70 m天線俯仰扇齒組合的加工與安裝*

李東偉，孫懿敏，賀新剛

（1. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所，陜西 西安 710065；2. 陜西省天線與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710065）

引 言

70 m天線是目前亞洲地區(qū)建成的最大單口徑全可動(dòng)天線，天線質(zhì)量為2 700 t，主反射面直徑為70 m，高約72 m，相當(dāng)于一座20多層大樓的高度，建成后為我國首次火星探測(cè)任務(wù)以及后續(xù)的深空探測(cè)任務(wù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1–2]。70 m天線是一臺(tái)大型輪軌式全方位可動(dòng)的超大口徑天線，可做方位和俯仰兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，方位工作角度為-1°～360°，俯仰工作角度為0°～90°，大范圍的工作角度確保了天線能接收更廣、更遠(yuǎn)的信號(hào)[3]。傳統(tǒng)大型轉(zhuǎn)臺(tái)式天線可以在工廠內(nèi)完成整個(gè)天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的預(yù)組裝及精度測(cè)調(diào)，外場(chǎng)安裝僅通過專用銷釘復(fù)位就可復(fù)現(xiàn)預(yù)組裝狀態(tài)，保證天線外場(chǎng)安裝精度，而70 m大型輪軌式天線外形尺寸大，重量重，焊接工作量大，運(yùn)輸受限，因此其安裝只能在外場(chǎng)進(jìn)行，無法在工廠內(nèi)完成整個(gè)天線結(jié)構(gòu)的預(yù)組裝。在工廠內(nèi)只進(jìn)行部件的生產(chǎn)及預(yù)安裝，到外場(chǎng)后在檢驗(yàn)人員配合下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝。因此如何高效完成輪軌式天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的外場(chǎng)安裝任務(wù)、避免返工及無法安裝的問題、提高外場(chǎng)安裝效率、規(guī)劃好外場(chǎng)安裝整體工藝路線及保證外場(chǎng)安裝精度成為輪軌式天線外場(chǎng)安裝必須要提前策劃的重要問題。其中俯仰扇齒組合是構(gòu)成70 m天線俯仰運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件，其加工精度和安裝精度直接決定天線俯仰的指向精度，因此需要從天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝總規(guī)劃需求出發(fā)，分離出俯仰扇齒組合的加工和安裝精度要求，從而全面做好俯仰扇齒組合的整體工藝路線策劃，確?，F(xiàn)場(chǎng)俯仰運(yùn)動(dòng)部分可靠、準(zhǔn)確的安裝[4]。

1 結(jié)構(gòu)簡介

俯仰扇齒組合是70 m天線座架的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由7段箱型環(huán)形梁和12根齒弧組成，左側(cè)4段箱型環(huán)形梁安裝有12根齒弧，齒弧和環(huán)形梁上共有560個(gè)向心連接孔，右側(cè)3個(gè)環(huán)形梁無齒弧，整個(gè)結(jié)構(gòu)為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。俯仰扇齒組合的尺寸約為40 m（長）×0.9 m（寬）×20 m（高），質(zhì)量約為95 t。

圖1 70 m天線座架及俯仰扇齒組合示意圖

俯仰扇齒組合的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定其安裝環(huán)節(jié)不可調(diào)，外場(chǎng)安裝的精度完全由每個(gè)部件的機(jī)加工精度保證。俯仰扇齒組合外形為40 m×20 m，這樣的大尺寸部件在外場(chǎng)組裝時(shí)，一旦加工累計(jì)誤差過大及未提前規(guī)劃設(shè)計(jì)好外場(chǎng)組裝工藝方案，就會(huì)出現(xiàn)俯仰扇齒組合外形尺寸誤差超出理論要求、齒弧及環(huán)形梁上成百個(gè)孔群錯(cuò)位及各段齒弧接縫齒形誤差超出理論要求等在外場(chǎng)無法解決的問題。這些問題將直接導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)無法正常安裝，只能將安裝零部件運(yùn)回工廠內(nèi)重新上機(jī)床加工修復(fù)后才能重新組裝，這樣將極大影響外場(chǎng)的安裝施工進(jìn)度，增加安裝成本。因此，70 m天線座架部分總體安裝工藝思路為除俯仰扇齒組合在廠內(nèi)預(yù)組裝外，其余部件均在施工現(xiàn)場(chǎng)在檢測(cè)儀器配合下安裝組焊[5]。俯仰扇齒組合在廠內(nèi)預(yù)組裝旨在解決如下關(guān)鍵問題：1）廠內(nèi)俯仰扇齒組合預(yù)組裝和現(xiàn)場(chǎng)其他部件安裝并行進(jìn)行，預(yù)組裝時(shí)做好現(xiàn)場(chǎng)復(fù)位工裝，現(xiàn)場(chǎng)通過復(fù)位工裝和復(fù)位銷釘復(fù)位，提高現(xiàn)場(chǎng)安裝效率。2）俯仰扇齒組合是組裝件，因此預(yù)組裝可以提前發(fā)現(xiàn)加工的累積誤差，避免現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)因接口不對(duì)而無法安裝的情況。3）避免現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)齒弧和各環(huán)形梁連接的560個(gè)孔群因累計(jì)誤差錯(cuò)位而無法安裝的情況。4）由于天線俯仰工作范圍為0°～90°，俯仰扇齒組合設(shè)計(jì)為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，左側(cè)安裝有12根齒弧，總質(zhì)量為36 t，右側(cè)無齒弧，因此吊裝時(shí)會(huì)出現(xiàn)重心不在整個(gè)結(jié)構(gòu)中心的偏心問題。另外，由于加上12根齒弧吊裝，總質(zhì)量超出了施工外場(chǎng)最大的2 000 t履帶吊的吊裝能力，因此為了保證吊裝安全及考慮吊車的吊裝能力，只能在將整個(gè)俯仰部分整體吊裝到天線座架上后，再在高空依次安裝單根齒弧?？傮w安裝工藝流程決定了齒弧必須先在地面和環(huán)形梁上完成預(yù)組裝，這樣才能保證在施工現(xiàn)場(chǎng)高空中準(zhǔn)確快速地將每個(gè)齒弧安裝到位。5）降低現(xiàn)場(chǎng)窩工的概率。

2 總體工藝規(guī)劃

從施工現(xiàn)場(chǎng)俯仰部分總工藝安裝規(guī)劃思路出發(fā)，工廠內(nèi)的關(guān)鍵控制點(diǎn)在于俯仰扇齒組合的廠內(nèi)加工及預(yù)組裝。為保證俯仰扇齒組合廠內(nèi)預(yù)組裝的順利進(jìn)行，在生產(chǎn)加工前，需提前規(guī)劃出加工、檢測(cè)、裝配的需求，從加工階段開始就將后期裝配需要的檢測(cè)基準(zhǔn)等提前規(guī)劃在加工環(huán)節(jié)，站在宏觀的角度總體把握整個(gè)俯仰扇齒組合的制造過程。

為了保證俯仰扇齒組合的現(xiàn)場(chǎng)安裝精度，廠內(nèi)預(yù)組裝需保證以下關(guān)鍵點(diǎn)：1）俯仰扇齒組合跨距的準(zhǔn)確性；2）各段環(huán)形梁上的孔和與之連接的12根分段齒弧上共560個(gè)孔位的準(zhǔn)確性；3）如何保證12根齒弧截?cái)嗝嫫唇訒r(shí)接縫縫隙的準(zhǔn)確性；4）如何在現(xiàn)場(chǎng)快速定位及復(fù)位俯仰扇齒組合，提高現(xiàn)場(chǎng)安裝效率；5）總裝時(shí)檢測(cè)基準(zhǔn)的規(guī)劃。

為了保證上述各關(guān)鍵指標(biāo)，在工藝規(guī)劃上從以下幾方面入手：1）為了保證俯仰扇齒組合的跨距，必須選擇能滿足加工精度的機(jī)床，在加工階段保證每段環(huán)形梁的夾角及尺寸精度；2）在加工階段必須嚴(yán)格保證每個(gè)孔位相對(duì)基準(zhǔn)面的位置精度；3）設(shè)計(jì)齒弧截?cái)嗝孢B接工藝工裝，確保齒弧截?cái)嗝孢B接的準(zhǔn)確性；4）設(shè)計(jì)俯仰扇齒組合定位及復(fù)位工裝，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速復(fù)位；5）在加工7段環(huán)形梁時(shí)，在齒弧連接面的外圓側(cè)面及箱體上端面做檢測(cè)基準(zhǔn)面及檢測(cè)基準(zhǔn)孔，這樣廠內(nèi)預(yù)組裝及現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)就有可靠的檢測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)。

3 加工與檢測(cè)基準(zhǔn)建立

俯仰扇齒組合總裝時(shí)的安裝精度與零部件的加工精度和加工中檢測(cè)基準(zhǔn)的設(shè)立密切相關(guān)。只有控制好加工階段的精度和檢測(cè)基準(zhǔn)，才能保證俯仰扇齒組合總裝時(shí)的精度[6]。

3.1 環(huán)形梁的加工要求及檢測(cè)基準(zhǔn)建立

環(huán)形梁的結(jié)構(gòu)如圖1所示。每段環(huán)形梁的結(jié)構(gòu)類似，加工方法相同，加工的關(guān)鍵點(diǎn)均為保證環(huán)形梁的兩個(gè)夾角尺寸和外側(cè)弧形面上成百個(gè)向心孔的位置精度，這兩個(gè)關(guān)鍵尺寸可通過高精度的數(shù)控鏜床加工來保證。如果只按照結(jié)構(gòu)圖紙加工，則只能符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)意圖，在部件加工完的檢測(cè)階段和總裝階段會(huì)出現(xiàn)一些不便及難測(cè)量的問題，這就要求在加工階段融入部件及安裝檢測(cè)基準(zhǔn)的加工。因此，環(huán)形梁的加工重點(diǎn)為從系統(tǒng)總裝角度考慮，在環(huán)形梁加工階段加入工藝安裝檢測(cè)基準(zhǔn)面及基準(zhǔn)孔。

環(huán)形梁工藝設(shè)計(jì)重點(diǎn)如下：

1）在環(huán)形梁的外圓一側(cè)設(shè)計(jì)深5 mm、寬7 mm、半徑為R1的工藝檢測(cè)基準(zhǔn)臺(tái)階，如圖2所示。此處臺(tái)階外圓為俯仰扇齒組合總裝時(shí)半徑檢測(cè)基準(zhǔn)外圓，能確保每個(gè)環(huán)形梁按理論位置安裝到位，并能通過此檢測(cè)基準(zhǔn)檢測(cè)調(diào)整，確保現(xiàn)場(chǎng)總裝時(shí)俯仰齒弧中心與整個(gè)天線的俯仰軸中心相交于一點(diǎn)。

圖2 環(huán)形梁檢測(cè)基準(zhǔn)示意圖

2）在環(huán)形梁兩側(cè)設(shè)計(jì)2組工藝檢測(cè)基準(zhǔn)孔，每組3個(gè)孔，共6個(gè)，為Φ10 mm、深15 mm的盲孔，如圖3所示。加工工藝檢測(cè)基準(zhǔn)孔時(shí)要嚴(yán)格控制孔中心的位置，一個(gè)定位尺寸為滿足基準(zhǔn)臺(tái)階面到孔中心的定位尺寸，另一個(gè)定位尺寸是滿足環(huán)形梁連接面到孔中心的定位尺寸。此檢測(cè)基準(zhǔn)孔一方面是為了環(huán)形梁加工完成后便于檢驗(yàn)人員通過測(cè)量各孔與其他孔的相對(duì)弦長檢測(cè)工件尺寸加工的準(zhǔn)確性；另一方面是用于俯仰扇齒組合總裝時(shí)檢測(cè)安裝位置的準(zhǔn)確性。

圖3 環(huán)形梁檢測(cè)基準(zhǔn)孔位置示意圖

3）在加工位于中心的環(huán)形梁4時(shí)，在其內(nèi)側(cè)配重連接平面刻畫左右對(duì)稱的中心線，此線作為裝配檢測(cè)的中心基準(zhǔn)線。

綜上所述，通過在環(huán)形梁上設(shè)計(jì)簡單的工藝檢測(cè)基準(zhǔn)面及基準(zhǔn)孔，解決了部件的檢測(cè)和整個(gè)俯仰齒弧安裝缺檢測(cè)基準(zhǔn)的難點(diǎn)問題。

3.2 齒弧的加工要求及安裝工藝基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

俯仰扇齒組合中有12根齒弧，每根齒弧的外形如圖4所示。齒弧的尺寸為2.85 m（長）×0.55 m（寬）×0.35 m（高），質(zhì)量為3 t。齒弧可以在數(shù)控鏜銑床上按傳統(tǒng)加工方法來加工，但加工后如何快速準(zhǔn)確地進(jìn)行檢測(cè)以及安裝時(shí)如何保證每兩根齒弧接縫縫隙的準(zhǔn)確性是齒弧加工及安裝的難點(diǎn)，在工藝設(shè)計(jì)上必須提前策劃，將系統(tǒng)問題轉(zhuǎn)化到零件加工階段[7–8]。

圖4 齒弧及齒弧檢測(cè)模板

齒弧工藝設(shè)計(jì)重點(diǎn)如下：

1）設(shè)計(jì)如圖4所示的齒弧齒形快速檢測(cè)工藝模板。與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比，該模板能更直觀地檢測(cè)齒弧外形的精度。齒弧齒形快速檢測(cè)工藝模板不應(yīng)該和齒弧加工采用同一設(shè)備和程序，以免因同一設(shè)備和程序自身的加工誤差而產(chǎn)生零件檢測(cè)誤差。本工程齒弧檢測(cè)工藝模板采用線切割方法加工，可保證模板的精度。同時(shí)在俯仰扇齒組合總裝時(shí)也可使用檢測(cè)模板檢測(cè)每兩個(gè)齒弧縫隙中齒形的準(zhǔn)確性。

2）在每根齒弧兩端設(shè)計(jì)如圖5所示的工藝臺(tái)階面定位缺口，臺(tái)階面上設(shè)計(jì)有連接孔和定位銷孔。加工銷孔時(shí)，±0.05 mm的位置精度是安裝的關(guān)鍵點(diǎn)，因此要進(jìn)行嚴(yán)格控制，使孔的位置精度和齒弧齒形采用同一個(gè)基準(zhǔn)加工，以確保最終的齒弧安裝精度。

圖5 齒弧工藝臺(tái)階面

3）設(shè)計(jì)齒弧連接工藝定位塊，定位塊的加工關(guān)鍵為外形尺寸及銷孔±0.05 mm的位置精度。定位塊的作用是使兩段相鄰齒弧能夠在保證理論縫隙的前提下快速安裝，保證接縫處齒弧的齒形。

4）12根齒弧通過工藝定位塊快速連接成一個(gè)整體，其裝配安裝示意圖如圖6所示。先通過銷孔定位再通過外形尺寸精度控制，確保齒弧安裝到位。

圖6 齒弧快速連接裝配示意圖

綜上所述，通過在齒弧上設(shè)計(jì)高精度工藝安裝臺(tái)階面及工藝連接定位塊，解決了齒弧簡便測(cè)量和整個(gè)齒弧快速準(zhǔn)確安裝的難點(diǎn)。

3.3 總裝復(fù)位工裝的設(shè)計(jì)

俯仰扇齒組合在廠內(nèi)完成預(yù)裝后，必須考慮現(xiàn)場(chǎng)的快速復(fù)位問題。工藝策劃中設(shè)計(jì)了俯仰扇齒組合復(fù)位工裝，其結(jié)構(gòu)及安裝位置如圖7所示。復(fù)位工裝由2個(gè)焊接件通過銷釘及螺栓螺接為一個(gè)整體。完成預(yù)裝后，在每個(gè)環(huán)形梁接縫3個(gè)面上焊接復(fù)位工裝，將復(fù)位工裝中的2個(gè)焊接件分別焊接在兩個(gè)相鄰的環(huán)形梁上。拆開俯仰扇齒組合時(shí)拆開每一對(duì)復(fù)位工裝，待現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)通過專用銷釘復(fù)位工裝，重現(xiàn)預(yù)裝狀態(tài)。總裝復(fù)位工裝的設(shè)計(jì)保證了70 m天線施工現(xiàn)場(chǎng)俯仰扇齒組合的安裝效率和裝配精度。

圖7 總裝復(fù)位工裝及安裝示意圖

4 裝配與檢測(cè)

俯仰扇齒組合裝配與檢測(cè)的詳細(xì)流程如下：

1）在場(chǎng)地設(shè)定俯仰扇齒組合裝配的圓心，并用卷尺粗定中心環(huán)形梁4的位置，使得環(huán)形梁4上內(nèi)側(cè)配重連接平面到圓心的距離為L，環(huán)形梁4的中心與俯仰扇齒組合裝配的圓心左右對(duì)稱，通過水準(zhǔn)儀將環(huán)形梁4基準(zhǔn)臺(tái)階面調(diào)至水平。

2）裝配圓心放置經(jīng)緯儀，轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)緯儀的方位角度，一直調(diào)整到經(jīng)緯儀方位鎖定后，俯仰方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)緯儀目鏡內(nèi)十字線與中心環(huán)形梁4配重連接面上的工藝中心十字刻線對(duì)齊，記錄此位置，它是整個(gè)總裝的中心基準(zhǔn)。

3）在經(jīng)緯儀配合下，將其余6個(gè)環(huán)形梁依次擺放到理論角度，并將直尺搭在兩個(gè)環(huán)形梁接縫處的基準(zhǔn)臺(tái)階外圓面上，粗調(diào)，保證所有工藝檢測(cè)基準(zhǔn)臺(tái)階面水平，粗調(diào)并用肉眼觀察，保證所有工藝檢測(cè)基準(zhǔn)臺(tái)階面在同一外圓上。

4）激光跟蹤儀配合精調(diào)，使基準(zhǔn)臺(tái)階外圓半徑誤差在±0.5 mm 內(nèi)，基準(zhǔn)臺(tái)階面的水平度誤差在±0.2 mm內(nèi)。

5）用激光跟蹤儀測(cè)量俯仰扇齒組合的跨距，跨距誤差控制在±2 mm內(nèi)?？缇酁榇舜窝b配的關(guān)鍵指標(biāo)，若出現(xiàn)超差，有問題的環(huán)形梁必須重新上機(jī)床修配。

6）用激光跟蹤儀檢測(cè)圖8所示的7根環(huán)形梁上端面（大端面）各Φ10 mm工藝基準(zhǔn)孔間的相對(duì)弦長尺寸（以W12，W13，W14，W15，W16，W17，N12，N13，N14，N15，N16，N17表示）并做好記錄，此數(shù)據(jù)為70 m天線施工現(xiàn)場(chǎng)安裝復(fù)位檢測(cè)的依據(jù)。

圖8 俯仰扇齒組合基準(zhǔn)檢測(cè)孔檢測(cè)示意圖

7）從環(huán)形梁1開始，依次將12根齒弧安裝到各環(huán)形梁上。每根齒弧與相鄰齒弧連接時(shí)，通過工藝臺(tái)階面及工藝定位塊的銷孔定位，用螺栓連接。相鄰齒弧連接完成后用工藝安裝齒弧檢測(cè)模板檢測(cè)接縫齒弧齒形的準(zhǔn)確性。12個(gè)齒弧連接完后，檢查環(huán)形梁上的所有連接孔，保證它們均能和齒弧上對(duì)應(yīng)的連接孔連接，不存在孔群錯(cuò)位現(xiàn)象，否則需要重新加工問題連接孔。

8）如圖7所示，2個(gè)復(fù)位工裝通過銷孔及螺孔連接好后，再分別配焊在相鄰的2個(gè)環(huán)形梁上，每個(gè)環(huán)形梁接縫處焊接3對(duì)復(fù)位工裝（共18對(duì)）。此安裝工序確保了大型結(jié)構(gòu)件俯仰扇齒組合在施工現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)確復(fù)位。

綜上所述，俯仰扇齒組合按照總體工藝規(guī)劃順利完成安裝，且各裝配指標(biāo)精度均達(dá)到預(yù)期要求。這充分說明前期將整個(gè)安裝過程所需的工藝基準(zhǔn)、檢測(cè)基準(zhǔn)、工藝安裝工裝提前規(guī)劃到前期零部件的加工和檢測(cè)階段起到了事半功倍的作用，提高了現(xiàn)場(chǎng)安裝效率并保證了安裝精度。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)70 m天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)俯仰扇齒組合的安裝需求，通過前期合理的工藝路線規(guī)劃、檢測(cè)基準(zhǔn)規(guī)劃、工藝工裝設(shè)計(jì)及檢測(cè)方案規(guī)劃，將現(xiàn)場(chǎng)安裝一個(gè)重達(dá)百噸的部件的關(guān)鍵控制點(diǎn)和極難控制的安裝難點(diǎn)分級(jí)劃分到俯仰扇齒組合零部件的加工、生產(chǎn)及預(yù)組裝中，最終解決了俯仰扇齒組合現(xiàn)場(chǎng)安裝及檢測(cè)的難點(diǎn)，避免了加工誤差對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度的影響，并且通過在70 m天線外場(chǎng)實(shí)際工程中成功的保精度安裝進(jìn)一步驗(yàn)證了此次俯仰扇齒組合工藝路線總規(guī)劃的準(zhǔn)確性，對(duì)以后更大口徑天線的安裝具有一定的借鑒意義。