吳翔 何鑫 寇鵬 任濤
(北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所,北京 100039)
緊縮場(chǎng)是以反射面原理構(gòu)成的、縮短了測(cè)試距離的天線測(cè)試場(chǎng),采用一個(gè)、兩個(gè)或更多的反射面將饋源輻射的球面波在較近距離上變換為平面波。掃描架是用于測(cè)量緊縮場(chǎng)微波或毫米波平面度的專用設(shè)備。而緊縮場(chǎng)面臨的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題是其性能的檢測(cè),這就需要高精度的掃描架,而在具有大尺寸靜區(qū)的大型緊縮場(chǎng)測(cè)量中,這一問題更為突出[1]。
北京航空航天大學(xué)樊銳等研制過直徑4500mm、中心高7100mm的掃描架[2],調(diào)整后平面度可達(dá)0.08mm,直線度0.05mm,該掃描架只能在靜區(qū)中心高度約7m,靜區(qū)截面約5m的緊縮場(chǎng)檢測(cè)使用,適應(yīng)性較差。北京林業(yè)大學(xué)張厚江和北京航空航天大學(xué)樊銳等人在2005年研制了一種高精度直角坐標(biāo)掃描架[3],行程為2000mm×2000mm,來波方向平面度在補(bǔ)償后達(dá)到0.04mm。中航工業(yè)北京長城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所曹鐵澤等人在2015年研制了一種基于圓柱筒支撐的緊縮場(chǎng)極坐標(biāo)測(cè)試掃描系統(tǒng)[4],掃描直徑達(dá)到3500mm,最大中心高可達(dá)8m,帶有來波方向的激光平面補(bǔ)償裝置,補(bǔ)償后平面度達(dá)到0.04mm,該掃描架為提高剛性采用了主極化軸不完全旋轉(zhuǎn)的方式。
以上掃描架平面度補(bǔ)償均采用半實(shí)時(shí)的方式,北京航空航天大學(xué)樊銳等先將各測(cè)試點(diǎn)補(bǔ)償值預(yù)存于系統(tǒng)中[3],測(cè)試中在天線到達(dá)測(cè)試點(diǎn)時(shí)利用微調(diào)機(jī)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償,缺點(diǎn)是預(yù)存的數(shù)據(jù)在設(shè)備反復(fù)拆裝后不能一直保證準(zhǔn)確性;北京長城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所曹鐵澤等通過分別測(cè)試掃描架各測(cè)試點(diǎn)的位置偏差和微波信號(hào)數(shù)據(jù)得到補(bǔ)償量[4],待測(cè)試完成后通過軟件方法進(jìn)行補(bǔ)償,缺點(diǎn)在于補(bǔ)償結(jié)果為二次處理,現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)效率較低、便利性較差,且因?qū)⒓す獍l(fā)射器安裝于設(shè)備本體上,不能保證激光掃描平面與緊縮場(chǎng)靜區(qū)的相對(duì)位置保持不變。
此外,還有一個(gè)普遍的需求是在緊縮場(chǎng)測(cè)試中需要測(cè)量多個(gè)截面,意味著掃描架需要具有前后位置平移的功能。綜上,在緊縮場(chǎng)測(cè)試的領(lǐng)域內(nèi)暫時(shí)還沒有能夠?qū)崿F(xiàn)大承載能力、大范圍、高精度、可移動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)掃描架測(cè)試系統(tǒng)。
為實(shí)現(xiàn)對(duì)國內(nèi)現(xiàn)有多數(shù)緊縮場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量校準(zhǔn),結(jié)合上述現(xiàn)有研究存在的問題,需要設(shè)計(jì)一種具有大掃描范圍、高精度(實(shí)現(xiàn)可達(dá)0.05mm的平面度掃描)、多種安裝方式、具有平面度補(bǔ)償,同時(shí)便于儲(chǔ)運(yùn)和安裝的掃描架系統(tǒng)。為此,本文設(shè)計(jì)了一種大尺寸的模塊化掃描架系統(tǒng),具備直線掃描機(jī)構(gòu)、主極化掃描機(jī)構(gòu)(直線掃描機(jī)構(gòu)整體旋轉(zhuǎn))、天線極化掃描機(jī)構(gòu)、天線進(jìn)給補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、方位調(diào)整機(jī)構(gòu)、俯仰調(diào)整機(jī)構(gòu)、組合式安裝支撐系統(tǒng)、液壓調(diào)平裝置、整體平移機(jī)構(gòu)、激光平面補(bǔ)償裝置,掃描架系統(tǒng)整體效果如圖1所示。
為實(shí)現(xiàn)0.05mm的平面度掃描需求,僅靠結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高剛性和機(jī)械加工裝調(diào)提高精度是不足以完全保證的,尤其是極坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)這樣的變載荷工況下運(yùn)行的掃描架,因此在天線安裝法蘭面上固定激光平面儀靶標(biāo)組件,將其作為位置反饋是保證平面度的一種有效方法。在該掃描架中靶標(biāo)組件上呈90°安裝兩個(gè)激光靶標(biāo),使得主極化旋轉(zhuǎn)過程中至少一個(gè)靶標(biāo)的激光感應(yīng)面處于激光發(fā)生器的有效感應(yīng)范圍內(nèi)。平面度測(cè)量設(shè)備的工作原理如下:固定于專用高精度支架的激光發(fā)生器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)激光平面,位于掃描架上的靶標(biāo)接收到激光后通過光學(xué)成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)其偏移量,并將偏移量反饋至控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)根據(jù)反饋值控制進(jìn)給補(bǔ)償模塊運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)平面度實(shí)時(shí)補(bǔ)償,如圖2所示。
由于掃描架采用半徑式極坐標(biāo)掃描形式,其直線掃描機(jī)構(gòu)位于旋轉(zhuǎn)軸心的一側(cè),并且由于大尺寸和高精度造成重量較大,會(huì)對(duì)支柱產(chǎn)生較大的傾覆力矩,同時(shí)傾覆力矩會(huì)隨其旋轉(zhuǎn)而變化,引起支柱的變形而增大測(cè)量誤差,因此在直線掃描機(jī)構(gòu)對(duì)稱位置布置一個(gè)配重調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行配重以消除傾覆力矩,同時(shí)可提高安全性。
掃描架支撐結(jié)構(gòu)主要由主支撐標(biāo)準(zhǔn)節(jié)及輔助支撐節(jié)組成,用于對(duì)上述所有設(shè)備提供穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)支撐,以使其完成所需的運(yùn)動(dòng),對(duì)掃描架系統(tǒng)的安裝和使用便利性起決定性作用。掃描架系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的典型安裝模式如圖3所示。
天線部件在結(jié)構(gòu)上采用一體化設(shè)計(jì),主要完成直線運(yùn)動(dòng)、天線極化旋轉(zhuǎn)以及天線(含靶標(biāo))的進(jìn)給補(bǔ)償運(yùn)動(dòng),是掃描架系統(tǒng)的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)組件,如圖4所示。天線極化模塊作為天線的承載結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)單元位于該組件的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)末端,通過天線極化轉(zhuǎn)臺(tái)的殼體安裝在天線極化模塊法蘭上。
天線極化模塊由轉(zhuǎn)臺(tái)殼體、蝸輪蝸桿副、旋轉(zhuǎn)軸系、圓光柵、蝸桿軸系、同步帶組件、行星減速機(jī)和交流伺服電機(jī)組成,如圖5所示。主軸采用法蘭型精密交叉滾子軸承作為支撐,以最大限度減少軸向尺寸同時(shí)不降低軸向及徑向剛度,驅(qū)動(dòng)副采用變導(dǎo)程消隙蝸輪蝸桿傳動(dòng)降低反向間隙,解決末端傳動(dòng)間隙給整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)精度帶來的影響。為降低該模塊在來波方向的投影面積,充分利用蝸桿鏡像位置的空間,采用同步帶傳動(dòng)作為換向機(jī)構(gòu),使電機(jī)及行星減速機(jī)可安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)殼體投影面內(nèi)。
天線(含靶標(biāo))進(jìn)給補(bǔ)償模塊主要由滾珠絲杠副、導(dǎo)軌滑塊組件、進(jìn)給作用桶、安裝固定桶、同步帶組件、驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)組件以及附件等組成。在功能上主要是與平面度測(cè)量設(shè)備及控制設(shè)備一同完成天線平面的平面度補(bǔ)償動(dòng)作,結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。
直線運(yùn)動(dòng)模塊由運(yùn)動(dòng)滑塊組件及支撐框架等組成,其中支撐框架為運(yùn)動(dòng)部件提供結(jié)構(gòu)支撐、運(yùn)動(dòng)副所需的直線導(dǎo)軌安裝平面以及主旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所需安裝法蘭,其加工和裝配精度和剛性決定了直線運(yùn)動(dòng)中的直線度指標(biāo)。由于安裝空間的限制,選用消隙圓柱滾子齒圈齒條作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),該驅(qū)動(dòng)副橫截面縱向尺寸小,安裝較為靈活,工作時(shí)由具有自鎖功能的蝸輪蝸桿減速機(jī)將電機(jī)動(dòng)力輸出傳遞至消隙齒圈,驅(qū)動(dòng)其在齒條上帶動(dòng)天線部件進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)模塊如圖7所示。
支撐框架總長為3600mm,直線導(dǎo)軌采用兩根1800mm的超高精度滾珠直線導(dǎo)軌拼接而成。因系統(tǒng)具有半徑式掃描和直徑式掃描兩種形式,在直線掃描機(jī)構(gòu)框架上設(shè)計(jì)雙法蘭,如圖8所示,以適應(yīng)不同使用方式。
考慮到天線部件的軸向尺寸和整體重量,按傳統(tǒng)將其布置在支撐框架前端面(來波方向)需要將天線部件架空以避讓吸波材料,這樣會(huì)對(duì)框架產(chǎn)生較大偏載力矩從而加大扭轉(zhuǎn)變形。經(jīng)權(quán)衡,采用偏置式布局,將天線部件安裝在支撐框架的上方,同時(shí)主旋轉(zhuǎn)安裝法蘭也偏置安裝,兩個(gè)軸心偏置距離一致,以保證在主旋轉(zhuǎn)過程中直線運(yùn)動(dòng)始終沿極徑運(yùn)動(dòng)。
直線運(yùn)動(dòng)采用HIWIN超高精密級(jí)直線導(dǎo)軌作為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),安裝精度要求為0.015mm,在3500mm有效行程上滑塊端面相對(duì)于導(dǎo)軌安裝基準(zhǔn)面的平行度為0.012mm。
直線掃描機(jī)構(gòu)基座采用多種截面規(guī)格的矩形鋼管及鋼板焊接成形,經(jīng)校正及人工時(shí)效后整體銑削導(dǎo)軌安裝面。銑削加工精度等級(jí)可達(dá)6級(jí),對(duì)應(yīng)3600mm導(dǎo)軌長度的直線度(來波方向平面度)為0.06mm[5],尚未達(dá)到要求,因此加工完成后需要在裝調(diào)中對(duì)直線度進(jìn)行校正。在實(shí)際裝調(diào)中采用激光平面儀輔助,通過裝調(diào)技術(shù)將導(dǎo)軌在來波方向的平面度調(diào)整至全行程0.02mm。因裝調(diào)中直線支撐框架靜置在大理石平臺(tái)上無受載變形,實(shí)際分析時(shí)需將力學(xué)仿真中的變形量疊加至該精度指標(biāo)。通過計(jì)算,在直徑安裝方式下可以滿足0.05mm的要求,而半徑式安裝超出0.05mm的要求,因此進(jìn)行平面度補(bǔ)償是正確的選擇。該支撐結(jié)構(gòu)的剛性對(duì)精度貢獻(xiàn)極大,因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要,在確定了最大尺寸包絡(luò)和結(jié)構(gòu)布局等約束條件下,在詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了多輪仿真如圖9所示,限于篇幅將對(duì)該結(jié)構(gòu)的仿真優(yōu)化單獨(dú)進(jìn)行討論。
主極化模塊主要由基座殼體、旋轉(zhuǎn)法蘭、驅(qū)動(dòng)齒輪副、圓光柵組件、軸承、蝸輪蝸桿減速機(jī)、電機(jī)以及同步帶換向組件等組成。旋轉(zhuǎn)法蘭共有2件,通過轉(zhuǎn)臺(tái)軸承固定在旋轉(zhuǎn)基座殼體上,直線掃描機(jī)構(gòu)及配重掃描機(jī)構(gòu)分別固定在前旋轉(zhuǎn)法蘭和后旋轉(zhuǎn)法蘭端面。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由具有自鎖功能的蝸輪蝸桿副傳動(dòng),電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng),蝸桿驅(qū)動(dòng)蝸輪進(jìn)而帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。對(duì)扭轉(zhuǎn)剛性的高要求致使法蘭直徑較大,需要采用裝有鋼柵尺的一體式轉(zhuǎn)臺(tái)軸承,具備軸承承載與位置反饋功能,形成閉環(huán)控制,如圖10所示。
方位調(diào)整模塊安裝于主旋轉(zhuǎn)模塊下方,采用鑄造鋁合金殼體作為主承載部件,使用單盤大直徑交叉滾子軸承作為方位旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副。驅(qū)動(dòng)方式選用三級(jí)復(fù)合傳動(dòng)形式,初級(jí)為行星減速機(jī),二級(jí)為同步帶傳動(dòng),末級(jí)為具有自鎖功能的變導(dǎo)程消隙蝸輪蝸桿副。在方位旋轉(zhuǎn)主軸末端安裝圓光柵作為位置反饋,如圖11所示。
俯仰調(diào)整模塊安裝在立柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)下方,以避免俯仰調(diào)整過程中產(chǎn)生的直線掃描機(jī)構(gòu)與立柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)正面粘貼的吸波材料在旋轉(zhuǎn)中的干涉。俯仰調(diào)整機(jī)構(gòu)采用U型支撐結(jié)構(gòu),并對(duì)支撐框架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。因輸出扭矩極大(約20000Nm),因此采用4級(jí)復(fù)合傳動(dòng),初級(jí)行星減速機(jī),二級(jí)同步帶,三級(jí)為具有自鎖功能的蝸輪蝸桿減速機(jī),末級(jí)為非完整齒輪傳動(dòng),如圖12所示。為提高使用安全性,使用具有抱死功能的驅(qū)動(dòng)電機(jī),使動(dòng)力環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)安全性冗余設(shè)計(jì),在俯仰向調(diào)整至所需角度后可斷電鎖死該運(yùn)動(dòng)副。
掃描架支撐結(jié)構(gòu)主要由主支撐標(biāo)準(zhǔn)節(jié)及底支撐座(底支撐座1模塊及底支撐座2等)組成,用于所有運(yùn)動(dòng)部件的支撐和安裝。主支撐標(biāo)準(zhǔn)節(jié)外形尺寸800mm×800mm×1000mm,采用矩形管及鋼板焊接成形,焊后加工安裝對(duì)接法蘭,并在頂部設(shè)置可拆卸吊耳,上下法蘭所有機(jī)械接口保持一致,作為縱向安裝零部件的接口標(biāo)準(zhǔn),以利于設(shè)備分模塊安裝,如圖13所示。
底支撐座模塊位于掃描架最底部,因掃描架支撐結(jié)構(gòu)與暗室地面無固定,為提高穩(wěn)定性以及解決分部件安裝過程中所產(chǎn)生的傾覆力矩造成的影響,需要在主支撐周向安裝輔助支撐進(jìn)行加固。底支撐座模塊包括底支撐座1、底支撐座2、斜支撐、液壓缸及支撐腳輪等。底支撐座1和底支撐座2是主要承載部件,外形尺寸約為1850mm×1850mm×1950mm,采用鋼結(jié)構(gòu)焊接成型,主體材料為鋼質(zhì)型材(工字鋼、槽鋼、矩形管等)和鋼板;斜支撐用于平衡傾覆力矩,主要采用矩形鋼管焊接成型;液壓缸安裝在底支撐座四角,用于掃描架整體的支撐(采用中央控制器以保證同步工作);支撐腳輪共有8件,安裝在底支撐座1的底部,如圖14所示。
底直線移動(dòng)模塊安放在底支撐座模塊下部空檔內(nèi),用于支撐掃描架整體前后移動(dòng)。底直線移動(dòng)模塊頂部安裝滾珠直線導(dǎo)軌滑塊組作為運(yùn)動(dòng)部件,總高度略小于液壓缸舉升高度,兩端安裝可收放的腳輪,在液壓缸升起時(shí)(掃描架工作狀態(tài))由人工推送至底支撐座1底部空檔內(nèi),將滑塊固定在底支撐座的安裝孔位上,收起底直線移動(dòng)模塊兩端移動(dòng)腳輪,然后收起液壓缸,使得底直線移動(dòng)模塊底部著地,推動(dòng)掃描架在底直線移動(dòng)模塊上進(jìn)行移動(dòng)。由于尺寸及重量的限制,底直線移動(dòng)模塊長度約為3250mm,采用長度為3200mm的滾珠直線導(dǎo)軌,單次移動(dòng)距離約為1.3m。在需要較大距離移動(dòng)時(shí),重復(fù)上述過程即可,如圖15所示。
大型緊縮場(chǎng)測(cè)試掃描架屬于大型現(xiàn)場(chǎng)型設(shè)備,儲(chǔ)運(yùn)和現(xiàn)場(chǎng)安裝均是設(shè)計(jì)邊界條件,用于確定設(shè)備最大外形包絡(luò)、重心位置、搬運(yùn)點(diǎn)等,并以此進(jìn)行模塊分解,作為各模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)依據(jù)。根據(jù)調(diào)研,國內(nèi)大部分暗室配備有天車,最小起吊重量約為500kg,因此單個(gè)功能模塊以500kg為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。底支撐座模塊作為非吊裝部件可采用堆高車或叉車進(jìn)行安裝。位于2m以上高空位置的模塊安裝使用小型高空作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行,操作平臺(tái)高度8m,工作高度10m,考慮到該設(shè)備對(duì)掃描架總體安裝意義重大,因此在總體設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行可安裝性分析,如圖16和圖17所示。
該掃描架系統(tǒng)在儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸上面臨起重吊裝困難、運(yùn)輸轉(zhuǎn)移困難等大型設(shè)備特有的問題,需要在總體設(shè)計(jì)時(shí)以最大外形包絡(luò)進(jìn)行貯運(yùn)設(shè)計(jì),確保掃描架系統(tǒng)打包后可裝入兩個(gè)尺寸為20in×8in×9.5in(內(nèi)部尺寸5898mm×2350mm× 2695mm)的6m標(biāo)準(zhǔn)尺寸集裝箱中。集裝箱具備標(biāo)準(zhǔn)接口,可滿足車載運(yùn)輸、吊裝、海運(yùn)等需求,具有防水能力,是儲(chǔ)運(yùn)大型設(shè)備的理想選擇,同時(shí)定制前后雙門結(jié)構(gòu),便于裝卸??紤]到設(shè)備的精度極高,安裝法蘭多為外露型接口,運(yùn)動(dòng)模塊采用獨(dú)立包裝箱設(shè)計(jì),以保證安裝基準(zhǔn)面在運(yùn)輸過程中受到有效保護(hù)。立柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)以及輔助支撐節(jié)等非運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu),采用簡易包裝保護(hù)安裝法蘭的設(shè)計(jì)以降低成本,如圖18所示。
在掃描架設(shè)計(jì)加工完成后進(jìn)行總裝和功能調(diào)試,對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)采用徠卡AT902激光跟蹤儀進(jìn)行測(cè)試。其中,最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)為天線法蘭運(yùn)行平面度0.05mm。如圖19至21所示。
在測(cè)試中開啟激光平面發(fā)射器,形成基準(zhǔn)參考平面,補(bǔ)償系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取位置敏感探測(cè)器PSD感應(yīng)區(qū)零位與基準(zhǔn)參考平面的位置偏差,對(duì)掃描架平面度進(jìn)行補(bǔ)償。完成后測(cè)量關(guān)閉該補(bǔ)償系統(tǒng)下的平面度,以進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖22和圖23所示。
經(jīng)專業(yè)計(jì)量單位現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)后,掃描架沿來波方向掃描臂直線度分量峰峰值優(yōu)于0.058mm,掃描面在完整的360°極化平面上平面度RMS值0.048mm。檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。
表1 掃描架平面度指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果(部分)
本文介紹了一種大型緊縮場(chǎng)極坐標(biāo)測(cè)試掃描架的設(shè)計(jì),該掃描架具備大掃描行程、便于儲(chǔ)運(yùn)、可實(shí)現(xiàn)多種模式的安裝,具有適應(yīng)性強(qiáng)、高精度、大測(cè)量范圍等優(yōu)勢(shì)。測(cè)試結(jié)果表明關(guān)鍵的平面度技術(shù)指標(biāo)在總體及各功能模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)和精細(xì)裝配的基礎(chǔ)上,通過激光平面補(bǔ)償系統(tǒng)的實(shí)時(shí)補(bǔ)償,可將誤差控制在0.048mm以內(nèi),同時(shí)總裝調(diào)過程安全性高、便利程度好,可適用于國內(nèi)多數(shù)緊縮場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量校準(zhǔn)工作,具有巨大的應(yīng)用前景。
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