高精度結構電子零位記憶裝置設計

張樂 王瑩 王萍 毛南平

摘? 要：測角精度作為雷達天線等武器裝備的一項重要指標，發(fā)生故障是致命的，測角零值重新快速并精確標定顯得尤為重要。文章提出并設計一款高精度結構電子零位記憶裝置，通過高精度數(shù)控機床加工結構件，結合電子顯微鏡及測量軟件的高精度測量，實現(xiàn)測角零值標定。對比以往刻線式、接近開關式、光電式零位記憶裝置，其優(yōu)點為精度高、可靠性高，可直接通過人機交互界面完成測角零值標定。

關鍵詞：測角精度;零位記憶;健康管理;測量軟件應用

中圖分類號：TP319;TN956? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）05-0125-04

Design of Electronic Delta Neutral Recollection Installation with

High Precision Structure

ZHANG Le，WANG Ying，WANG Ping，MAO Nanping

（The 39th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Xian? 710065，China）

Abstract：As an important index of weapon equipments such as radar antenna，it is fatal that the angle accuracy fails. It is particularly important to re-calibrate zero value of angle measurement quickly and accurately. This paper proposes and designs a electronic delta neutral recollection installation with high precision structure，through the high-precision CNC machine tools machining structural parts，combined with the high-precision measurement of electron microscope and measurement software，the zero value calibration of angle measurement is realized. Compared with the previous delta neutral recollection installations，such as scribed line type，proximity switch type and photoelectric type，it has the advantages of high precision and high reliability，and can directly complete the zero value calibration of angle measurement through human-computer interaction interface.

Keywords：angle accuracy;delta neutral recollection;health management;measuring software application

0? 引? 言

未來戰(zhàn)場上或測控領域中，裝備維修保障工作十分重要，因此要求其具備保障空間范圍廣、保障任務重、保障時間短但時效性強等特點[1]。應對武器裝備出現(xiàn)突發(fā)故障，除了根據(jù)以往故障經(jīng)驗增設備品備件外，還需對測試測量等指標予以管理。

測角設備是當今武器裝備的核心部件，主要應用機械、光學、電磁分度技術，其中光學式包括光學分度頭測角、多面棱體測角、圓光柵測角、光電角編碼器測角、環(huán)形激光器測角、光波干涉測角;電磁測角技術包括電磁柵測角、感應同步器測角等。以上設備造價高、制造周期長，備品備件增設較為困難，因此一旦發(fā)生故障重新標定顯得十分重要。如測角精度作為雷達天線等武器裝備一項重要指標，在測角設備發(fā)生故障時需重新標定零值。

零值誤差是針對方位角誤差和俯仰角誤差而言的，方位角誤差是指方位編碼零值偏離大地北或天文北的角度值，它與編碼精度、結構累計誤差等有關，可通過正倒鏡拍攝大地北或天文北方位標來確定。俯仰角零位誤差是指設備高低編碼的零位偏離水平方向的角度值，零位誤差由編碼精度等誤差決定，也是通過正倒鏡拍攝水平方向目標測定[2]。

以往針對此故障，裝備保障管理長期主要采用動、靜刻度盤人眼檢測來實現(xiàn)零值標定，此標定方法誤差來源主要為人眼視角誤差、刻度盤刻線誤差，其中以人眼誤差較大導致零值精度較低。較早期還有一種機械式測角技術，該技術通過引入多齒分度盤差動技術，將兩個齒數(shù)相等、模數(shù)相同的齒盤嚙合，產(chǎn)生“平均效應”，使得分度準確度大大提高[3]，此種方法雖可通過精密加工保證齒輪精度，但依然引入傳動誤差，分度盤安裝在離被測回轉中心越遠處精度越高，但傳動件直徑也越大，進而累積誤差總體變大。

隨著雷達天線等武器裝備信息化、網(wǎng)絡化建設的不斷推進，引入光電技術通過OMRON E2E-X5ME2接近開關來實現(xiàn)零值標定[4]。此種標定消除了人眼視角帶來的誤差，可一旦接近開關移位或損壞需更換，零位記憶裝置則失效，失去武器裝備管理意義。

因此，還需提出一種既能消除人眼誤差，同時還需保障其可靠性的設計。

1? 設計思路及過程

結合以往設備設計經(jīng)驗，通過引入高精度結構件作為基座，實現(xiàn)機械位置定位及重復性使用;引入電子顯微鏡實現(xiàn)人眼視角誤差消除。

結構組成：高精度零位記憶裝置由結構件和數(shù)據(jù)采集處理兩部分組成。零位機構由8部分組成，其結構組成具體如圖1所示。

零位裝置結構精度分析：圖1中零位裝置軸線需安裝在離被測回轉體最遠端，提高零值復位精度，件2內(nèi)孔與件3采用基孔制配合，加工精度等級要求不小于IT5，件2與座架體練級固定好后需通過定位錐銷保證其重復精度。

電子顯微鏡采用電路板檢測所用數(shù)碼顯微鏡，其放大倍數(shù)約為50倍，此倍數(shù)對于測量機械刻線并計算零值誤差完全足夠。由電子顯微鏡通過數(shù)據(jù)采集處理[5]采集刻線圖像傳輸至電腦上，通過測量軟件像素距離換算得出動、靜兩刻度刻線相對位移量，并進行計算得出零位記憶裝置誤差值。

2? ?結構工作原理及設備自身精度計算

2.1? 方位零位裝置結構工作原理

方位零位裝置結構由電子顯微鏡支架、靜刻線、動刻線、電子顯微鏡等組成[6]，方位零位裝置安裝位置定在方位回轉軸承旁，即離方位軸最遠距離可提高其測量精度，電子顯微鏡支架和靜刻線與方位底座連接，動刻線與方位回轉軸承轉子連接，將電子顯微鏡放至支架孔內(nèi)，USB端連接電腦并打開測量軟件和電子顯微鏡電源，手動調(diào)整電子顯微鏡焦距至合適清晰位置后，轉動方位，通過電腦顯示控制方位角度，保證動刻線與靜刻線某一刻線對齊，用測量軟件量取已標記刻線距離，并通過像素（分辨率）轉換計算出動靜刻線實際真實距離，此距離作為方位角零值。

2.2? 俯仰零位裝置結構工作原理

俯仰零位裝置結構由電子顯微鏡安裝筒、精密導向套、固定座、動刻線、靜刻線等組成，俯仰零位裝置安裝位置定在俯仰齒弧處，即離俯仰軸相對較遠處可提高其測量精度，電子顯微鏡安裝筒用來放置電子顯微鏡，將安裝筒與精密導向套連接并用三向頂絲將其固定，起俯仰零位記憶作用，電子顯微鏡連接電腦并打開測量軟件，調(diào)整電子顯微鏡焦距至合適清晰位置后，轉動俯仰，通過電腦顯示控制俯仰角度，保證俯仰動刻線與靜刻線某一刻線對齊，用測量軟件量取已標記刻線距離，并通過像素（分辨率）轉換計算出動靜刻線實際真實距離，此距離作為俯仰角零值。

2.3? 實際操作過程

按圖1將各部件裝配。零位裝置工作時，擰下件1螺帽;件2基座加工有精密導向鍵槽，與配作法蘭座相連;件3徑向調(diào)節(jié)軸加工有精密導向鍵，放置于件2鍵槽內(nèi)可軸向移動;件5多向可調(diào)筒端面安裝有件8靜刻度盤，放置于件3內(nèi)可軸向移動、旋轉;件4頂絲定位件5用;件7動刻度盤安裝在被測體上，件7、件8最小刻度為0.5 mm。以上部件裝配完后，將件6電子顯微鏡放于件5內(nèi)調(diào)節(jié)其焦距采集刻度圖像，數(shù)據(jù)線端通過USB轉換插頭連人機交互界面，并安裝好測量軟件。

被測體零位誤差指物體在轉動至某個角度時實測角度與理論角度的差值。旋轉被測體（設旋轉半徑為R）至動、靜刻度盤均在電腦上安裝的測量軟件中顯示，采集該圖像并標定動、靜各一個刻線，應用測量軟件標定像素與位移關系量取兩刻線直線距離d0，并記錄被測體當前理論角度α（可用經(jīng)緯儀或跟蹤儀記錄），以該角度為零位;重復以上動作測得動、靜刻度距離d1，記錄對應被測體理論角度β。

由以上兩組測量數(shù)據(jù)可計算出被測體零位誤差值為（設負值表示增碼）：

（1）

式中，d1為動、靜刻度某個角度對應的距離;d0為動、靜刻度零位時對應的距離;R為被測體動刻度旋轉半徑;β為被測體轉動至某一角度;α為被測體零位時對應的角度。

列出設備在任意角度處通過零位記憶裝置實測值β計算公式：

（2）

dk為角度β對應的零位裝置動、靜刻線距離。

設備安裝初期，需采樣i組數(shù)據(jù)，通過測角設備、經(jīng)緯儀、角擺儀對零值角誤差進行比對校核：

（3）

式中，?為零位裝置系統(tǒng)精度，此值可根據(jù)武器裝備測角精度要求進行比對。

3? 零位裝置結構件加工精度保證

方位零位裝置設計精度主要以方位軸（虛軸）為基準對方位零位裝置安裝位置有同軸度為0.03 mm止口要求，安裝面平面度為0.005 mm，安裝面與方位回轉軸承安裝面平行度為0.025 mm[7]，通過止口保證方位零位裝置因外載荷移動后仍可通過止口定位記憶其安裝位置，保證零位裝置精度。

俯仰零位裝置設計精度通過在本文第2節(jié)中所提精密導向筒設計兩對稱度為0.015 mm的鍵連接來實現(xiàn)零值角度的記憶，兩鍵直線度為0.01 mm，兩鍵相對導向筒軸線位置度為0.02 mm，固定座上設計有相配的鍵槽，鍵槽對稱度為0.015 mm，兩鍵直線度為0.01 mm，兩鍵相對導向筒軸線位置度為0.02 mm，并在電子顯微鏡安裝筒與精密導向筒直接通過三向頂絲來固定靜刻度與鍵的絕對位置不變，從而保證俯仰在任何情況下均可實現(xiàn)零值復現(xiàn)。

4? 工程實例

現(xiàn)對某船載雷達進行方位、俯仰機械零位標定，并通過經(jīng)緯儀、角擺儀進行驗證。

4.1? 方位機械零位標定

按本文第2節(jié)工作原理將相關設備連上，轉動旋轉體，保證電腦中測量軟件顯示出動、靜某一標記刻線基本對齊（不對齊誤差<0.5 mm），在軟件中量取動、靜該標線距離d0，并記錄旋轉體角度α，以此角度為測角零值，如圖2、圖3所示。

由于方位轉動部分與靜止部分安裝空間有限，電子顯微鏡第一次標定好零值后，必須將其拿下收藏好，否則會將電子顯微鏡擠碎，待需要測角機械零值時，將其放在方位電子顯微鏡支架孔即可。

4.2? 俯仰機械零位標定

按第2節(jié)工作原理將相關設備連接上，結構件安裝按圖1組裝即可，現(xiàn)場安裝圖如圖4所示，通過雙鍵配合保證電子顯微鏡筒體支架滑動精度，此支架在設備工作過程中需滑出，第一次俯仰零位標定完畢后用三個沿圓周均布的頂絲定位，保證不引入筒體支架與圓筒配合間隙帶來的累計誤差。

考慮到旋轉體需定期進行標校，待標校時，轉動旋轉體來對齊動、靜標線，在軟件中量取該標線距離d1，然后根據(jù)式（1）、（2）計算得β，即為旋轉體新的測角零值。根據(jù)式（3）可計算出零位裝置測角精度。

圖5為某船載雷達方位角標定零值與實測值誤差曲線，圖6為該設備方位角實測值與經(jīng)緯儀角度誤差曲線，橫坐標為采樣次數(shù)，縱坐標為對應零值，單位為角秒。

從圖5中可看出，方位角實測值相對標定值誤差基本在10角秒以內(nèi)，圖6中方位角實測值相對經(jīng)緯儀角度值誤差相對較大，大約在13角秒以內(nèi)，誤差基本在指標范圍內(nèi)。

5? 結? 論

通過對電子顯微鏡安裝結構件進行高精度加工保證，使得顯微鏡無論安裝或更換與否，均不會影響零位裝置記憶初始零值。通過實際測量，該零位記憶裝置重復性精度在指標范圍內(nèi)。此裝置可作為武器裝備健康管理部分使用。本文可為有需要研究零值誤差測量的設計師提供依據(jù)，如采用數(shù)值分析方法引入回轉軸承跳動誤差、電子顯微鏡測量誤差等可進一步提高零值測量精度。

參考文獻：

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作者簡介：張樂（1987—），男，漢族，陜西西安人，工程師，碩士，研究方向：天線座結構設計工作。