某折疊天線反射體的裝配方法研究

閻宏濤,劉世偉,王博通,劉盈斌

(1.中國電子科技集團公司第三十九研究所 西安 710065;2.陜西省天線與控制技術重點實驗室 西安 710065)

0 引言

隨著車載天線的需求量逐步增加,其使用性能也越來越被重視。而天線反射體作為天線系統的關鍵部件,展開與收藏性能是影響整個車載天線使用性能的主要因素。車載5.5m天線不同于其它可整體收藏天線,作為其中較大口徑的車載天線,考慮運輸規范要求,必須進行分塊展開與收藏[1]。如何保證天線反射體使用的精度及展開與收藏性能,是天線反射體安裝過程中重點要研究的問題。

該車載天線反射體型面面積大,背架結構數量多,鉸鏈動作多,結構安裝復雜[2]。從該天線的結構形式看,天線背架是整個天線反射體組成的基礎,其安裝后所能達到的精度直接影響到整個天線反射體的精度,鉸鏈動作的準確性與可靠性直接決定了天線反射體能否正常工作。因此,背架及鉸鏈的安裝在整個反射體安裝過程中至關重要。

本文通過工藝研究以及現場安裝的實踐,探索該結構類型天線反射體的安裝方法,保證了天線反射面的精度要求及展開與收藏性能,可供類似車載天線反射體的安裝借鑒。

1 天線反射體結構

新型的車載天線反射體收藏與展開結構設計,在不拆解零部件,最小限度地改變天線反射體狀態,提高了天線的機動性能[3]。車載5.5m電動折疊天線反射體由中間塊、左右邊塊、上下邊塊、角邊塊、鉸鏈組合、副反射體等組成。天線反射體結構如圖1所示。

圖1 天線反射體結構示意圖(收藏狀態)

中間塊由中心體、中間背架及面板組成。中心體為鋼板焊接形成的框架結構,其作為天線反射體安裝基準,上端面具有加工內、外止口的法蘭,下端面為連接座子基準面,外形四周均為加工基準面。其余反射體各邊塊部件均由背架及面板組成。中心體結構如圖2所示。

圖2 中心體結構示意圖

天線反射體背架支撐固定天線反射面,同時與座架相連接。其是天線反射體結構的主要承力部件[4],要求具有較高的結構強度。天線反射體各背架是由片梁、橫向鋼管、斜拉鋼管、球節點等鋼件整體焊接組成的穩定空間桁架體結構。其中片梁42件,多種規格鋼管90件,球節點共計120個。

碳纖維面板在背架上形成完整天線反射體后,反射體需滿足鉸鏈的同軸度、展開前反射體型面精度、展開及收藏后反射體型面精度。具體安裝要求見表1所示。

表1 鉸鏈及天線反射體的安裝要求

本文針對該天線反射體的結構形式和安裝要求,以天線反射體安裝工藝流程為研究重點,開展了相關工藝研究。

2 安裝難點及工藝流程

2.1 安裝難點分析

通過對天線反射體結構特點及安裝精度要求的分析,該天線反射體安裝的技術難點在于如何保證背架的位置度以及鉸鏈的同軸度和位置度。

反射體面板是通過背架與螺栓固定,背架的位置受面板位置約束,若背架的空間位置存在超差,則反射體面板精度會受較大影響,所以實現背架的精確位置是保證反射體型面精度的關鍵點之一。背架位置應保證各球節點相對型面、調整螺栓節點板的位置,兩者位置超差將導致面板無法順利落位,減小調整螺栓在法向的調整量,同時還會影響鉸鏈安裝位置和型面精度。

由于面板的分塊數量較多,鉸鏈數量及相對應動作增多。鉸鏈組合由上下邊塊鉸鏈、角邊塊鉸鏈組合構成,共計12件。本天線反射體從朝天展開運動至收藏狀態時,充分利用反射體背面的空間,共進行2次翻轉,3次旋轉展開(單邊),各面板進行5種角度變化,至此完成天線反射體收藏。

天線反射體的翻轉和折疊,主要是依靠多鉸鏈結構共同運動完成。而其運動過程的準確性是通過鉸鏈安裝的同軸度來保證,若鉸鏈的安裝位置出現偏差,則反射體翻轉和折疊會出現干涉現象,進而影響復位后的型面精度。故鉸鏈的安裝位置是保證反射體翻轉和折疊運動的關鍵影響因素。

保證鉸鏈的同軸度的難點在于鉸鏈數量較多、鉸鏈安裝難度高和天線翻轉次數多。

2.2 工藝流程確定

根據本天線反射體的結構形式、運動特點和安裝難點總結,對天線反射體裝配流程進行優化,總流程按“背架裝配→鉸鏈裝配→面板裝配→精度檢測”進行。

在整個天線反射體的安裝中,背架和鉸鏈的裝配調整至關重要。合理安排背架的安裝順序及方法,不但能縮短天線反射體的安裝時間,還能獲得較高的安裝精度,為后續鉸鏈及面板的安裝提供良好的安裝基礎。根據天線反射體背架的結構特點,結合實際安裝現狀,反射體背架按“中心體調平→樣板裝配→背架裝焊”流程進行安裝。天線反射體工藝流程如圖3所示。

圖3 天線反射體裝配工藝流程圖

根據上文鉸鏈機構安裝難點,為保證鉸鏈安裝同軸度要求及折疊翻轉后反射面精度要求,鉸鏈的安裝通過樣板和工裝配合,按照粗調安裝、精調安裝流程進行。

3 天線反射體裝配工藝措施

3.1 背架裝配

現階段天線反射體背架完全依靠激光跟蹤儀進行裝配,該方法占用儀器時間較長,在裝配工作量大或小批量反射體時經濟性較差,考慮到儀器使用及維護成本較高、儀器短缺的情況下,采用旋轉樣板進行反射體裝配。具有節約裝配制造成本、裝配過程直觀、高精度儀器使用率低等優點,適用于小批量天線反射體裝配。

3.1.1 樣板裝配

旋轉樣板以中心體上法蘭面及旋轉中心軸為基準,旋轉樣板曲線和刻線作為參照,采用簡單工具(鋼板尺等)確定背架各處球節點所在位置的半徑及高差,確定各個零部件的空間位置,達到裝配目的。

旋轉樣板主要由樣板底座、軸套、軸承、配重及樣板六部分組成,樣板裝配的主要工藝流程為:

1)調平中心體,以中心體法蘭面及內孔為裝配基準,將過渡圓環與中心體內孔配合并固定;

2)通過過渡圓環將樣板工裝上法蘭面與中心體法蘭平齊;

3)安裝樣板工裝其余部件,根據樣板與中心體各尺寸(即H、H1、H2、H3),測量樣板起點距中心體臺階圓高度差,調整樣板工裝,使其高度差與理論一致,此時樣板與中心體相對位置確定。樣板與中心體組合示意圖如圖4所示。

圖4 旋轉樣板與中心體組合示意圖

3.1.2 背架的組裝

背架是主要由球節點及管件組成的桁架結構,確定了各球節點的空間位置,即確定相應梁單元的位置,進而確定背架的相對位置。

背架組裝前,各球節點均以片梁的形式成為部件。在確定片梁水平安裝距離條件下,球節點的空間位置轉化為平面尺寸,即半徑R及距離S。旋轉樣板上的刻線對應反射體背架不同位置處球節點球心的半徑R,樣板刻線與曲線的交點距球節點頂點的豎直距離為S。本天線反射體背架整體為關于X、Y的軸對稱結構,故反射體裝配時,背架單元按1/4反射體背架單元進行數據測量。背架示意圖如圖5所示。

圖5 1/4反射體背架示意圖

背架安裝按照由中間塊至邊塊的順序進行。中間背架安裝完成后,由于整體剛性不足,鋼管支撐固定局部球節點,故后續各背架的安裝均需鋼管支撐穩定剛性;安裝相鄰背架時,以中間塊背架外形片梁為基準,將邊塊片梁調整至理論位置,根據邊塊背架與中央背架相鄰片梁的距離,中間加墊板卡蘭固定,進而焊接其余部件至整體背架;其余背架按照上述方法安裝成型完整天線反射體背架。現以裝配中央背架具體說明。

以中心體法蘭及外形加工面為基準,中央背架輻射梁按照劃線入位;根據旋轉樣板刻線與球節點一一對應關系,參照R-S數據,調整輻射梁高度至理論位置;將輻射梁前端與中心體點焊定位并加以輔助支撐,保證各單元安裝穩定;按以上方法,依次入位其它輻射梁;旋轉樣板復測各球節點位置,滿足要求后焊接定位。

3.2 鉸鏈機構裝配

在天線反射體折疊、展開與收藏時,折疊動作的準確性與可靠性直接決定了天線反射體能否正常工作,而鉸鏈是折疊動作的關鍵部件,故鉸鏈的安裝精度尤為重要。根據工程經驗總結,鉸鏈安裝分為粗調和精調。現以水平鉸鏈安裝為例說明。

1)粗調鉸鏈

為了保證折疊運動軸兩個支點處安裝的同軸問題,在加工時嚴格要求保證零部件的形位公差。鉸鏈機構工藝設計時,在其外形上預留工藝基準面,作為后續精調鉸鏈時的基準?；鶞拭媸疽鈭D如圖6所示。

圖6 鉸鏈基準面示意圖

粗調鉸鏈重點在于調整鉸鏈支座的位置,焊接鉸鏈支座與背架。由于鉸鏈數量及位置不同,故需使用專用工裝、激光經緯儀配合來保證其鉸鏈支座粗裝精度。專用工裝端面有十字刻線,上端與鉸鏈支座連接,下端與支撐墩連接,根據刻線將工裝調整至兩背架空隙中心處,其次采用與調整背架球節點相同方法,根據樣板至專用工裝端面的理論高度調整其位置,激光經緯儀配合調整工裝端面平面度及刻線同軸度,故此鉸鏈支座定位至理論位置。鉸鏈安裝后位置誤差±1mm。專用工裝安裝示意圖如圖7所示。

圖7 專用工裝安裝結構示意圖

2)精調鉸鏈

根據鉸鏈的安裝使用,鉸鏈的精調轉化為偏差及高差的調整。

利用激光跟蹤儀[5]在鉸鏈側基準面上測量與中心體法蘭中心距離,調整安裝位置滿足各面距離相等,即L1=L2=L3=L4,尺寸公差±0.02mm。鉸鏈調整示意圖如圖8所示。

圖8 調節鉸鏈同軸示意圖

同理測量各鉸鏈上基準面與中心體法蘭面高度,調整至等高且尺寸公差±0.02。根據檢測調整并保證:上下邊塊翻轉兩鉸鏈組合同軸度誤差≤φ 0.2mm。角邊塊翻轉組合同軸度誤差:≤φ0.2mm。緊固鉸鏈處螺栓并銷釘定位,試折疊及展開天線,確保折疊及展開動作順暢無卡頓。

3.3 其余部件裝配

各背架上的定位與鎖緊裝置,保證天線反射體折疊展開時的定位與鎖緊,滿足天線反射體展開工作時的精度要求。裝配時采用工裝確定機構的連接板安裝位置,同時保證鎖定銷孔同軸,以此來滿足定位精度要求。拆除工裝后鎖定銷可以順利插入孔內,并且確保天線反射體在翻折過程中無干涉現象,展開后型面精度在設計范圍之內。

通過旋轉樣板、卷尺調整面板就位姿態及側邊方向;按照旋轉樣板各點距面板的豎直距離20mm,統一粗調主反射面,調測點各位置度誤差為±1mm;此時,面板基本處在理論型面位置,但需注意邊塊與中間塊面板接縫處的縫隙3mm且均勻。

4 測量及結果

各面板整體連接在背架上形成天線反射體,粗調完成后還需對反射面精度進行再次檢測調整。作為型面精度檢測常用的非接觸式測量方法—數字攝影測量法[6],其系統精度為0.01mm(r.m.s),滿足產品檢測要求。反射體型面精度采用攝影測量系統檢測,測量點約150個,折疊前、折疊后(至少三次收藏、展開)主反射面精度均滿足設計要求。反射裝配各檢測數據見表2所示。

表2 反射體裝配測量結果

5 結束語

本文針對該車載天線背架數量多及安裝復雜、鉸鏈動作多的特點,分析安裝難點,合理安排裝配工藝措施,有效指導天線反射體的調整與安裝,最終滿足所有技術指標。實踐證明樣板裝配反射體的方法采用合理的裝配工藝,設計配套的樣板工裝、鉸鏈工裝及鎖定工裝,能簡化操作,提高效率,其成本也遠低于全程激光跟蹤儀配法。本文可供其他類似車載折疊天線反射體的安裝與檢測參考。

通過對整個天線反射體架構安裝過程分析,后續裝配需進行以下研究:一是合理安排天線背架的裝配順序,簡化流程,提高效率;二是鉸鏈安裝時設計整體工裝,減少多次調整環節;三是背架的安裝精度直接影響后續反射體型面的裝配精度,在后續裝配中,仍需提高安裝精度。