某天線座正交裝配工藝與測(cè)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(duì)雷達(dá)的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量和調(diào)整，以及正交測(cè)量原理和方法等內(nèi)容，最終測(cè)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(cè)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?duì)于該高精密結(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(cè)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(cè)量方位軸承的端面跳動(dòng)為0.01mm，將測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)量過程

經(jīng)過測(cè)量U型座左右兩端高度差△H =0.02mm，兩端距離為L(zhǎng)=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(duì)方位和俯仰結(jié)構(gòu)部分裝配、測(cè)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(cè)量方法和測(cè)量結(jié)果

2.1　正交測(cè)量原理分析

對(duì)于方位-俯仰型天線座測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量俯仰軸的不傾斜角γ(0°)為：

圖4　正交測(cè)量角度的分析

(4)

將方位軸旋轉(zhuǎn)180°后，測(cè)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(cè)量方法

關(guān)于方位-俯仰型天線座正交測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)法。陳戈等人[5]提出了一種虛擬定位檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)方法可以看出，水平儀測(cè)量方法測(cè)量?jī)x器相比簡(jiǎn)單，而且人員操作容易，人為因素導(dǎo)致的測(cè)量誤差小，測(cè)量準(zhǔn)確度相對(duì)較高，因此，該天線座選用了水平儀測(cè)量方法，如圖5所示，具體測(cè)量方法如下：

圖5　天線座正交測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量結(jié)果及計(jì)算

根據(jù)以上水平儀測(cè)量方法調(diào)整完天線座水平度和測(cè)量基準(zhǔn)面后，在測(cè)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(cè)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(cè)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(yǔ)

通過該雷達(dá)天線座的裝配工藝過程可以看出，對(duì)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(cè)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(duì)不同結(jié)構(gòu)的天線座要設(shè)計(jì)合理測(cè)量方法和測(cè)量工裝，讓要正交測(cè)量方法建立在理論的基礎(chǔ)上，保證每一步測(cè)量都合理、可靠，有理論支撐。