大型高精度天線座裝配工藝研究*

張德明

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

大型高精度天線座裝配工藝研究*

張德明

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

大型高精度天線座系統(tǒng)是大型X波段有源相控陣雷達的重要組成部分，具有體積大、重量重、精度高的特點，其裝配難度大。文中分析了大型高精度天線座系統(tǒng)的結構裝配特點，論述了它受力變形及其對裝配質(zhì)量的影響，提出了高精度變形測量的方法，并介紹了大型高精度天線座系統(tǒng)的裝配方法，解決了大型高精度天線座系統(tǒng)的制造難題。

高精度；大型天線座；裝配工藝

引 言

天線座系統(tǒng)是大型多功能地基相控陣雷達大型相控陣天線的支承和驅(qū)動裝置，是一個大型高精度二維轉臺，帶動相控陣天線進行雷達所需的方位和俯仰運動,以滿足天線工作所需的高精度位置定位需求。它的特點包括：

1)體積大，重量重，采用分塊拼裝結構，零件的重復定位精度要求高。

2)方位回轉支承軸承為交叉圓錐滾子軸承。滾道直徑大，可同時承受軸向力、徑向力和傾覆力矩，并通過負游隙來提高軸承的抗傾覆能力。

3)俯仰軸承采用了三列滾柱軸承和萬向圓柱滾柱軸承[1]，外形尺寸大。

4)精度要求高。由于俯仰軸支撐跨距大，軸端變形大，因此用常規(guī)的俯仰軸與方位軸不垂直度測量方法(如水平儀測量方法、水銀面五棱鏡測量方法等)不能滿足軸系精度的測量要求[2]。

5)高度方向采用了多層拼裝結構，各層零件安裝面間的加工平行度累計誤差和等高性都會影響天線座的軸系精度。

大型多功能地基相控陣雷達天線座為首次研制，裝配要求高，難度大，無成熟經(jīng)驗可循。為了攻克大型多功能地基相控陣雷達天線座的裝配難題，本文分析了大型高精度天線座受力變形及其對裝配質(zhì)量的影響，提出了高精度變形測量方法，并研究了大型高精度天線座系統(tǒng)的裝配方法，解決了大型高精度天線座系統(tǒng)的制造難題。

1 大型高精度天線座系統(tǒng)裝配特點

大型雷達天線座系統(tǒng)由天線骨架、支座和轉臺組成，如圖1所示。

圖1 天線座系統(tǒng)結構外形圖

大型雷達天線座系統(tǒng)的裝配特點如下：

1)分塊拼裝結構的拼裝精度和零件的重復定位裝配精度要求高，要保證拼裝面的接觸精度和拼裝件的重復定位精度。

2)層間拼裝結構的定位結構尺寸大,穩(wěn)定性和剛性要求高，裝配時制作定位結構需進行高空作業(yè)，操作難度大。

3)方位回轉支承軸承為負游隙交叉圓錐滾子軸承。為了使天線座在重載下可靠工作，要保證軸承支撐面的接觸精度。

4)俯仰軸承體積大，配合精度要求高，裝配力大。在軸向有密集螺釘緊固連接，裝配時，不但要保證軸承與天線骨架的軸向相對位置精度，還要克服徑向的大摩擦力。

5)俯仰支撐跨距大，剛性差，受力后變形大，影響俯仰齒輪副主動齒輪和從動齒輪軸線的平行度和嚙合精度。

6)如圖2所示，天線骨架的俯仰運動由俯仰驅(qū)動系統(tǒng)完成。俯仰軸系統(tǒng)體積大，其裝配過程為高空作業(yè)，操作困難。

圖2 俯仰驅(qū)動結構示意圖

天線骨架在不同方向的承載剛性不同，在滿載情況下，其俯仰軸在不同俯仰角度的變形也不同[3]。圖3是在滿載情況下，俯仰齒輪副主動齒輪和從動齒輪軸線的平行度和嚙合精度受變形影響的結構原理圖。

圖3 俯仰齒輪副軸線的平行度和嚙合精度受變形影響示意圖

從圖3可知，在載荷F作用下，俯仰軸發(fā)生轉角變形，支臂發(fā)生變形并使驅(qū)動軸發(fā)生轉角變形，主動齒輪和從動齒輪軸線的平行度和嚙合精度因而受到影響。而且隨著俯仰軸的轉動，俯仰軸轉角變形也不同，軸線的平行度和嚙合精度也不同，從而增加了裝配的難度。

2 裝配前的準備工作

2.1 在滿載情況下，俯仰軸線最大變形測量

由于俯仰軸在滿載情況下的變形會影響俯仰齒輪副的嚙合精度，因此在裝配前要測量滿載情況下俯仰軸線無約束條件下的最大變形，為俯仰齒輪副的準確裝配打下基礎，其測量原理如圖4所示。

圖4 測量原理圖

測量過程：1) 利用等高墊鐵把天線骨架按圖4所示支撐好，基礎要穩(wěn)固；2) 安裝模擬載荷；3) 利用水平儀、塞尺和等高平尺分別測量俯仰軸兩端的水平偏差角X1和X2。

軸線的轉角變形為X= (X1+X2) / 2。測量結果：X1=1.60′，X2=3.50′，X=2.55′。

2.2 天線座加載變形測量

天線座在加載情況下會發(fā)生轉角變形，進而影響到左右軸承座與左右支臂的連接和俯仰齒輪副的嚙合精度，因此在裝配前，要進行天線座在加載情況下左右支臂的變形測量，為裝配打下基礎。圖5為天線座加載變形測量原理圖。

圖5 天線座加載變形測量圖

測量過程：1) 將天線座緊固在基礎上并調(diào)水平，安裝兩支臂；2)將載荷(重30 t的機床基座)吊裝到兩支臂上，吊機松開不脫鉤保護；3)如圖5所示，用千分表測量左右支臂的變形值。測量結果：兩支臂一端向外展開0.35 mm，一端向外展開0.3 mm。從測量結果可知，天線座加載后的變形量在剛性設計模擬仿真變形范圍內(nèi)，滿足左右軸承座與左右支臂的連接裝配要求。

2.3 天線座多層拼裝結構等高性和拼裝面接觸精度保證

大型天線座系統(tǒng)由轉臺、左右支臂和左右俯仰軸承座層層拼裝而成，如圖6所示。左右對稱結構的等高性和層層拼裝面的接觸精度直接影響天線座的軸系精度和重復裝配的拼裝質(zhì)量穩(wěn)定性。為了保證多層拼裝結構的裝配質(zhì)量，在零件制作階段需進行以下工作：

1)在左右支臂和左右軸承座的精加工階段，利用組合加工的方法，保證左右支臂和左右軸承座的等高性；

2)采用刮研加工方法，保證多層拼裝結構拼裝面的接觸精度；

3)充分利用數(shù)控加工定位精度高的特點，在零件加工階段，選擇合理的拼裝基準，制作各層高精度裝配的定位結構，保證各層重復裝配的尺寸精度穩(wěn)定性。

圖6 天線座層層裝配結構圖

2.4 俯仰齒輪副主動齒輪和從動齒輪軸線的平行度測量方法和測量基準準備

從圖3可知，天線陣面在不同的俯仰位置時，俯仰齒輪副主動齒輪和從動齒輪軸線的平行度也不同。在裝配時，為了保證俯仰齒輪副的嚙合精度，要對俯仰齒輪副主動齒輪和從動齒輪軸線的平行度進行測量。左右軸承座裝配完成后，軸線測量為高空作業(yè)，無測量基準，測量可達性差。為了保證裝配時測量的精度和可達性，解決在滿載情況下俯仰軸的軸端變形和俯仰驅(qū)動電機軸的變形測量問題，在零件加工階段，確定了俯仰齒輪副主動齒輪和從動齒輪軸線的平行度測量方法，制作了用于裝配測量的輔助基準?？紤]到軸承裝配后無測量基準，在左右支座加工時，制作了與驅(qū)動齒輪軸線和安裝基準面平行的測量基準面，在天線骨架加工時，加工了與軸承安裝面同心的測量基準面，保證了高空測量的可達性和測量精度，如圖7所示。

圖7 輔助測量基準面確定

2.4.1 俯仰軸端變形測量

測量方法：如圖8所示，以水平面為基準平面，用千分表測量俯仰軸線與水平基準的偏差，確定俯仰軸線的變形。

圖8 俯仰軸線變形的測量方法

測量步驟：1) 搭好穩(wěn)固測量工裝；2) 用千斤頂和水平儀把平板調(diào)水平(在2″以內(nèi))；3) 用千分表測量俯仰軸端A、B兩點的數(shù)值，測出俯仰軸線的變形情況。

2.4.2 俯仰驅(qū)動電機軸線測量

測量方法：如圖9所示，以水平面為基準平面，用水平儀測量軸承座輔助測量基準與水平基準的偏差，確定俯仰驅(qū)動電機軸線的變形。

圖9 俯仰驅(qū)動電機軸線變形測量原理圖

3 關鍵裝配過程

3.1 方位驅(qū)動系統(tǒng)裝配

方位驅(qū)動系統(tǒng)主要由轉臺、底座和方位驅(qū)動電機組成，如圖10所示。

圖10 方位驅(qū)動系統(tǒng)裝配圖

方位驅(qū)動系統(tǒng)裝配流程如下。

3.1.1 裝配前的檢查

裝配前應檢查底座和轉臺方位軸承安裝面的平面度和外徑配合尺寸、減速機定位孔和回轉中心的尺寸精度以及方位軸承齒輪的公法線長度，并檢測螺釘緊固前方位軸承的摩擦力矩T1。

3.1.2 底座調(diào)平，方位軸承和驅(qū)動電機預裝[4]

用水平儀將底座調(diào)水平，要有穩(wěn)固安裝基礎；對方位軸承與底座進行預裝配，檢查軸承與底座的尺寸配合情況；用螺釘把方位軸承緊固在底座上，并測量方位軸承的摩擦力矩T2，T2與T1基本一致；預裝方位驅(qū)動電機，通過調(diào)整偏心輪保證內(nèi)外齒輪的最小嚙合間隙為0.2 ～ 0.25 mm，齒輪的接觸斑點齒高方向不小于50%，齒寬方向不小于70%。

3.1.3 轉臺和方位軸承裝配

用三點螺釘緊固法逐次均勻擰緊軸承緊固螺釘，滿足擰緊力矩要求；檢測螺釘緊固后軸承的摩擦力矩T2，T2與T1基本一致。

3.1.4 轉臺與底座組合裝配

檢測螺釘緊固后軸承的摩擦力矩T3，T3與T1基本一致；復查內(nèi)外齒輪的最小嚙合間隙是否為0.2 ～ 0.25 mm，齒輪的接觸斑點齒高方向不小于50%，齒寬方向不小于70%。

3.1.5 跑合試驗

按跑合試驗要求進行空載跑合試驗和加載跑合試驗。

3.2 左右軸承座、左右支座與天線骨架的裝配

左右軸承座與軸承、左右支座與天線骨架的裝配如圖11所示。

圖11 左右支座與天線骨架裝配示意圖

3.2.1 裝配前的檢查

裝配前應檢查：1)軸承的精度，軸承內(nèi)外圓的徑跳和端跳不大于0.05 mm以及自由狀態(tài)下軸承的摩擦力矩T4；2)軸承內(nèi)外圓的尺寸精度；3)陣面骨架兩端軸承安裝位置的尺寸精度；4)左右軸承支座的中心高一致性不大于0.04 mm；5)左右軸承座軸承安裝孔的尺寸精度；6)預裝俯仰電機，調(diào)整偏心塊，保證俯仰齒輪副的中心距a滿足圖紙要求，考慮到俯仰軸滿載后會變形，中心距取正公差較為合理。

3.2.2 左右軸承座與俯仰軸承裝配

左右軸承座與俯仰軸承的裝配如圖12所示。俯仰軸承為平面軸承，軸向與軸承座用螺釘緊固連接。為了提高徑向承載能力和方便拆裝，徑向?qū)嵭懈呔冗^渡配合，配合間隙為-0.01～ +0.02 mm。用履帶加熱片對軸承座加熱，但軸承座熱容大，若加熱速度過快，就會發(fā)生局部過熱的現(xiàn)象，影響軸承座的加工精度。因此需用紅外測溫儀實時檢測軸承座軸承安裝面的溫度，用脈沖加熱的方法把軸承安裝面的溫度控制在110 ℃以下。采用裝配工裝控制俯仰軸承與軸承座相對位置的精度，保證吊裝平穩(wěn)，快速、準確地完成裝配。

圖12 左右軸承座與俯仰軸承的裝配

3.2.3 左右支座與天線骨架的裝配

左右軸承座和俯仰軸承組成左右支座，左右支座仍采用溫差法進行安裝[5]。一方面用履帶加熱片對軸承座進行加熱(方法同上)，另一方面用干冰對天線骨架軸承安裝處進行冷卻，用紅外測溫儀實時檢測天線骨架軸承安裝面的冷卻溫度(應為-25 ℃)，并利用裝配定位工裝控制俯仰軸承與天線骨架相對位置的精度，保證緊固螺釘位置正確，快速、準確地完成支座與天線骨架的連接裝配。

3.3 天線座與天線骨架的裝配

天線骨架與天線座的連接裝配過程如下：

1)進行裝配前檢查。如圖13所示，檢測天線座支臂與支座連接尺寸的準確性，對活動端支座進行調(diào)整固定，兩支座間距a等于兩支臂間距b。

圖13 天線座支臂與支座連接尺寸示意圖

2)用水平儀調(diào)整天線座動態(tài)水平，水平在5″內(nèi)。

3)把天線骨架吊裝到天線座上，進行預裝。檢查左右支座連接安裝孔的準確性,并連接好緊固螺釘；安裝好測量工裝；轉動天線座，用千分表測量天線骨架俯仰軸固定端和活動端軸系的高度差h，可以計算得到俯仰軸和方位軸的軸系精度X；利用如圖8所示的測量方法，對俯仰驅(qū)動系統(tǒng)和俯仰軸的裝配質(zhì)量進行測量，測出天線陣面在0°和90°時天線骨架俯仰軸固定端和活動端的變形A和B,獲得軸端轉角變形Ω，見表1。利用如圖9所示的測量方法，將水平儀放在左右支座的測量輔助基準面上，測出驅(qū)動電機軸線與水平的夾角，與Ω1、Ω2、Ω3和Ω4一起，可以得出天線骨架在不同姿態(tài)下俯仰齒輪副軸線的夾角β1、β2、β3和β4。

表1 天線骨架軸端變形測量數(shù)值表

4)修正調(diào)整塊。如果預裝得到的俯仰軸與方位軸的軸系精度X和俯仰驅(qū)動齒輪副嚙合精度不滿足圖紙裝配要求，可通過調(diào)整圖14所示的調(diào)整塊厚度H和平面角度β進行修正。

圖14 調(diào)整塊示意圖

5)進行天線座與天線骨架的裝配。把修正后的調(diào)整塊與左右支座緊固連接好，把天線骨架吊裝到左右支座上并連接好，用圖8和圖9所示的測量方法復測天線座方位軸與俯仰軸的軸系精度和俯仰齒輪副的嚙合精度(要滿足圖紙要求)，并進行天線座方位和俯仰運動試驗，完成天線座系統(tǒng)的裝配。

4 結束語

大型高精度天線座系統(tǒng)體積大，重量重，精度要求高，需進行高空作業(yè)，裝配難度大，其裝配是一個復雜的系統(tǒng)工程，與設計、工藝和裝配過程密切相關。做好前期的策劃工作，綜合考慮系統(tǒng)精度要求、設計基準、裝配基準和基準轉換等與裝配質(zhì)量有密切聯(lián)系的關鍵因素，保證高質(zhì)量裝配的可達性、可測性和裝配效率是非常重要的。

[1] 瞿亦峰. 相控陣精密測量雷達天線座俯仰支撐設計[J]. 電子機械工程, 2003, 19(5): 28-29.

[2] 吳鳳高. 天線座結構設計[M]. 西安: 西北電訊工程學院出版社, 1986.

[3] 袁海平. 某種特種體制雷達天線座驅(qū)動系統(tǒng)設計[J]. 電子機械工程, 2009, 25(1): 36-38, 52.

[4] 張臘梅. 某地面雷達天線座設計[J]. 電子機械工程, 2007, 23(5): 27-30.

[5] 倪劍勇. 滾動軸承的配合與裝拆工藝[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1993.

張德明(1956-)，男，研究員級高級工程師，主要從事雷達產(chǎn)品工藝總體設計和金屬材料的應用研究。

Research on Assembly and Process Technique of Large Antenna Pedestal with High Accuracy

ZHANG De-ming

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The large antenna pedestal with high accuracy is an important part of the large X-band phased array radar. It is characterized by large size, heavy weight and high accuracy. Besides, the assembly technique of the antenna pedestal is both important and difficult in overall assembly. In this paper, the assembly characteristic of the large antenna pedestal with high accuracy is analyzed. The postload deformation and its effect on assembly quality of the antenna pedestal are discussed. The measuring method of the postload deformation is put forward. And the assembly technique of the large antenna pedestal with high accuracy is introduced. Thus the difficult assembly problems of the large antenna pedestal with high accuracy are solved.

high accuracy; large antenna pedestal; assembly and process technique

2015-11-11

TN820.8+2

A

1008-5300(2016)02-0057-05