大型射電望遠鏡背架精密安裝技術

李 干，李宗春，高德軍，鄧 勇

（1.信息工程大學測繪學院，河南鄭州 450052；2.72946部隊，山東淄博 255020；3.61365部隊，天津 300140）

大型射電望遠鏡背架精密安裝技術

李 干1，2，李宗春1，高德軍3，鄧 勇1

（1.信息工程大學測繪學院，河南鄭州 450052；2.72946部隊，山東淄博 255020；3.61365部隊，天津 300140）

對65 m射電望遠鏡的背架安裝做了嘗試，取得較滿意的結果。針對天線背架尺寸大、質量重、焊接變形大、幾何精度要求高等特性，采用全站儀工業測量系統實現背架的快速、無接觸、高精度定位測量，點位測量精度優于1 mm；采用獨特的施工工藝和焊接技術，最大限度控制焊接變形，最終點位偏差優于1.5 cm。提出基于設計坐標系建立安裝測量控制網，指導背架拼裝；引入經緯儀交匯測量系統測定全站儀加常數。實際結果表明，該技術觀測方案先進，數據處理思路正確，施工工藝合理，是大型天線背架安裝的一種精密、可靠、有效的方法。

65 m射電望遠鏡；天線背架；工裝；全站儀；坐標轉換；焊接變形

射電望遠鏡的反射面口徑和表面精度直接影響射電望遠鏡的性能，為了探測更多、更弱的天體，得到天體射電輻射可能帶來的關于天體更精細的結構、頻譜、時變等信息，人們對射電望遠鏡的發展有更高的要求，主要表現為：口徑越來越大，結構越來越復雜，表面精度要求越來越高［1］。

在建的65 m射電望遠鏡是我國目前口徑最大、波段最全的一臺全方位可動的高性能射電望遠鏡，其口徑為65 m，主面設計精度優于0.6 mm，它可以精確跟蹤高軌地球衛星、探月衛星和深空探測器，共有8個接收波段，包括了目前航天工程上常用的下行信號的波段（S，X，Ka），建成后將在我國的航天工程特別是探月工程和深空探測中發揮重要作用，并在天體測量學、天體物理學以及行星無線電科學等多個領域的研究工作中擔任重要的角色。

結合65 m射電望遠鏡工程實際，研究了天線建設過程中的背架安裝技術，包括測量技術、施工工藝、焊接變形控制等。

1 65 m天線背架概況

65 m射電望遠鏡主要由方位機構、俯仰機構、主反射體組成。主反射體由背架、促動器、面板組成，其中背架屬于大型鋼結構，由主骨架、環向桿及斜拉桿等組成，形狀近似為拋物面，口徑為65 m，高約19 m。如圖1所示，背架分為三環，I環由48根等分梁組成，其中24根主輻射梁和中心筒直接連接，另24根內插在主輻射梁中（不直接和中心筒連接）；II、III環都由96根等分梁組成。

圖1 天線背架全局和剖面示意圖

背架的精密安裝是天線主反射體制造的關鍵，一是為促動器和面板的安裝打下良好的基礎；二是保證天線主反射體結構的剛度和強度。但由于背架尺寸大、質量重、焊接變形大、幾何精度要求高等特性，如何實現天線背架的精密安裝成為非常棘手的問題。

2 精密安裝技術

經多方論證，決定采用全站儀工業測量系統進行背架安裝測量［2］，制定特殊的安裝工藝流程和焊接方案，最大限度控制焊接變形。以下著重介紹測量方案、安裝工藝流程和焊接方案等內容。

2.1 測量方案

如圖2所示，一直徑65 m的圓形區域為背架水平拼裝場地，在直徑25 m圓范圍內預埋有16個基礎墩，其表面有精確定位的法蘭盤，用于和天線俯仰機構對接。中間4個墩子上放置高5.7 m、半徑3.8 m的圓形中心筒體，作為天線背架的安裝基準，外側12個基礎墩為主梁支撐墩。

2.1.1 安裝測量控制網

傳統的測量方法是在天線背架周圍布設一定數量的強制對中測量墩構成安裝測量控制網［3］；本文提出以天線主反射體設計坐標系為參考基準，將主反射體設計坐標系以點位坐標形式保存，通過點位的公共點轉換恢復設計坐標系，即建立了安裝測量控制網。

如圖3所示，中心筒體的上端面有一圓形法蘭盤（安裝時其水平度優于±1 mm），其上有48個孔點（加工保證48個點在同一圓上，檢測圓度為σrms＝1.000 8 mm），天線主反射體設計坐標系的原點位于法蘭盤的圓心，X軸指向1號梁方向，Z軸鉛垂向上，構成右手直角坐標系。

控制網建立過程：①在圓形法蘭盤近視中心位置的測量工裝上架設高精度全站TDA5005，配合自制工裝和STM CCR－1.5in角耦棱鏡測得48個孔點在儀器坐標系下的三維坐標；②將48個點投影到上法蘭表面所在的水平面內，通過圓擬合和繞Z軸旋轉得到天線主反射體設計坐標系，即得48個點在設計坐標系下的三維坐標；③每次安裝測量前，測量部分均勻分布的孔點（如選擇圖3中8個紅色孔點），用公共點轉換法恢復設計坐標系，在設計坐標系下指導背架安裝。

圖2 背架水平拼裝場地

圖3 主反射體設計坐標系示意圖

2.1.2 加常數測定

全站儀要實現高精度測量，必須扣除測距加、乘常數的影響。加常數誤差是由儀器的測距部光學零點和儀器對點器不一致造成的，其現象是對所有測量值都加入了一個固定偏差，它由儀器常數誤差和棱鏡常數誤差構成；乘常數誤差是由儀器的時間基準偏差造成的，其現象是給觀測值加入了一個與距離成比例的偏差［4－5］。全站儀乘常數對幾十米范圍內的測距影響不顯著，這里僅考慮加常數。

結合現場條件，采用經緯儀交匯測量系統測定全站儀加乘常數，該系統在幾米至十幾米范圍內的典型精度為0.02～0.10 mm，能夠滿足測定常數的精度要求。具體做法：如圖4所示，用一臺TDA5005全站儀和一臺T3000經緯儀組成交匯測量系統，設定TDA5005全站儀為1號測站（即全站儀儀器中心為交匯系統原點），置合作目標（STM CCR－1.5in角耦棱鏡或Lecia反射片）于最佳交匯位置A點，交匯測得A點坐標，計算得該點到系統原點的距離Di（重復測量m 次）；同時設定TDA5005儀器的常數改正為零，直接測得至A點距離為dj（重復測量n次），得加常數C。值得注意的是對于反射片交匯測量的點是反射片表面，而測距測的是到反射片底部距離，兩者相差一反射片厚度，用游標卡尺精確測得反射片厚度為0.40 mm。

圖4 交匯測量系統原理

2.1.3 背架安裝測量

天線背架的安裝測量步驟如下：

1）在中心筒體的測量工裝上架設全站儀，檢定儀器的（l，t，i，c，a）補償參數，聯接自主研發的MetroIn工業測量系統；

2）均勻測量8～10個中心筒體上法蘭孔點，利用公共點轉換法恢復設計坐標系；

3）按設計角度，旋轉出每根單梁坐標系，如5號梁坐標系是將設計坐標系繞Z軸旋轉60°；

4）測定梁上的定位點，在單梁坐標系下比較其與參考坐標的差值，指導調整；

5）在焊接過程中，定期對輻射梁進行監測。

2.2 安裝工藝

根據某50 m天線安裝經驗，背架采用整裝整焊方案導致焊接變形、結構應力較大。對65 m天線，創造性采用分環分組、預留應力縫的安裝方案，同時采用高空無支托安裝技術，取得了滿意的結果。

2.2.1 分環分片及預留應力縫技術

天線背架分3環安裝，安裝次序為Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ。每環內分組安裝，組與組之間預留一道應力縫，待組梁焊接穩定后再安裝應力縫間的梁，其目的是減弱梁的內應力對結構強度的影響。如內環分6組安裝，每組由4根主梁和3根48等分梁組成，6條應力縫間為6根48等分梁。

2.2.2 高空無支托安裝技術

天線背架總高度約35 m，梁的安裝采用吊車吊裝，如果沒有穩定的支撐平臺很難實現梁的精確定位，本文采用高空無支托安裝技術，施工原理是：根據天線結構特點，采用特殊工裝配合梁的吊裝；同時通過結構內外環連接法蘭，利用結構自身剛度形成支托，實現梁的高空精確定位［6］。

1）I環無支托安裝技術。內環的24根主梁下方有基礎墩支撐，24根48分梁采用如圖5所示的工裝進行吊裝，省去了搭建復雜的支撐平臺，實現了梁的高空無支托安裝。

圖5 I環無支托吊裝示意圖

2）II、III環無支托安裝技術。II、III環的安裝采用高空塊體擴大單元無支托組裝技術，即II環梁通過法蘭盤和I環梁對接，III環梁也是通過法蘭盤和II環梁對接，這樣通過不斷擴大穩定結構單元，最后形成天線背架整體結構。

采用高空無支托安裝技術，充分利用了結構本身優勢，減少了施工投入，加快了施工進度，提高了作業效率。

2.3 焊接技術

焊接變形的控制是天線背架安裝的一個難題，一直以來沒有規范的焊接方案可供參考。天線背架結構節點連接形式在不斷新穎多樣化，焊接質量要求高；現場風力大、空氣濕度大的環境使得焊縫成型質量、焊縫保養等控制難度增大。本文采用點焊固定、分層逐步焊接、即時探傷檢測及涂層保護等技術措施，有效控制了焊接變形和焊縫保養。具體措施包括：

1）現場焊接模擬試驗。通過一組梁的模擬試驗，找出施工中的不穩定因素和可行的防治方法，從技術上作好分析，最終確定了最佳的焊接工藝參數。

2）點焊固定和分層焊接。對于單根梁的吊裝采取點焊的方式初固定，一方面方便發生大的變形后的修正，另一方面減少變形；組梁的焊接，針對節點分布特點，通過從內向外，先焊縮量較大節點、后焊縮量較小節點，反復逐步焊接方案，有效地分解了拘束力，從根本上減少變形和撕裂源。

3）實時監控焊接變形。焊接的同時，通過測量儀器實時監控焊接變形量，發現較大變形，采取一定補救措施。

4）即時探傷檢測及涂層保護。各組片梁焊接結束后，經過3～5 d的變形收縮后，進行測量檢查和探傷檢測，符合要求后，將焊縫節點處用油漆涂抹保護。

3 數據處理與分析

3.1 設計坐標系的恢復

采用公共點轉換法恢復設計坐標系［7］，均方根值為0.55 mm，控制網精度達亞毫米級，結果見表1。

表1 設計坐標系恢復結果mm

3.2 加常數的測定

根據2.1.2的方法，測量次數為20次，得TDA5005全站儀加常數測定結果見表2。

表2 TDA5005全站儀C值測定結果 mm

3.3 背架安裝結果

背架單根梁的安裝是在其自身單梁坐標系下進行，即將設計坐標系繞z軸旋轉一定角度，得到單根梁坐標系，然后在其單根梁坐標系下指導梁的安裝調整。以I環3號梁為例，梁的制造誤差，焊接前、后誤差見表3。

圖6為I環3號梁6個定位點的偏差示意圖。結合表3和圖6的數據，可以得出以下結論：①梁的制造誤差較小，遠小于安裝誤差，但也存在個別粗差點；②梁的徑向（x軸）和豎向（z軸）的誤差具有一定的規律性，焊接后整個梁的外端向下收縮，反映在數據上是梁的徑向變長，豎向變低；③切向（y軸）的變形沒有明顯的規律性，主要因為切向受左右環桿和斜拉桿影響。

表3 背架單根梁安裝結果mm

圖6 單根梁點位偏差結果

4 結 論

本文結合工作實際，實現了對65 m射電望遠鏡的背架精密安裝，得出以下結論：

1）基于設計坐標系建立安裝測量控制網，精度達到亞毫米級，完全滿足安裝精度要求，該方案可應用于類似大型設備的安裝；

2）引入經緯儀交匯測量系統檢定儀器加常數是可行的；

3）科學合理的安裝工藝和焊接方案有效地控制了焊接變形，為促動器和面板的安裝打下了良好的基礎；

4）該工作的順利完成，為解決類似問題提供經驗，為將來更大口徑天線建設做好了技術儲備。

［1］程景全.天文望遠鏡原理和設計［M］.北京 ：中國科學技術出版社，2003.

［2］李廣云.工業測量系統進展［M］.北京：解放軍出版社，2000.

［3］李宗春，李廣云，湯廷松，等.某大型鋼結構的精密幾何檢測［J］.鋼結構，2003，18（3）：9－12.

［4］李宗春，李廣云，范生宏，等.全站儀近距離測距精度檢驗方法的探討［J］.測繪信息與工程，2002，27（4）：37－39.

［5］于成浩，柯明，趙振堂.精密工程測量中全站儀測距加常數的兩種測定方法［J］.測繪通報，2007（2）：55－57.

［6］鮑廣鑒，李國榮，王宏，等.現代大跨度空間鋼結構施工技術［J］.鋼結構，2005，20（1）：43－48.

［7］Li Zong chun，Li Guan yun，Jin Chao.On the Data Processing Methods of Surface Antennas Inspection.WWW.dl1.org／Figtre.2002.

Precision setting of a large radio telescope back structure

LI Gan1，2，LI Zong－chun1，GAO De－jun3，Deng Yong1
（1.Institute of Surveying and Mapping，Information Engineering University，Zhengzhou 450052，China；2.72946 Troops，Zibo 255020，China；3.Troops 61365，Tianjin 300140，China）

An experiment on precision setting measurement of theφ65 meter radio telescope back structure is conducted and the result is satisfactory.Aiming at the large size，weight，welding deformation and high geometric precision of back structure，using the total station industrial measurement system，the measurement is rapid，non－contact and high precision，and the point deviation reached 1.0 mm.Using unique construction technology and welding technology to control the welding deformation，the final point deviation is better than 1.5 cm.Control network is established based on design coordinate system to guide back structure installation；the total station instrument additive constant are determined by the TIMS（Theodolite Industrial Measuring System）.It is a useful and effective method to detect large antenna back structures due to the actual results.

φ65 meter radio telescope；back structure；tooling；total stations；coordinate transformation；weldingdeformation

TN820

A

1006－7949（2012）04－0065－05

2011－11－17

李 干（1985－），男，碩士研究生.

[責任編輯:劉文霞］