大型射電望遠(yuǎn)鏡背架精密安裝技術(shù)

李 干，李宗春，高德軍，鄧 勇

（1.信息工程大學(xué)測繪學(xué)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(yuǎn)鏡背架精密安裝技術(shù)

李 干1，2，李宗春1，高德軍3，鄧 勇1

（1.信息工程大學(xué)測繪學(xué)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(yuǎn)鏡的背架安裝做了嘗試，取得較滿意的結(jié)果。針對天線背架尺寸大、質(zhì)量重、焊接變形大、幾何精度要求高等特性，采用全站儀工業(yè)測量系統(tǒng)實現(xiàn)背架的快速、無接觸、高精度定位測量，點(diǎn)位測量精度優(yōu)于1 mm；采用獨(dú)特的施工工藝和焊接技術(shù)，最大限度控制焊接變形，最終點(diǎn)位偏差優(yōu)于1.5 cm。提出基于設(shè)計坐標(biāo)系建立安裝測量控制網(wǎng)，指導(dǎo)背架拼裝；引入經(jīng)緯儀交匯測量系統(tǒng)測定全站儀加常數(shù)。實際結(jié)果表明，該技術(shù)觀測方案先進(jìn)，數(shù)據(jù)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(yuǎn)鏡；天線背架；工裝；全站儀；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；焊接變形

射電望遠(yuǎn)鏡的反射面口徑和表面精度直接影響射電望遠(yuǎn)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(guān)于天體更精細(xì)的結(jié)構(gòu)、頻譜、時變等信息，人們對射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展有更高的要求，主要表現(xiàn)為：口徑越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，表面精度要求越來越高［1］。

在建的65 m射電望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡，其口徑為65 m，主面設(shè)計精度優(yōu)于0.6 mm，它可以精確跟蹤高軌地球衛(wèi)星、探月衛(wèi)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(fā)揮重要作用，并在天體測量學(xué)、天體物理學(xué)以及行星無線電科學(xué)等多個領(lǐng)域的研究工作中擔(dān)任重要的角色。

結(jié)合65 m射電望遠(yuǎn)鏡工程實際，研究了天線建設(shè)過程中的背架安裝技術(shù)，包括測量技術(shù)、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(yuǎn)鏡主要由方位機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、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(jié)構(gòu)，由主骨架、環(huán)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(huán)，I環(huán)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(nèi)插在主輻射梁中（不直接和中心筒連接）；II、III環(huán)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(guān)鍵，一是為促動器和面板的安裝打下良好的基礎(chǔ)；二是保證天線主反射體結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。但由于背架尺寸大、質(zhì)量重、焊接變形大、幾何精度要求高等特性，如何實現(xiàn)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(shù)

經(jīng)多方論證，決定采用全站儀工業(yè)測量系統(tǒng)進(jìn)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(nèi)容。

2.1 測量方案

如圖2所示，一直徑65 m的圓形區(qū)域為背架水平拼裝場地，在直徑25 m圓范圍內(nèi)預(yù)埋有16個基礎(chǔ)墩，其表面有精確定位的法蘭盤，用于和天線俯仰機(jī)構(gòu)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(zhǔn)，外側(cè)12個基礎(chǔ)墩為主梁支撐墩。

2.1.1 安裝測量控制網(wǎng)

傳統(tǒng)的測量方法是在天線背架周圍布設(shè)一定數(shù)量的強(qiáng)制對中測量墩構(gòu)成安裝測量控制網(wǎng)［3］；本文提出以天線主反射體設(shè)計坐標(biāo)系為參考基準(zhǔn)，將主反射體設(shè)計坐標(biāo)系以點(diǎn)位坐標(biāo)形式保存，通過點(diǎn)位的公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換恢復(fù)設(shè)計坐標(biāo)系，即建立了安裝測量控制網(wǎng)。

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(yōu)于±1 mm），其上有48個孔點(diǎn)（加工保證48個點(diǎn)在同一圓上，檢測圓度為σrms＝1.000 8 mm），天線主反射體設(shè)計坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于法蘭盤的圓心，X軸指向1號梁方向，Z軸鉛垂向上，構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

控制網(wǎng)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(shè)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(diǎn)在儀器坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)；②將48個點(diǎn)投影到上法蘭表面所在的水平面內(nèi)，通過圓擬合和繞Z軸旋轉(zhuǎn)得到天線主反射體設(shè)計坐標(biāo)系，即得48個點(diǎn)在設(shè)計坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)；③每次安裝測量前，測量部分均勻分布的孔點(diǎn)（如選擇圖3中8個紅色孔點(diǎn)），用公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換法恢復(fù)設(shè)計坐標(biāo)系，在設(shè)計坐標(biāo)系下指導(dǎo)背架安裝。

圖2 背架水平拼裝場地

圖3 主反射體設(shè)計坐標(biāo)系示意圖

2.1.2 加常數(shù)測定

全站儀要實現(xiàn)高精度測量，必須扣除測距加、乘常數(shù)的影響。加常數(shù)誤差是由儀器的測距部光學(xué)零點(diǎn)和儀器對點(diǎn)器不一致造成的，其現(xiàn)象是對所有測量值都加入了一個固定偏差，它由儀器常數(shù)誤差和棱鏡常數(shù)誤差構(gòu)成；乘常數(shù)誤差是由儀器的時間基準(zhǔn)偏差造成的，其現(xiàn)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(shù)對幾十米范圍內(nèi)的測距影響不顯著，這里僅考慮加常數(shù)。

結(jié)合現(xiàn)場條件，采用經(jīng)緯儀交匯測量系統(tǒng)測定全站儀加乘常數(shù)，該系統(tǒng)在幾米至十幾米范圍內(nèi)的典型精度為0.02～0.10 mm，能夠滿足測定常數(shù)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(jīng)緯儀組成交匯測量系統(tǒng)，設(shè)定TDA5005全站儀為1號測站（即全站儀儀器中心為交匯系統(tǒng)原點(diǎn)），置合作目標(biāo)（STM CCR－1.5in角耦棱鏡或Lecia反射片）于最佳交匯位置A點(diǎn)，交匯測得A點(diǎn)坐標(biāo)，計算得該點(diǎn)到系統(tǒng)原點(diǎn)的距離Di（重復(fù)測量m 次）；同時設(shè)定TDA5005儀器的常數(shù)改正為零，直接測得至A點(diǎn)距離為dj（重復(fù)測量n次），得加常數(shù)C。值得注意的是對于反射片交匯測量的點(diǎn)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(biāo)卡尺精確測得反射片厚度為0.40 mm。

圖4 交匯測量系統(tǒng)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(shè)全站儀，檢定儀器的（l，t，i，c，a）補(bǔ)償參數(shù)，聯(lián)接自主研發(fā)的MetroIn工業(yè)測量系統(tǒng)；

2）均勻測量8～10個中心筒體上法蘭孔點(diǎn)，利用公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換法恢復(fù)設(shè)計坐標(biāo)系；

3）按設(shè)計角度，旋轉(zhuǎn)出每根單梁坐標(biāo)系，如5號梁坐標(biāo)系是將設(shè)計坐標(biāo)系繞Z軸旋轉(zhuǎn)60°；

4）測定梁上的定位點(diǎn)，在單梁坐標(biāo)系下比較其與參考坐標(biāo)的差值，指導(dǎo)調(diào)整；

5）在焊接過程中，定期對輻射梁進(jìn)行監(jiān)測。

2.2 安裝工藝

根據(jù)某50 m天線安裝經(jīng)驗，背架采用整裝整焊方案導(dǎo)致焊接變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大。對65 m天線，創(chuàng)造性采用分環(huán)分組、預(yù)留應(yīng)力縫的安裝方案，同時采用高空無支托安裝技術(shù)，取得了滿意的結(jié)果。

2.2.1 分環(huán)分片及預(yù)留應(yīng)力縫技術(shù)

天線背架分3環(huán)安裝，安裝次序為Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ。每環(huán)內(nèi)分組安裝，組與組之間預(yù)留一道應(yīng)力縫，待組梁焊接穩(wěn)定后再安裝應(yīng)力縫間的梁，其目的是減弱梁的內(nèi)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。如內(nèi)環(huán)分6組安裝，每組由4根主梁和3根48等分梁組成，6條應(yīng)力縫間為6根48等分梁。

2.2.2 高空無支托安裝技術(shù)

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(wěn)定的支撐平臺很難實現(xiàn)梁的精確定位，本文采用高空無支托安裝技術(shù)，施工原理是：根據(jù)天線結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用特殊工裝配合梁的吊裝；同時通過結(jié)構(gòu)內(nèi)外環(huán)連接法蘭，利用結(jié)構(gòu)自身剛度形成支托，實現(xiàn)梁的高空精確定位［6］。

1）I環(huán)無支托安裝技術(shù)。內(nèi)環(huán)的24根主梁下方有基礎(chǔ)墩支撐，24根48分梁采用如圖5所示的工裝進(jìn)行吊裝，省去了搭建復(fù)雜的支撐平臺，實現(xiàn)了梁的高空無支托安裝。

圖5 I環(huán)無支托吊裝示意圖

2）II、III環(huán)無支托安裝技術(shù)。II、III環(huán)的安裝采用高空塊體擴(kuò)大單元無支托組裝技術(shù)，即II環(huán)梁通過法蘭盤和I環(huán)梁對接，III環(huán)梁也是通過法蘭盤和II環(huán)梁對接，這樣通過不斷擴(kuò)大穩(wěn)定結(jié)構(gòu)單元，最后形成天線背架整體結(jié)構(gòu)。

采用高空無支托安裝技術(shù)，充分利用了結(jié)構(gòu)本身優(yōu)勢，減少了施工投入，加快了施工進(jìn)度，提高了作業(yè)效率。

2.3 焊接技術(shù)

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(guī)范的焊接方案可供參考。天線背架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接形式在不斷新穎多樣化，焊接質(zhì)量要求高；現(xiàn)場風(fēng)力大、空氣濕度大的環(huán)境使得焊縫成型質(zhì)量、焊縫保養(yǎng)等控制難度增大。本文采用點(diǎn)焊固定、分層逐步焊接、即時探傷檢測及涂層保護(hù)等技術(shù)措施，有效控制了焊接變形和焊縫保養(yǎng)。具體措施包括：

1）現(xiàn)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(wěn)定因素和可行的防治方法，從技術(shù)上作好分析，最終確定了最佳的焊接工藝參數(shù)。

2）點(diǎn)焊固定和分層焊接。對于單根梁的吊裝采取點(diǎn)焊的方式初固定，一方面方便發(fā)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(jié)點(diǎn)分布特點(diǎn)，通過從內(nèi)向外，先焊縮量較大節(jié)點(diǎn)、后焊縮量較小節(jié)點(diǎn)，反復(fù)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(jiān)控焊接變形。焊接的同時，通過測量儀器實時監(jiān)控焊接變形量，發(fā)現(xiàn)較大變形，采取一定補(bǔ)救措施。

4）即時探傷檢測及涂層保護(hù)。各組片梁焊接結(jié)束后，經(jīng)過3～5 d的變形收縮后，進(jìn)行測量檢查和探傷檢測，符合要求后，將焊縫節(jié)點(diǎn)處用油漆涂抹保護(hù)。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 設(shè)計坐標(biāo)系的恢復(fù)

采用公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換法恢復(fù)設(shè)計坐標(biāo)系［7］，均方根值為0.55 mm，控制網(wǎng)精度達(dá)亞毫米級，結(jié)果見表1。

表1 設(shè)計坐標(biāo)系恢復(fù)結(jié)果mm

3.2 加常數(shù)的測定

根據(jù)2.1.2的方法，測量次數(shù)為20次，得TDA5005全站儀加常數(shù)測定結(jié)果見表2。

表2 TDA5005全站儀C值測定結(jié)果 mm

3.3 背架安裝結(jié)果

背架單根梁的安裝是在其自身單梁坐標(biāo)系下進(jìn)行，即將設(shè)計坐標(biāo)系繞z軸旋轉(zhuǎn)一定角度，得到單根梁坐標(biāo)系，然后在其單根梁坐標(biāo)系下指導(dǎo)梁的安裝調(diào)整。以I環(huán)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(huán)3號梁6個定位點(diǎn)的偏差示意圖。結(jié)合表3和圖6的數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：①梁的制造誤差較小，遠(yuǎn)小于安裝誤差，但也存在個別粗差點(diǎn)；②梁的徑向（x軸）和豎向（z軸）的誤差具有一定的規(guī)律性，焊接后整個梁的外端向下收縮，反映在數(shù)據(jù)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(guī)律性，主要因為切向受左右環(huán)桿和斜拉桿影響。

表3 背架單根梁安裝結(jié)果mm

圖6 單根梁點(diǎn)位偏差結(jié)果

4 結(jié) 論

本文結(jié)合工作實際，實現(xiàn)了對65 m射電望遠(yuǎn)鏡的背架精密安裝，得出以下結(jié)論：

1）基于設(shè)計坐標(biāo)系建立安裝測量控制網(wǎng)，精度達(dá)到亞毫米級，完全滿足安裝精度要求，該方案可應(yīng)用于類似大型設(shè)備的安裝；

2）引入經(jīng)緯儀交匯測量系統(tǒng)檢定儀器加常數(shù)是可行的；

3）科學(xué)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(chǔ)；

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

［1］程景全.天文望遠(yuǎn)鏡原理和設(shè)計［M］.北京 ：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

［2］李廣云.工業(yè)測量系統(tǒng)進(jìn)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(jié)構(gòu)的精密幾何檢測［J］.鋼結(jié)構(gòu)，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(shù)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(xiàn)代大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)［J］.鋼結(jié)構(gòu)，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(zé)任編輯:劉文霞］