大型天線主反射面位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計

賈彥輝，李建軍

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

隨著現(xiàn)在電子技術(shù)、無線電通信、計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展。射電天文技術(shù)方法得到長足的進(jìn)步。作為射電天文主要探測工具的大型射電望遠(yuǎn)鏡，依靠大接收面積、高方向性的天線，了解有關(guān)天體的物理特性等。大型天線由于受重力變形及安裝誤差的影響，主反射面的位置和姿態(tài)安裝精度存在一定的誤差，從而影響了天線的接收性能。

傳統(tǒng)的天線主反射面位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)常用有手動調(diào)整機(jī)構(gòu)和電動調(diào)整機(jī)構(gòu)兩種，手動調(diào)整多為調(diào)整螺桿，電動調(diào)整機(jī)構(gòu)多為在調(diào)整螺桿的基礎(chǔ)上增加小型驅(qū)動電機(jī)實(shí)現(xiàn)。由于傳動天線的主反射面分塊數(shù)量有限，且變形較小，需要調(diào)整機(jī)構(gòu)的調(diào)整量也小，因此，傳動的調(diào)整機(jī)構(gòu)即可以滿足使用要求。

大型射電天線由于主反射面直徑大、自重大、調(diào)整量大、且需多數(shù)主反射面板可實(shí)現(xiàn)同時調(diào)整等要求，故大型射電天線的主反射面位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)需要具備高剛度、結(jié)構(gòu)緊湊、精度高、可實(shí)現(xiàn)同步調(diào)整、調(diào)整范圍相對較大等性能，此時傳統(tǒng)的主反射面位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)已不能滿足使用要求。

1 位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了克服主反射面不可動的大型天線的主反射面位姿調(diào)整和誤差補(bǔ)償方面的缺陷，提供一種在天線工作狀態(tài)時主反射面位姿的調(diào)整機(jī)構(gòu)，以補(bǔ)償因重力變形和安裝誤差等因素導(dǎo)致的天線性能的變化和指向偏差，使其具有高的指向精度、環(huán)境適應(yīng)性以及長期工作的可靠性，提高大型天線設(shè)備的信號接收性能。

該大型天線主反射面的位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)，主要包括吊環(huán)、箱體組合、滾珠絲杠、套筒組合和滑塊組合，如圖1所示。

圖1 位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成

其中吊環(huán)配裝在滾珠絲杠的一端，滾珠絲杠穿過箱體組合位于套筒組合內(nèi)的另一端端部配裝有滑塊組合；套筒組合的一端為固定端，套筒組合的另一端固裝在箱體組合上；在套筒組合的對稱兩面的中心處分別沿其長度方向加工有導(dǎo)向槽，滑塊組合與套筒組合中的導(dǎo)向槽共同實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向；箱體組合內(nèi)設(shè)置有滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)。

所述的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括蝸桿、渦輪、圓錐滾子軸承和平鍵；套裝在滾珠絲杠上的絲杠螺母兩端通過圓錐滾子軸承與箱體組合實(shí)現(xiàn)配裝和固定；渦輪套裝在絲杠螺母上，兩者的連接通過平鍵實(shí)現(xiàn)固定配合；蝸桿安裝在箱體組合內(nèi)部，兩端通過圓錐滾子軸承與箱體組合進(jìn)行配裝。

其中套筒組合兩端分別安裝有限位開關(guān)與滑塊組合共同作用實(shí)現(xiàn)位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)的調(diào)整行程控制；套筒組合的中間處安裝有零位開關(guān)，與滑塊組合共同作用實(shí)現(xiàn)單回程內(nèi)的誤差消除。

2 滾珠絲杠設(shè)計

滾珠絲杠作為該調(diào)整機(jī)構(gòu)的主要傳動部件，其設(shè)計步驟如下。

2.1 初算導(dǎo)程

滾珠絲杠的導(dǎo)程為：

式中，vmax為絲杠副最大移動速度（有效行程／調(diào)整時間），nmax為絲杠副最大相對轉(zhuǎn)速（電機(jī)轉(zhuǎn)速／減速比）。查產(chǎn)品樣本手冊，選取Ph＝10mm

2.2 初選滾珠絲杠底徑

根據(jù)設(shè)計輸入，滾珠絲杠承受的最大力值為Famax＝25000N，并考慮一定的安全系數(shù)，由相關(guān)產(chǎn)品樣本手冊，初選絲杠軸底徑為d1＝75mm。

2.3 絲杠軸最高轉(zhuǎn)速

2.4 螺母選擇

滾珠絲杠的螺母，根據(jù)鋼球的循環(huán)方式可分為：彎管式、循環(huán)器式、端蓋式。其中，彎管式最為典型，結(jié)構(gòu)簡單，承載能力大，不受導(dǎo)程的限制，故選擇彎管式循環(huán)方式，通過使用彎管讓鋼球進(jìn)行循環(huán)，鋼球從絲杠軸的溝槽中被掬取進(jìn)入彎管后，再回到溝槽中，作無限循環(huán)運(yùn)動。

滾珠絲杠副預(yù)緊方式有增大鋼球直徑、變位導(dǎo)程和調(diào)整墊片等，結(jié)合滾珠絲杠副不同預(yù)緊方式各自特點(diǎn)，擬采用雙螺母，在2個螺母中間插入調(diào)整墊片以施加預(yù)壓，此種方式絲杠副承載能力大、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，適合于調(diào)整機(jī)構(gòu)所用滾珠絲杠副負(fù)載大、定位精度要求高的情況。

2.5 初選型號

根據(jù)上述分析，并查閱相關(guān)廠家產(chǎn)品手冊，擬選THK精密滾珠絲杠，公稱型號為BNFN 8010－5，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 公稱型號基本參數(shù)

2.6 靜態(tài)安全系數(shù)的計算

根據(jù)使用條件，對于計算載荷有必要考慮其靜態(tài)安全系數(shù)。由基本額定靜負(fù)荷和軸向載

即說明對應(yīng)所選滾珠絲杠，其靜態(tài)安全系數(shù)為11.3，靜態(tài)軸向負(fù)荷沒有問題。

2.7 工作壽命的計算

根據(jù)基本額定動負(fù)荷及軸向負(fù)荷，計算滾珠絲杠的額定壽命（總轉(zhuǎn)數(shù)）如下：荷，計算滾珠絲杠靜態(tài)安全系數(shù)如下：

式中，fw為負(fù)荷系數(shù)，由vmax＝0.022≤0.25m／s，知工作情況屬于微小振動、沖擊，故fw＝1～1.2，取fw＝1.05；Fa為絲杠所承載軸向負(fù)荷，按正常工作時各分支所受最大力選取，即Fa＝fn＝15338N。

工作壽命時間為

式中，N為每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，n為每分鐘往返次數(shù)，ls為行程長度。

由上可知，所選BNFN 8010－5型絲杠能滿足壽命時間4000h要求。

3 結(jié)束語

該大型天線主反射面的位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)采用的的滾珠絲杠副傳動機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度大、承載能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、具有很高的傳動精度和可靠性，通過借助蝸輪蝸桿的自鎖特性來避免滾珠絲杠副的逆轉(zhuǎn)，用以保證主反射面調(diào)整工作的穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)天線主反射面的位姿調(diào)整和精度控制，補(bǔ)償因重力變形和安裝誤差等因素導(dǎo)致的天線性能和指向的變化，并能適應(yīng)多頻段饋源工作的要求，全天候保證天線工作于最佳狀態(tài)。

［1］ 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［2］ 吳鳳高.天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.

［3］ 王宇哲.大型射電望遠(yuǎn)鏡多饋源切換機(jī)構(gòu)的設(shè)計［J］.無線電工程，2010，40（5）：52－64.