某折疊天線反射體的裝配方法研究

閻宏濤,劉世偉,王博通,劉盈斌

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

0 引言

隨著車載天線的需求量逐步增加,其使用性能也越來越被重視。而天線反射體作為天線系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,展開與收藏性能是影響整個(gè)車載天線使用性能的主要因素。車載5.5m天線不同于其它可整體收藏天線,作為其中較大口徑的車載天線,考慮運(yùn)輸規(guī)范要求,必須進(jìn)行分塊展開與收藏[1]。如何保證天線反射體使用的精度及展開與收藏性能,是天線反射體安裝過程中重點(diǎn)要研究的問題。

該車載天線反射體型面面積大,背架結(jié)構(gòu)數(shù)量多,鉸鏈動作多,結(jié)構(gòu)安裝復(fù)雜[2]。從該天線的結(jié)構(gòu)形式看,天線背架是整個(gè)天線反射體組成的基礎(chǔ),其安裝后所能達(dá)到的精度直接影響到整個(gè)天線反射體的精度,鉸鏈動作的準(zhǔn)確性與可靠性直接決定了天線反射體能否正常工作。因此,背架及鉸鏈的安裝在整個(gè)反射體安裝過程中至關(guān)重要。

本文通過工藝研究以及現(xiàn)場安裝的實(shí)踐,探索該結(jié)構(gòu)類型天線反射體的安裝方法,保證了天線反射面的精度要求及展開與收藏性能,可供類似車載天線反射體的安裝借鑒。

1 天線反射體結(jié)構(gòu)

新型的車載天線反射體收藏與展開結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在不拆解零部件,最小限度地改變天線反射體狀態(tài),提高了天線的機(jī)動性能[3]。車載5.5m電動折疊天線反射體由中間塊、左右邊塊、上下邊塊、角邊塊、鉸鏈組合、副反射體等組成。天線反射體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線反射體結(jié)構(gòu)示意圖(收藏狀態(tài))

中間塊由中心體、中間背架及面板組成。中心體為鋼板焊接形成的框架結(jié)構(gòu),其作為天線反射體安裝基準(zhǔn),上端面具有加工內(nèi)、外止口的法蘭,下端面為連接座子基準(zhǔn)面,外形四周均為加工基準(zhǔn)面。其余反射體各邊塊部件均由背架及面板組成。中心體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 中心體結(jié)構(gòu)示意圖

天線反射體背架支撐固定天線反射面,同時(shí)與座架相連接。其是天線反射體結(jié)構(gòu)的主要承力部件[4],要求具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。天線反射體各背架是由片梁、橫向鋼管、斜拉鋼管、球節(jié)點(diǎn)等鋼件整體焊接組成的穩(wěn)定空間桁架體結(jié)構(gòu)。其中片梁42件,多種規(guī)格鋼管90件,球節(jié)點(diǎn)共計(jì)120個(gè)。

碳纖維面板在背架上形成完整天線反射體后,反射體需滿足鉸鏈的同軸度、展開前反射體型面精度、展開及收藏后反射體型面精度。具體安裝要求見表1所示。

表1 鉸鏈及天線反射體的安裝要求

本文針對該天線反射體的結(jié)構(gòu)形式和安裝要求,以天線反射體安裝工藝流程為研究重點(diǎn),開展了相關(guān)工藝研究。

2 安裝難點(diǎn)及工藝流程

2.1 安裝難點(diǎn)分析

通過對天線反射體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及安裝精度要求的分析,該天線反射體安裝的技術(shù)難點(diǎn)在于如何保證背架的位置度以及鉸鏈的同軸度和位置度。

反射體面板是通過背架與螺栓固定,背架的位置受面板位置約束,若背架的空間位置存在超差,則反射體面板精度會受較大影響,所以實(shí)現(xiàn)背架的精確位置是保證反射體型面精度的關(guān)鍵點(diǎn)之一。背架位置應(yīng)保證各球節(jié)點(diǎn)相對型面、調(diào)整螺栓節(jié)點(diǎn)板的位置,兩者位置超差將導(dǎo)致面板無法順利落位,減小調(diào)整螺栓在法向的調(diào)整量,同時(shí)還會影響鉸鏈安裝位置和型面精度。

由于面板的分塊數(shù)量較多,鉸鏈數(shù)量及相對應(yīng)動作增多。鉸鏈組合由上下邊塊鉸鏈、角邊塊鉸鏈組合構(gòu)成,共計(jì)12件。本天線反射體從朝天展開運(yùn)動至收藏狀態(tài)時(shí),充分利用反射體背面的空間,共進(jìn)行2次翻轉(zhuǎn),3次旋轉(zhuǎn)展開(單邊),各面板進(jìn)行5種角度變化,至此完成天線反射體收藏。

天線反射體的翻轉(zhuǎn)和折疊,主要是依靠多鉸鏈結(jié)構(gòu)共同運(yùn)動完成。而其運(yùn)動過程的準(zhǔn)確性是通過鉸鏈安裝的同軸度來保證,若鉸鏈的安裝位置出現(xiàn)偏差,則反射體翻轉(zhuǎn)和折疊會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象,進(jìn)而影響復(fù)位后的型面精度。故鉸鏈的安裝位置是保證反射體翻轉(zhuǎn)和折疊運(yùn)動的關(guān)鍵影響因素。

保證鉸鏈的同軸度的難點(diǎn)在于鉸鏈數(shù)量較多、鉸鏈安裝難度高和天線翻轉(zhuǎn)次數(shù)多。

2.2 工藝流程確定

根據(jù)本天線反射體的結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)動特點(diǎn)和安裝難點(diǎn)總結(jié),對天線反射體裝配流程進(jìn)行優(yōu)化,總流程按“背架裝配→鉸鏈裝配→面板裝配→精度檢測”進(jìn)行。

在整個(gè)天線反射體的安裝中,背架和鉸鏈的裝配調(diào)整至關(guān)重要。合理安排背架的安裝順序及方法,不但能縮短天線反射體的安裝時(shí)間,還能獲得較高的安裝精度,為后續(xù)鉸鏈及面板的安裝提供良好的安裝基礎(chǔ)。根據(jù)天線反射體背架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合實(shí)際安裝現(xiàn)狀,反射體背架按“中心體調(diào)平→樣板裝配→背架裝焊”流程進(jìn)行安裝。天線反射體工藝流程如圖3所示。

圖3 天線反射體裝配工藝流程圖

根據(jù)上文鉸鏈機(jī)構(gòu)安裝難點(diǎn),為保證鉸鏈安裝同軸度要求及折疊翻轉(zhuǎn)后反射面精度要求,鉸鏈的安裝通過樣板和工裝配合,按照粗調(diào)安裝、精調(diào)安裝流程進(jìn)行。

3 天線反射體裝配工藝措施

3.1 背架裝配

現(xiàn)階段天線反射體背架完全依靠激光跟蹤儀進(jìn)行裝配,該方法占用儀器時(shí)間較長,在裝配工作量大或小批量反射體時(shí)經(jīng)濟(jì)性較差,考慮到儀器使用及維護(hù)成本較高、儀器短缺的情況下,采用旋轉(zhuǎn)樣板進(jìn)行反射體裝配。具有節(jié)約裝配制造成本、裝配過程直觀、高精度儀器使用率低等優(yōu)點(diǎn),適用于小批量天線反射體裝配。

3.1.1 樣板裝配

旋轉(zhuǎn)樣板以中心體上法蘭面及旋轉(zhuǎn)中心軸為基準(zhǔn),旋轉(zhuǎn)樣板曲線和刻線作為參照,采用簡單工具(鋼板尺等)確定背架各處球節(jié)點(diǎn)所在位置的半徑及高差,確定各個(gè)零部件的空間位置,達(dá)到裝配目的。

旋轉(zhuǎn)樣板主要由樣板底座、軸套、軸承、配重及樣板六部分組成,樣板裝配的主要工藝流程為:

1)調(diào)平中心體,以中心體法蘭面及內(nèi)孔為裝配基準(zhǔn),將過渡圓環(huán)與中心體內(nèi)孔配合并固定;

2)通過過渡圓環(huán)將樣板工裝上法蘭面與中心體法蘭平齊;

3)安裝樣板工裝其余部件,根據(jù)樣板與中心體各尺寸(即H、H1、H2、H3),測量樣板起點(diǎn)距中心體臺階圓高度差,調(diào)整樣板工裝,使其高度差與理論一致,此時(shí)樣板與中心體相對位置確定。樣板與中心體組合示意圖如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)樣板與中心體組合示意圖

3.1.2 背架的組裝

背架是主要由球節(jié)點(diǎn)及管件組成的桁架結(jié)構(gòu),確定了各球節(jié)點(diǎn)的空間位置,即確定相應(yīng)梁單元的位置,進(jìn)而確定背架的相對位置。

背架組裝前,各球節(jié)點(diǎn)均以片梁的形式成為部件。在確定片梁水平安裝距離條件下,球節(jié)點(diǎn)的空間位置轉(zhuǎn)化為平面尺寸,即半徑R及距離S。旋轉(zhuǎn)樣板上的刻線對應(yīng)反射體背架不同位置處球節(jié)點(diǎn)球心的半徑R,樣板刻線與曲線的交點(diǎn)距球節(jié)點(diǎn)頂點(diǎn)的豎直距離為S。本天線反射體背架整體為關(guān)于X、Y的軸對稱結(jié)構(gòu),故反射體裝配時(shí),背架單元按1/4反射體背架單元進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。背架示意圖如圖5所示。

圖5 1/4反射體背架示意圖

背架安裝按照由中間塊至邊塊的順序進(jìn)行。中間背架安裝完成后,由于整體剛性不足,鋼管支撐固定局部球節(jié)點(diǎn),故后續(xù)各背架的安裝均需鋼管支撐穩(wěn)定剛性;安裝相鄰背架時(shí),以中間塊背架外形片梁為基準(zhǔn),將邊塊片梁調(diào)整至理論位置,根據(jù)邊塊背架與中央背架相鄰片梁的距離,中間加墊板卡蘭固定,進(jìn)而焊接其余部件至整體背架;其余背架按照上述方法安裝成型完整天線反射體背架?，F(xiàn)以裝配中央背架具體說明。

以中心體法蘭及外形加工面為基準(zhǔn),中央背架輻射梁按照劃線入位;根據(jù)旋轉(zhuǎn)樣板刻線與球節(jié)點(diǎn)一一對應(yīng)關(guān)系,參照R-S數(shù)據(jù),調(diào)整輻射梁高度至理論位置;將輻射梁前端與中心體點(diǎn)焊定位并加以輔助支撐,保證各單元安裝穩(wěn)定;按以上方法,依次入位其它輻射梁;旋轉(zhuǎn)樣板復(fù)測各球節(jié)點(diǎn)位置,滿足要求后焊接定位。

3.2 鉸鏈機(jī)構(gòu)裝配

在天線反射體折疊、展開與收藏時(shí),折疊動作的準(zhǔn)確性與可靠性直接決定了天線反射體能否正常工作,而鉸鏈?zhǔn)钦郫B動作的關(guān)鍵部件,故鉸鏈的安裝精度尤為重要。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié),鉸鏈安裝分為粗調(diào)和精調(diào)。現(xiàn)以水平鉸鏈安裝為例說明。

1)粗調(diào)鉸鏈

為了保證折疊運(yùn)動軸兩個(gè)支點(diǎn)處安裝的同軸問題,在加工時(shí)嚴(yán)格要求保證零部件的形位公差。鉸鏈機(jī)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)時(shí),在其外形上預(yù)留工藝基準(zhǔn)面,作為后續(xù)精調(diào)鉸鏈時(shí)的基準(zhǔn)?；鶞?zhǔn)面示意圖如圖6所示。

圖6 鉸鏈基準(zhǔn)面示意圖

粗調(diào)鉸鏈重點(diǎn)在于調(diào)整鉸鏈支座的位置,焊接鉸鏈支座與背架。由于鉸鏈數(shù)量及位置不同,故需使用專用工裝、激光經(jīng)緯儀配合來保證其鉸鏈支座粗裝精度。專用工裝端面有十字刻線,上端與鉸鏈支座連接,下端與支撐墩連接,根據(jù)刻線將工裝調(diào)整至兩背架空隙中心處,其次采用與調(diào)整背架球節(jié)點(diǎn)相同方法,根據(jù)樣板至專用工裝端面的理論高度調(diào)整其位置,激光經(jīng)緯儀配合調(diào)整工裝端面平面度及刻線同軸度,故此鉸鏈支座定位至理論位置。鉸鏈安裝后位置誤差±1mm。專用工裝安裝示意圖如圖7所示。

圖7 專用工裝安裝結(jié)構(gòu)示意圖

2)精調(diào)鉸鏈

根據(jù)鉸鏈的安裝使用,鉸鏈的精調(diào)轉(zhuǎn)化為偏差及高差的調(diào)整。

利用激光跟蹤儀[5]在鉸鏈側(cè)基準(zhǔn)面上測量與中心體法蘭中心距離,調(diào)整安裝位置滿足各面距離相等,即L1=L2=L3=L4,尺寸公差±0.02mm。鉸鏈調(diào)整示意圖如圖8所示。

圖8 調(diào)節(jié)鉸鏈同軸示意圖

同理測量各鉸鏈上基準(zhǔn)面與中心體法蘭面高度,調(diào)整至等高且尺寸公差±0.02。根據(jù)檢測調(diào)整并保證:上下邊塊翻轉(zhuǎn)兩鉸鏈組合同軸度誤差≤φ 0.2mm。角邊塊翻轉(zhuǎn)組合同軸度誤差:≤φ0.2mm。緊固鉸鏈處螺栓并銷釘定位,試折疊及展開天線,確保折疊及展開動作順暢無卡頓。

3.3 其余部件裝配

各背架上的定位與鎖緊裝置,保證天線反射體折疊展開時(shí)的定位與鎖緊,滿足天線反射體展開工作時(shí)的精度要求。裝配時(shí)采用工裝確定機(jī)構(gòu)的連接板安裝位置,同時(shí)保證鎖定銷孔同軸,以此來滿足定位精度要求。拆除工裝后鎖定銷可以順利插入孔內(nèi),并且確保天線反射體在翻折過程中無干涉現(xiàn)象,展開后型面精度在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

通過旋轉(zhuǎn)樣板、卷尺調(diào)整面板就位姿態(tài)及側(cè)邊方向;按照旋轉(zhuǎn)樣板各點(diǎn)距面板的豎直距離20mm,統(tǒng)一粗調(diào)主反射面,調(diào)測點(diǎn)各位置度誤差為±1mm;此時(shí),面板基本處在理論型面位置,但需注意邊塊與中間塊面板接縫處的縫隙3mm且均勻。

4 測量及結(jié)果

各面板整體連接在背架上形成天線反射體,粗調(diào)完成后還需對反射面精度進(jìn)行再次檢測調(diào)整。作為型面精度檢測常用的非接觸式測量方法—數(shù)字?jǐn)z影測量法[6],其系統(tǒng)精度為0.01mm(r.m.s),滿足產(chǎn)品檢測要求。反射體型面精度采用攝影測量系統(tǒng)檢測,測量點(diǎn)約150個(gè),折疊前、折疊后(至少三次收藏、展開)主反射面精度均滿足設(shè)計(jì)要求。反射裝配各檢測數(shù)據(jù)見表2所示。

表2 反射體裝配測量結(jié)果

5 結(jié)束語

本文針對該車載天線背架數(shù)量多及安裝復(fù)雜、鉸鏈動作多的特點(diǎn),分析安裝難點(diǎn),合理安排裝配工藝措施,有效指導(dǎo)天線反射體的調(diào)整與安裝,最終滿足所有技術(shù)指標(biāo)。實(shí)踐證明樣板裝配反射體的方法采用合理的裝配工藝,設(shè)計(jì)配套的樣板工裝、鉸鏈工裝及鎖定工裝,能簡化操作,提高效率,其成本也遠(yuǎn)低于全程激光跟蹤儀配法。本文可供其他類似車載折疊天線反射體的安裝與檢測參考。

通過對整個(gè)天線反射體架構(gòu)安裝過程分析,后續(xù)裝配需進(jìn)行以下研究:一是合理安排天線背架的裝配順序,簡化流程,提高效率;二是鉸鏈安裝時(shí)設(shè)計(jì)整體工裝,減少多次調(diào)整環(huán)節(jié);三是背架的安裝精度直接影響后續(xù)反射體型面的裝配精度,在后續(xù)裝配中,仍需提高安裝精度。