方紅梅，鐘劍鋒，徐文華，保 宏

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039； 2. 西安電子科技大學(xué)， 陜西 西安 710071)

引 言

隨著現(xiàn)代雷達(dá)越來(lái)越趨于高集成、高精度、大型化的發(fā)展方向，傳統(tǒng)的剛性連接方式很難滿足精度要求，迫切需要尋求一種新的解決途徑。與此同時(shí)，綜合考慮雷達(dá)的使用需求及制造成本，分塊拼裝成為必然趨勢(shì)。通過(guò)安裝自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)超大口徑天線陣面保型已經(jīng)成為未來(lái)發(fā)展的主要手段。如美國(guó)GBT 110 m ×100 m口徑天線將整個(gè)陣面分割為兩千多個(gè)小陣面，采用2 209個(gè)作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)大仰角下陣面保型[1]。上海65 m射電望遠(yuǎn)鏡主反射面被分割為一千多個(gè)小塊，通過(guò)主動(dòng)面調(diào)整技術(shù)補(bǔ)充因重力、溫度等因素帶來(lái)的反射面變形，使天線在所有的觀測(cè)頻率上都能獲得最高的接收效益。本文提出的多自由度精細(xì)調(diào)整機(jī)構(gòu)，旨在實(shí)現(xiàn)天線陣面位置和姿態(tài)的多自由度調(diào)節(jié)，在一定范圍內(nèi)抵消裝配加工環(huán)節(jié)造成的固定誤差，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)不同俯仰狀態(tài)下的精度調(diào)節(jié)，補(bǔ)償因重力、溫度等因素造成的呈周期性變化的變形，從而提高天線陣面精度，滿足雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)天線陣面的精度要求[2]。

1 研究平臺(tái)構(gòu)建

1.1 研究平臺(tái)的系統(tǒng)組成

本文以某型雷達(dá)為依托，選取天線陣面的典型分塊進(jìn)行研究。與Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的基本構(gòu)型一致，研究平臺(tái)的主體包含3大組成部分：承力骨架、天線陣面以及兩部分之間的調(diào)整機(jī)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的定平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)以及兩個(gè)平臺(tái)之間的可變撐桿，如圖1所示。

調(diào)整機(jī)構(gòu)有2大功能：對(duì)安裝面板進(jìn)行支撐和固定；對(duì)安裝面板進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，使天線反射面達(dá)到所要求的平面精度。調(diào)整機(jī)構(gòu)和承力骨架及天線陣面之間通過(guò)胡克鉸/球鉸連接，實(shí)現(xiàn)不同角度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

圖1 Stewart機(jī)構(gòu)及研究平臺(tái)主體對(duì)照?qǐng)D

除了由天線陣面構(gòu)建形成的平臺(tái)主體之外，研究平臺(tái)還包括專用控制器、數(shù)據(jù)測(cè)量和處理系統(tǒng)等，如圖2所示。

圖2 研究平臺(tái)的系統(tǒng)組成

1.2 調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)選型

高精度調(diào)整機(jī)構(gòu)作為研究平臺(tái)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)選型有以下幾個(gè)難點(diǎn)：

1)機(jī)構(gòu)鉸接點(diǎn)位置和天線陣面的具體結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，且直接影響整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能；

2)機(jī)構(gòu)兼具天線陣面的結(jié)構(gòu)支撐及精度調(diào)整功能，尋找合適的機(jī)構(gòu)參數(shù)難度很高；

3)天線陣面在不同俯仰角度下的機(jī)構(gòu)間隙直接影響調(diào)整精度。

考慮采用不同的方法解決上述問(wèn)題。天線陣面在重力作用下產(chǎn)生變形，并隨著6個(gè)支點(diǎn)位置變化。對(duì)于支點(diǎn)位置的選取，采用多離散變量?jī)?yōu)化算法，按以下幾個(gè)步驟對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化[3]：

1)根據(jù)天線陣面的具體結(jié)構(gòu)，結(jié)合調(diào)整機(jī)構(gòu)的分布進(jìn)行優(yōu)化，確定機(jī)構(gòu)支點(diǎn)位置；

2)分析得到機(jī)構(gòu)支桿的原始長(zhǎng)度和最大載荷，從而指導(dǎo)機(jī)構(gòu)選型；

3)根據(jù)機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行機(jī)構(gòu)合理性分析和誤差分析；

4)采購(gòu)并裝配，構(gòu)建研究平臺(tái)系統(tǒng)；

5)對(duì)天線陣面的不同俯仰工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到一系列數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)表格；

6)天線陣面工作時(shí)進(jìn)行精度補(bǔ)償。

研究平臺(tái)的調(diào)整機(jī)構(gòu)布局如圖3所示，圖中的小十字符號(hào)表示骨架縱橫梁交叉點(diǎn)的幾何中心。

圖3 調(diào)整機(jī)構(gòu)布局投影圖

2 研究平臺(tái)的指標(biāo)分析

2.1 研究平臺(tái)的誤差分析

天線陣面受自重、風(fēng)載等外載荷的作用，其表面必然產(chǎn)生誤差，使實(shí)際形狀偏離其理想設(shè)計(jì)形狀。要想保證天線陣面獲得較高的結(jié)構(gòu)精度，在傳統(tǒng)的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中就需要將各級(jí)誤差層層分配并嚴(yán)格加以控制，從而達(dá)到能實(shí)現(xiàn)的最高精度，但往往需要付出過(guò)高的代價(jià)。因此，在工程中應(yīng)根據(jù)相控陣天線的主要性能指標(biāo)，分別對(duì)天線在各個(gè)方向的精度提出經(jīng)濟(jì)性的要求[4-5]。

在大口徑平面的機(jī)械加工、陣面分塊的拼接、自重和環(huán)境溫度變化等因素影響下，要保證很高的陣面精度，這給天線陣面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

若按照傳統(tǒng)的硬連接模式，則天線陣面的平面精度分配見(jiàn)表1。天線陣面整體平面精度為1.6 mm。

表1天線陣面平面精度分配(硬連接) mm

序號(hào)誤差環(huán)節(jié)加工拼裝重力溫度平面度數(shù)值1天線單元0.10———0.102安裝面板0.200.60.350.300.803陣面骨架0.501.00.800.151.40

從表1中的數(shù)據(jù)不難看出，最終獲得的平面精度難以滿足高頻段天線陣面的使用要求(≤1mm)。引入精細(xì)調(diào)整機(jī)構(gòu)之后，可大大減少影響天線陣面平面度的誤差環(huán)節(jié)，有效提高天線陣面的平面精度。

引入調(diào)整機(jī)構(gòu)后，天線陣面的精度分配見(jiàn)表2。天線陣面整體平面精度為0.6 mm。

表2天線陣面平面精度分配(調(diào)整) mm

序號(hào)誤差環(huán)節(jié)加工拼裝重力溫度平面度數(shù)值1天線單元0.1———0.12安裝面板—0.40.350.30.63陣面骨架—————

綜合考慮各種因素對(duì)天線陣面平面度影響的敏感度和工程實(shí)現(xiàn)的難易程度，對(duì)研究平臺(tái)主體試驗(yàn)陣面的各環(huán)節(jié)精度進(jìn)行表3所示的分配。試驗(yàn)陣面整體平面精度為0.9 mm。

表3試驗(yàn)陣面精度分配mm

序號(hào)影響因素平面度數(shù)值備注1天線單元溫度、重力變形0.5仿真優(yōu)化2安裝面板制造誤差0.3制造精度控制3陣面骨架裝配誤差0.5調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整4測(cè)量誤差0.1

2.2 研究平臺(tái)的有限元分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證調(diào)整機(jī)構(gòu)對(duì)試驗(yàn)陣面整體結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)，對(duì)陣面進(jìn)行有限元模型分析，分為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°這7個(gè)工況進(jìn)行分析。

為了使有限元分析結(jié)果更趨近于真實(shí)，在進(jìn)行每個(gè)工況下的有限元分析時(shí)，將該工況下位姿平衡時(shí)各個(gè)支腿的受力作為預(yù)應(yīng)力加入到有限元模型中，該預(yù)應(yīng)力的大小在Stewart機(jī)構(gòu)分析時(shí)得到。分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，其中有限元模型和仰天工況(90°)的變形云圖如圖4所示。

表4各工況數(shù)據(jù)匯總表mm

工況原始面正向最大位移原始面負(fù)向最大位移擬合面正向最大位移擬合面負(fù)向最大位移擬合面平面度RMS0°11.022-11.3490.3438-0.22700.102215°10.111-11.7470.3390-0.15780.077030°8.511-11.3450.4670-0.13330.071645°6.332-10.1710.5633-0.13720.090760°3.720-8.3020.6211-0.22250.120175°0.856-5.8680.6367-0.34020.148490°0.572-4.8560.6088-0.43480.1704

圖4 有限元模型和仰天工況變形云圖

從上述數(shù)據(jù)可以看出，在0°～90°角度范圍，天線陣面擬合平面度≤0.18 mm，擬合面相對(duì)于原始理論面的最大位移≤0.5 mm。

3 試驗(yàn)過(guò)程與記錄

3.1 試驗(yàn)步驟

研究平臺(tái)的精細(xì)調(diào)整試驗(yàn)按以下步驟進(jìn)行：

1)建立模型，復(fù)核研究平臺(tái)系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)的累積誤差；

2)計(jì)算得到調(diào)整機(jī)構(gòu)期望的工作空間；

3)結(jié)合研究平臺(tái)主體天線陣面安裝要求，進(jìn)行調(diào)整機(jī)構(gòu)選型；

4)分析調(diào)整機(jī)構(gòu)工作空間的奇異性；

5)將調(diào)整機(jī)構(gòu)裝配到位；

6)進(jìn)行平臺(tái)主體天線陣面姿態(tài)調(diào)節(jié)，測(cè)量不同姿態(tài)下的調(diào)整精度；

試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的控制流程如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)控制框圖

3.2 試驗(yàn)記錄和結(jié)論

驅(qū)動(dòng)天線陣面作不同俯仰角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，利用專用控制器使調(diào)整機(jī)構(gòu)的幾個(gè)支桿呈現(xiàn)不同的伸縮長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)天線陣面的精細(xì)調(diào)整[6-7]，并實(shí)時(shí)測(cè)量天線陣面預(yù)設(shè)采樣點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而得到不同俯仰角度下天線陣面的精度[8]。試驗(yàn)記錄見(jiàn)表5。

表5 研究平臺(tái)驗(yàn)收表

試驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)大型天線陣面(質(zhì)量4 t、外形近似5 m × 5 m)，連續(xù)調(diào)整范圍為-2.5～2.5 mm(可根據(jù)需要進(jìn)一步擴(kuò)大)，位置精度在0.18 mm以內(nèi)，指向角度精度在0.25 mrad以內(nèi)。

根據(jù)上述試驗(yàn)過(guò)程及記錄的數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論：

1)加裝高精度調(diào)整機(jī)構(gòu)可以有效提高天線陣面多姿態(tài)、多自由度精度；

2)調(diào)整精度滿足高頻段大型天線陣面的工作要求；

3)可形成各個(gè)工況下的測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)更高的精度要求；

4)可結(jié)合天線陣面的實(shí)際結(jié)構(gòu)形式，選擇合適的調(diào)整機(jī)構(gòu)構(gòu)型，滿足適裝性要求；

5)在此基礎(chǔ)上結(jié)合電指標(biāo)測(cè)試，可進(jìn)一步降低系統(tǒng)誤差，獲得更高的作用精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的高精度調(diào)整機(jī)構(gòu)能夠滿足大型天線陣面的高精度調(diào)節(jié)要求，在天線陣面的誤差空間內(nèi)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，釋放加工、裝配環(huán)節(jié)的部分精度要求，從而獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益和精度目標(biāo)。

本文為天線陣面的高集成、大型化提供了一種全新的思路，可作為一項(xiàng)共性技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種頻段、多種結(jié)構(gòu)口徑(尤其是分布式)天線陣面中，在今后的巨型相控陣?yán)走_(dá)的研制、深空探測(cè)等領(lǐng)域都有著積極的工程指導(dǎo)意義[9]。

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