴(yán)重影響天線座的正交精度，因此為了保證最終的正交精度要求需要將軸承端面跳動(dòng)控制在0.01mm內(nèi)，如果達(dá)不到這個(gè)精度要求，需要拆卸相關(guān)零件，進(jìn)行尺寸分析、計(jì)算和裝配墊片調(diào)整。

經(jīng)過裝配調(diào)整后，測量方位軸承的端面跳動(dòng)為0.01mm，將測量結(jié)果H=0.01mm，以及軸承直徑D=500mm帶入上式(1)中，經(jīng)過計(jì)算為：

≈4.1(″)

(2)

通過以上計(jì)算可以看出，經(jīng)過墊片調(diào)整后將傾斜角α控制在較小的4.1″范圍內(nèi)，為以后天線座的正交精度奠定基礎(chǔ)。

由于軸承內(nèi)套與方位軸是過盈配合，為了便于裝配以及不影響軸承的精度，軸承裝配應(yīng)采用熱裝法[2]，即將軸承放入烘箱中加熱60～65℃，保溫1h熱透后，再與常溫下的方位軸裝配，等軸承與方位軸溫度一致后，再用緊固件將其連接，這樣可以保證軸承裝配后軸承軌道不發(fā)生變形錯(cuò)位，減少裝配過程對軸承精度的影響。

1.2　俯仰結(jié)構(gòu)裝配工藝控制與分析

在裝配俯仰結(jié)構(gòu)部分時(shí)，為了保證設(shè)計(jì)的正交精度要求，首先查看零件加工三坐標(biāo)檢測數(shù)據(jù)，兩端安裝孔同軸度是否滿足設(shè)計(jì)要求，然后以U型支臂接觸面H面為基準(zhǔn)，如圖3所示，利用百分表，測量俯仰軸安裝孔兩端(圖中標(biāo)記為A端、B端)的高度差，因?yàn)楦┭鲎蟆⒂野胼S的高度差△H使俯仰軸與水平面產(chǎn)生傾斜角α[3]，為了保證最終正交精度，兩端的高度差應(yīng)控制在0.02mm，如果高度差超過0.02mm，需要對U型支臂刮研等返修，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3　俯仰結(jié)構(gòu)部分裝配測量過程

經(jīng)過測量U型座左右兩端高度差△H =0.02mm，兩端距離為L=800mm，帶入公式(1)：

≈5.2(″)

(3)

通過以上計(jì)算可以看出，將影響正交精度的左右兩半軸中心線高度差控制在0.02范圍內(nèi)，將滿足要求。

通過以上對方位和俯仰結(jié)構(gòu)部分裝配、測量后，如果各結(jié)構(gòu)部分的誤差都控制在裝配工藝要求的范圍內(nèi)，在俯仰結(jié)構(gòu)與方位結(jié)構(gòu)裝配連接時(shí)，可以利用高低相互抵消的方法，將誤差減小到更小，以保證最終天線座的正交精度要求。

2　天線座的正交測量方法和測量結(jié)果

2.1　正交測量原理分析

對于方位-俯仰型天線座測量正交時(shí)，首先要將天線座調(diào)水平，使方位軸盡量垂直于大地，然后再測量俯仰軸的傾斜度，即反映了天線座的正交值。但在實(shí)際測量過程中，天線座在調(diào)水平過程中總有剩余誤差，以及方位軸系晃動(dòng)誤差等，所以方位軸與理想鉛直面總有個(gè)夾角β，為了消除或者減少這種不可避免的誤差，在測量正交時(shí)可以采取以下方法進(jìn)行。

如圖4所示，設(shè)方位軸與鉛直面夾角為β，俯仰軸與方位軸的正交為α，在方位0°時(shí)，測量俯仰軸的不傾斜角γ(0°)為：

圖4　正交測量角度的分析

(4)

將方位軸旋轉(zhuǎn)180°后，測得俯仰軸的傾斜角γ(180°)為：

γ(180°)=α-β

(5)

將方位γ(0°)和γ(180°)兩次讀數(shù)(取代數(shù)值，規(guī)定某一方向?yàn)檎?相加，就可以抵消方位軸于鉛直面的夾角β，進(jìn)而通過計(jì)算可以求出正交α[4]：

(6)

2.2　正交測量方法

關(guān)于方位-俯仰型天線座正交測量方法，目前常見的主要有以下三種方法：

1)水銀面五棱鏡測量方法。該方法是在俯仰軸端安裝一個(gè)反射鏡，反射鏡面需要盡量與俯仰軸線垂直，在一定距離處安裝一個(gè)自準(zhǔn)平行光管對準(zhǔn)反射鏡，并在反射鏡和自準(zhǔn)光管之間放置一個(gè)五棱鏡，在五棱鏡下面再放置一水銀盤，這樣自準(zhǔn)光管發(fā)出的光線，經(jīng)過五棱鏡折射、水銀面反射，再反射到五棱鏡、折射到光管等一系列光線閉環(huán)過程，最終得到入射線與反射線的夾角，最終根據(jù)俯仰0°和俯仰180°位置的測量值，經(jīng)過代數(shù)計(jì)算得到俯仰-方位正交精度。

2)虛擬定位檢測法。陳戈等人[5]提出了一種虛擬定位檢測法，該方法是用直光管俯仰左右半軸的兩側(cè)建立一條平行于大地的虛擬俯仰軸線，然后旋轉(zhuǎn)方位主軸，檢測出天線座俯仰軸與方位軸的偏差量，即為正交值。

3)水平儀測量方法。首先是利用合像水平儀和3個(gè)千斤頂支撐將方位軸調(diào)至與大地垂直，用水平儀將天線座上調(diào)平，然后在俯仰旋轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)垂直的基準(zhǔn)面，基準(zhǔn)面上再安裝方框水平儀，這樣方框水平儀上的水泡水平就反映了俯仰軸與方位軸的不垂直度。

綜合以上幾種常見檢測方法可以看出，水平儀測量方法測量儀器相比簡單，而且人員操作容易，人為因素導(dǎo)致的測量誤差小，測量準(zhǔn)確度相對較高，因此，該天線座選用了水平儀測量方法，如圖5所示，具體測量方法如下：

圖5　天線座正交測量示意圖

首先，將天線座調(diào)水平，盡量使方位軸垂直于大地，采用的做法為將天線底座用3個(gè)千斤頂支撐起來，在一周范圍內(nèi)均勻固定選取多個(gè)點(diǎn)，然后用合像水平儀分別測量這些點(diǎn)的讀數(shù)，得到一個(gè)平衡點(diǎn)數(shù)值HX[6]：

(7)

式中，Χi表示合像水平儀每個(gè)固定測量點(diǎn)讀數(shù)值(取代數(shù)值，規(guī)定某一方向?yàn)檎?。

然后將合像水平儀讀數(shù)調(diào)至Hx，根據(jù)合像水平儀水泡像偏置方向，調(diào)整千斤頂，直至水泡像重合，按照以上步驟，依次類推循環(huán)測量，最終將天線座水平調(diào)整至一定范圍以內(nèi)。

最后，在天線座俯仰部分固定一個(gè)可調(diào)節(jié)的基準(zhǔn)面，然后在俯仰軸上固定一個(gè)可隨俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)的表架，并且表架上等間隔地安裝3塊千分表，表頭打在基準(zhǔn)面上，通過旋轉(zhuǎn)俯仰軸將基準(zhǔn)面調(diào)到一定范圍以內(nèi)，這樣就找到了俯仰軸線，即垂直于基準(zhǔn)面上的任意一條線都與俯仰軸線平行，然后用方框水平儀靠在基準(zhǔn)面上，這樣方框水平儀上的讀數(shù)就反映了俯仰軸的水平傾斜角。

2.3　正交測量結(jié)果及計(jì)算

根據(jù)以上水平儀測量方法調(diào)整完天線座水平度和測量基準(zhǔn)面后，在測量天線座正交時(shí)，將方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，在水泡偏離最大的位置標(biāo)記為A端，讀出俯仰軸傾斜角γ(0°)為16″，然后將方位軸旋轉(zhuǎn)180°標(biāo)記為B端，讀出俯仰軸傾斜角γ(180°)為12角秒，這樣就測出俯仰軸在A、B兩點(diǎn)的傾斜角的γ(0°)和γ(180°)(代數(shù)值)，根據(jù)前面2.1正交測量原理分析可知，俯仰軸與方位軸的正交值為：

(8)

由計(jì)算結(jié)果可知，俯仰軸與方位軸正交(不垂直度)為14″，小于設(shè)計(jì)要求21″，天線座俯仰軸與方位軸正交滿足設(shè)計(jì)要求。

3　結(jié)束語

通過該雷達(dá)天線座的裝配工藝過程可以看出，對于方位-俯仰型天線座的裝配來說，為了保證天線座的正交精度，在裝配過程中要合理分配各結(jié)構(gòu)部分的裝配誤差范圍，通過精確的測量、計(jì)算分析和裝配調(diào)整將影響精度的公誤差嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)，最終保證正交精度滿足設(shè)計(jì)要求。另外，針對不同結(jié)構(gòu)的天線座要設(shè)計(jì)合理測量方法和測量工裝，讓要正交測量方法建立在理論的基礎(chǔ)上，保證每一步測量都合理、可靠，有理論支撐。