大型高精度天線座軌道的安裝方法研究*

姚克榮，許洪韜

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

引 言

隨著現代武器的發(fā)展，出于深空探測的需要，地面相控陣雷達向著超大、超重方向發(fā)展，原先的整體轉臺式天線座越來越無法滿足要求，因而轉向大型輪軌式天線座[1-2]。輪軌式天線座的關鍵在于軌道及滾輪結構精度。本文研究的天線座軌道為某高精度輪軌式雷達的基礎承重件，支撐著上百噸的天線座及天線(可實現方位和俯仰2個維度上的轉動)。

天線座軌道的水平度對雷達的方位軸精度及運轉平穩(wěn)性有著重大的影響，也會對雷達的指向精度產生影響[3]，因此其水平度的精度要求非常高。天線座軌道相對于方位轉動中心的位置度(主要包括半徑及圓度)也十分重要。半徑超差影響分段軌道拼縫間隙，進而影響后續(xù)軌道的焊接質量。由于雷達架設順序是由下向上，軌道安裝為第一步，因此半徑超差大會導致軌道與滾輪接觸面積減小，從而影響雷達產品的安全性。圓度超差則影響滾輪處于軌道徑向位置的均勻性，導致軌道面兩側臺階受力不均，一側臺階區(qū)域產生應力集中。因此，天線座軌道安裝的關鍵在于保證軌道的位置度和水平度。

1 軌道的結構特征及技術難點分析

該天線座軌道的特點為大型、高精度。大型體現在軌道為環(huán)形，直徑約17 m；高精度體現在軌道由10段分段軌道拼裝而成，同時軌道面要求360°周向水平高差小于0.4 mm，徑向水平高差小于0.05 mm，軌道圓心與中心座圓心的同心度為1 mm。整周軌道示意圖如圖1所示。

圖1 整周軌道示意圖

軌道通過地腳螺栓與地基固定，如圖2所示。軌道上下兩端有雙螺母，可通過調整軌道下部螺母實現軌道高度的位置變化，從而將整周軌道調平。

圖2 軌道與地基連接示意圖

軌道安裝的技術難點在于如何保證軌道的位置度和水平度。軌道是通過地腳螺栓與地基固定的，軌道位置度受地腳螺栓位置約束，若地腳螺栓位置超差，則軌道位置度超差，所以實現地腳螺栓位置的精確預埋是關鍵點之一。地腳螺栓位置應保證相對中心座圓心的半徑、圓度及螺桿的垂直度。螺桿垂直度超差將導致軌道無法順利落位，同時還會減小軌道在水平方向的調整量。保證軌道水平度的難點在于軌道直徑大、分段多及精度要求高，同時軌道加工精度、自然時效變形及軌道調整順序對軌道水平度都會產生影響。

2 安裝工藝流程

因軌道自然時效變形，有時需通過螺母擠壓產生大的壓應力使軌道發(fā)生彈性變形才能達到高精度的水平度要求。若先將軌道水平度調整到位，再調整軌道半徑等其他參數，則需松開上部緊固螺母以移動軌道。原先調好的軌道水平度已失效，需重新調整，故水平度的調整應為工藝流程最后的調整環(huán)節(jié)。同時，應采取合理、高精度的測量方法以有效指導軌道位置度和水平度的調整工作，以減少不必要的工作量。軌道安裝工藝流程如圖3所示。

圖3 軌道安裝工藝流程圖

3 軌道的安裝與檢測

3.1 軌道位置度的調整與檢測

3.1.1 精確預埋地腳螺栓

單段軌道內外側共有15對直徑為42 mm的安裝孔，地腳螺栓規(guī)格為M36，如果地腳螺栓距離中心座圓心的半徑偏差大于3 mm，則軌道半徑及圓度無法滿足要求。同時，單段軌道長達5 m之多，且軌道為環(huán)形，使得徑向及周向調整困難。因此，地腳螺栓的預埋位置必須精確，否則軌道的位置度難以保證。

為實現地腳螺栓位置的精確預埋，本文通過設計軌道模板將其與地腳螺栓組合成一體進行安裝，如圖4所示。軌道安裝模板共有10段，與分段軌道形狀一致。單段軌道模板分2層，中間裝有套筒支撐。模板安裝孔直徑為37 mm，而地腳螺栓規(guī)格為M36，地腳螺栓在模板中的位置度為Φ0.5mm，限位精度較高。2層模板高度為240 mm，且安裝時模板上下端用螺母緊固，這樣即可保證地腳螺栓螺桿相對模板的垂直度。

圖4 軌道安裝模板

軌道模板設有工藝基準孔，整周工藝基準孔形成的圓與整周安裝孔形成的圓同心，如圖5所示。檢測工藝基準孔至中心座圓心的距離，調整軌道模板使得工藝基準孔滿足位置要求，即可保證地腳螺栓的位置度。檢測工藝基準孔的高度，調整軌道模板高度直至整周軌道模板等高，即可保證地腳螺栓螺桿相對水平面的垂直度。

圖5 軌道模板工藝基準孔放大圖

因分段軌道焊接需保證各軌道間隙基本一致，所以預埋地腳螺栓時應保證相鄰模板間隙一致。為保證相鄰模板間隙一致，設計了過渡板，如圖6所示。

圖6 軌道模板過渡板

3.1.2 軌道位置度的精度實現

待地腳螺栓精確預埋及地基固化后，拆卸軌道模板，吊裝10根分段軌道，落位于地腳螺栓。軌道設有工藝基準孔，整周工藝基準孔形成的圓與軌道安裝孔同心，與圖5所示的結構類似。通過激光跟蹤儀檢測工藝基準孔至中心座圓心的距離，以指導軌道位置度的調整，使得軌道半徑及圓度滿足指標要求。

經過多次調整，最終由激光跟蹤儀檢測的軌道半徑及圓度均滿足指標要求。

3.2 軌道水平度的調整與檢測

軌道水平度調整最為關鍵，難度最大?？紤]到軌道水平度需多次反復調整與測量才能達到精度要求，為快速有效地進行調整且合理分配檢測儀器資源，軌道水平度調整分粗調和精調2個階段。2個階段的軌道調整方法一致，只是檢測方法不同。粗調階段采用合像水平儀和百分表檢測軌道水平度，精調階段采用激光跟蹤儀檢測軌道水平度。

3.2.1 粗調軌道水平度

粗調階段應首先調平第1根軌道，以之作為基準，然后依次周向調整其余9段軌道面。軌道調平方法如下：

1) 取軌道下部兩端及中間的螺母共3點用于支撐，其余螺母不用于支撐；

2)使用合像水平儀檢測軌道面的水平度，根據水平儀的指向，升降軌道底部3點支撐螺母的高度至軌道面水平度在2″內；

3)旋緊對應3點支撐上部的螺母，同時使用百分表監(jiān)控旋緊螺母附近的軌道面，旋緊螺母至百分表減少小于1格即停止；

4)升高軌道下部其余支撐螺母，同時使用百分表監(jiān)控旋緊螺母附近的軌道面，頂升螺母至百分表增加小于1格即停止；

5)緊固軌道上部其余螺母，同時使用百分表監(jiān)控旋緊螺母附近的軌道面，旋緊螺母至百分表減少小于1格即停止。

第1根軌道調平并緊固上下螺母后，將其作為基準軌道，然后依次周向調整其余9段軌道面。相鄰軌道面的等高調整非常關鍵，常用方法是使用合像水平儀橫跨相鄰兩軌道拼縫處檢測軌道面的高低差。但該方法只能判斷拼縫兩側軌道面的高低指向，無法量化高低差值，給調整工作帶來了一定的挑戰(zhàn)，需要不斷嘗試才能調整到位。

本文采用一種較為簡單且可量化差值的方法來檢測拼縫兩側軌道面的高低差：設計專用測量平板，將百分表吸在測量平板上，在已調平的軌道面上推動測量平板，依據百分表讀數檢測拼縫兩側軌道面的高低差，如圖7所示。與軌道面接觸的測量平板大面的平面度盡量小，考慮加工工藝性，避免在使用過程中不易區(qū)分兩面，本文的測量平板上下兩面平面度均小于0.01 mm。待拼縫處軌道面調平后，其余軌道調平方法與第1根軌道調平方法相同。

圖7 相鄰軌道面高低差測量圖

3.2.2 精調軌道水平度

(1)激光跟蹤儀測量原理

激光跟蹤儀具有測量范圍大、精度高、動態(tài)測量特性良好等優(yōu)點，已廣泛應用于大尺寸幾何量測量，在重大裝備精密測量、大型零部件安裝定位以及機器人校準方面具有顯著的優(yōu)勢[4-6]。激光跟蹤儀是基于角度傳感器和測長技術相結合的球坐標測量系統(tǒng)[7-8]，對空間目標點三維坐標的測量通過激光跟蹤儀坐標原點到目標點的水平角、垂直角和斜距來確定。

本文研究的軌道水平度的測量采用API型激光跟蹤儀及與之配合的PolyWorks工業(yè)測量軟件進行，激光跟蹤儀的測量坐標系如圖8所示。

圖8 激光跟蹤儀極坐標測量示意圖

激光跟蹤儀觀測目標點P的觀測值(水平角、垂直角、斜距)分別為α、β和S，則P點的三維坐標為：

(1)

(2)測量方案

10段軌道完成粗調平后，進入水平度精調階段，應用激光跟蹤儀檢測軌道的水平度以指導調整工作。檢測軌道水平度的方法是應用激光跟蹤儀配合靶球采集軌道面的多點三維坐標，在PolyWorks工業(yè)測量軟件上分別求解多點坐標至基準水平面的距離，距離的最大差值即為軌道面的水平度，測量示意圖如圖9所示。

圖9 水平度測量圖

檢測軌道水平度的難點在于如何建立基準水平面，因激光跟蹤儀需要依靠外界才能建立水平面。因此，檢測軌道面的水平度，應首先建立基準水平面。

建立基準水平面的常規(guī)方法如下：

為此，本文提出了一種新的建立基準水平面的方法。該方法不但簡單有效，且水平度精度更高，具體如下：

基準水平面建立之后，應用激光跟蹤儀采集軌道面的多點三維坐標，每間隔一組螺栓，分別采集軌道徑向內、外側數據，整周共采集150個數據。在軟件上求解上述150個點至基準水平面的距離，根據距離的大小，調整軌道對應點的高度，直至滿足水平度要求。

3.2.3 水平度測量結果

精調后的軌道水平度測量數據見表1。從表1中可看出，軌道水平度Δhmax=h46-h2=0.82-0.53=0.29 mm<0.4 mm，滿足設計指標要求。

表1軌道水平度測量數據表mm

測量點與基準水平面的距離測量點與基準水平面的距離10.55??20.531000.7330.571010.7140.541020.69??1030.73450.78??460.821480.59470.761490.57480.791500.56

4 結束語

本文通過軌道安裝模板實現地腳螺栓位置的精確預埋，保證了軌道位置度在可調范圍內。采用合像水平儀、百分表及激光跟蹤儀等組合形式檢測安裝過程中軌道的位置度和水平度，有效指導了軌道的調整與安裝，最終滿足了軌道的所有技術指標。文中提出了一種簡單有效、精度更高的建立基準水平面的方法：通過電子水準儀測量提供3個基準點，然后換用激光跟蹤儀測量這些基準點，從而建立高精度的水平面。本文可供其他類似大型軌道的安裝與檢測參考。

[1] 陳亞峰. 某輪軌天線座滾輪組的設計及測量[J]. 電子機械工程, 2017, 33(3): 12-15.

[2] 鄧勇, 李宗春, 李干, 等. 65 m 射電望遠鏡滾輪安裝調整測量[J]. 測繪通報, 2012(S): 109 -112.

[3] 姜正陽, 孔德慶, 張洪波, 等. 考慮軌道不平度的射電望遠鏡指向修正方法[J]. 天文研究與技術, 2015, 12(4): 417-423.

[4] 任永杰, 鄭繼貴, 楊學友, 等. 利用激光跟蹤儀對機器人進行標定的方法[J]. 機械工程學報, 2007, 43(9): 195-200.

[5] 鄧玉芬, 郭俊杰, 王金棟, 等. 激光跟蹤儀在重型車床幾何精度檢測中的應用[J]. 西安交通大學學報, 2013,47(1): 74-79.

[6] 姚連璧, 孫海麗, 王璇, 等. 基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性檢測系統(tǒng)[J]. 同濟大學學報(自然科學版), 2016, 44(8): 1260-1265.

[7] 林嘉睿, 邾繼貴, 張皓琳, 等. 激光跟蹤儀測角誤差的現場評價[J]. 儀器儀表學報, 2012, 33(2): 463-468.

[8] 余華昌, 包曉峰. 激光跟蹤儀在平面度測量上的準確性探討[J]. 計測技術, 2015, 35(S): 34-36.

姚克榮(1968-)，男，高級工程師，主要從事雷達精密機械工藝技術研究工作。

許洪韜(1989-)，男，碩士，助理工程師，主要從事雷達精密機械工藝技術研究工作。