姚克榮，許洪韜

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

引 言

隨著現(xiàn)代武器的發(fā)展，出于深空探測(cè)的需要，地面相控陣?yán)走_(dá)向著超大、超重方向發(fā)展，原先的整體轉(zhuǎn)臺(tái)式天線座越來(lái)越無(wú)法滿足要求，因而轉(zhuǎn)向大型輪軌式天線座[1-2]。輪軌式天線座的關(guān)鍵在于軌道及滾輪結(jié)構(gòu)精度。本文研究的天線座軌道為某高精度輪軌式雷達(dá)的基礎(chǔ)承重件，支撐著上百噸的天線座及天線(可實(shí)現(xiàn)方位和俯仰2個(gè)維度上的轉(zhuǎn)動(dòng))。

天線座軌道的水平度對(duì)雷達(dá)的方位軸精度及運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性有著重大的影響，也會(huì)對(duì)雷達(dá)的指向精度產(chǎn)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(duì)于方位轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)而影響后續(xù)軌道的焊接質(zhì)量。由于雷達(dá)架設(shè)順序是由下向上，軌道安裝為第一步，因此半徑超差大會(huì)導(dǎo)致軌道與滾輪接觸面積減小，從而影響雷達(dá)產(chǎn)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(dǎo)致軌道面兩側(cè)臺(tái)階受力不均，一側(cè)臺(tái)階區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此，天線座軌道安裝的關(guān)鍵在于保證軌道的位置度和水平度。

1 軌道的結(jié)構(gòu)特征及技術(shù)難點(diǎn)分析

該天線座軌道的特點(diǎn)為大型、高精度。大型體現(xiàn)在軌道為環(huán)形，直徑約17 m；高精度體現(xiàn)在軌道由10段分段軌道拼裝而成，同時(shí)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(guò)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(guò)調(diào)整軌道下部螺母實(shí)現(xiàn)軌道高度的位置變化，從而將整周軌道調(diào)平。

圖2 軌道與地基連接示意圖

軌道安裝的技術(shù)難點(diǎn)在于如何保證軌道的位置度和水平度。軌道是通過(guò)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(shí)現(xiàn)地腳螺栓位置的精確預(yù)埋是關(guān)鍵點(diǎn)之一。地腳螺栓位置應(yīng)保證相對(duì)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(dǎo)致軌道無(wú)法順利落位，同時(shí)還會(huì)減小軌道在水平方向的調(diào)整量。保證軌道水平度的難點(diǎn)在于軌道直徑大、分段多及精度要求高，同時(shí)軌道加工精度、自然時(shí)效變形及軌道調(diào)整順序?qū)壍浪蕉榷紩?huì)產(chǎn)生影響。

2 安裝工藝流程

因軌道自然時(shí)效變形，有時(shí)需通過(guò)螺母擠壓產(chǎn)生大的壓應(yīng)力使軌道發(fā)生彈性變形才能達(dá)到高精度的水平度要求。若先將軌道水平度調(diào)整到位，再調(diào)整軌道半徑等其他參數(shù)，則需松開(kāi)上部緊固螺母以移動(dòng)軌道。原先調(diào)好的軌道水平度已失效，需重新調(diào)整，故水平度的調(diào)整應(yīng)為工藝流程最后的調(diào)整環(huán)節(jié)。同時(shí)，應(yīng)采取合理、高精度的測(cè)量方法以有效指導(dǎo)軌道位置度和水平度的調(diào)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(cè)

3.1 軌道位置度的調(diào)整與檢測(cè)

3.1.1 精確預(yù)埋地腳螺栓

單段軌道內(nèi)外側(cè)共有15對(duì)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(wú)法滿足要求。同時(shí)，單段軌道長(zhǎng)達(dá)5 m之多，且軌道為環(huán)形，使得徑向及周向調(diào)整困難。因此，地腳螺栓的預(yù)埋位置必須精確，否則軌道的位置度難以保證。

為實(shí)現(xiàn)地腳螺栓位置的精確預(yù)埋，本文通過(guò)設(shè)計(jì)軌道模板將其與地腳螺栓組合成一體進(jìn)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(shí)模板上下端用螺母緊固，這樣即可保證地腳螺栓螺桿相對(duì)模板的垂直度。

圖4 軌道安裝模板

軌道模板設(shè)有工藝基準(zhǔn)孔，整周工藝基準(zhǔn)孔形成的圓與整周安裝孔形成的圓同心，如圖5所示。檢測(cè)工藝基準(zhǔn)孔至中心座圓心的距離，調(diào)整軌道模板使得工藝基準(zhǔn)孔滿足位置要求，即可保證地腳螺栓的位置度。檢測(cè)工藝基準(zhǔn)孔的高度，調(diào)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(duì)水平面的垂直度。

圖5 軌道模板工藝基準(zhǔn)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(yù)埋地腳螺栓時(shí)應(yīng)保證相鄰模板間隙一致。為保證相鄰模板間隙一致，設(shè)計(jì)了過(guò)渡板，如圖6所示。

圖6 軌道模板過(guò)渡板

3.1.2 軌道位置度的精度實(shí)現(xiàn)

待地腳螺栓精確預(yù)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(shè)有工藝基準(zhǔn)孔，整周工藝基準(zhǔn)孔形成的圓與軌道安裝孔同心，與圖5所示的結(jié)構(gòu)類(lèi)似。通過(guò)激光跟蹤儀檢測(cè)工藝基準(zhǔn)孔至中心座圓心的距離，以指導(dǎo)軌道位置度的調(diào)整，使得軌道半徑及圓度滿足指標(biāo)要求。

經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，最終由激光跟蹤儀檢測(cè)的軌道半徑及圓度均滿足指標(biāo)要求。

3.2 軌道水平度的調(diào)整與檢測(cè)

軌道水平度調(diào)整最為關(guān)鍵，難度最大?？紤]到軌道水平度需多次反復(fù)調(diào)整與測(cè)量才能達(dá)到精度要求，為快速有效地進(jìn)行調(diào)整且合理分配檢測(cè)儀器資源，軌道水平度調(diào)整分粗調(diào)和精調(diào)2個(gè)階段。2個(gè)階段的軌道調(diào)整方法一致，只是檢測(cè)方法不同。粗調(diào)階段采用合像水平儀和百分表檢測(cè)軌道水平度，精調(diào)階段采用激光跟蹤儀檢測(cè)軌道水平度。

3.2.1 粗調(diào)軌道水平度

粗調(diào)階段應(yīng)首先調(diào)平第1根軌道，以之作為基準(zhǔn)，然后依次周向調(diào)整其余9段軌道面。軌道調(diào)平方法如下：

1) 取軌道下部?jī)啥思爸虚g的螺母共3點(diǎn)用于支撐，其余螺母不用于支撐；

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

3)旋緊對(duì)應(yīng)3點(diǎn)支撐上部的螺母，同時(shí)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(shí)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(shí)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(diào)平并緊固上下螺母后，將其作為基準(zhǔn)軌道，然后依次周向調(diào)整其余9段軌道面。相鄰軌道面的等高調(diào)整非常關(guān)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(cè)軌道面的高低差。但該方法只能判斷拼縫兩側(cè)軌道面的高低指向，無(wú)法量化高低差值，給調(diào)整工作帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)，需要不斷嘗試才能調(diào)整到位。

本文采用一種較為簡(jiǎn)單且可量化差值的方法來(lái)檢測(cè)拼縫兩側(cè)軌道面的高低差：設(shè)計(jì)專用測(cè)量平板，將百分表吸在測(cè)量平板上，在已調(diào)平的軌道面上推動(dòng)測(cè)量平板，依據(jù)百分表讀數(shù)檢測(cè)拼縫兩側(cè)軌道面的高低差，如圖7所示。與軌道面接觸的測(cè)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(guò)程中不易區(qū)分兩面，本文的測(cè)量平板上下兩面平面度均小于0.01 mm。待拼縫處軌道面調(diào)平后，其余軌道調(diào)平方法與第1根軌道調(diào)平方法相同。

圖7 相鄰軌道面高低差測(cè)量圖

3.2.2 精調(diào)軌道水平度

(1)激光跟蹤儀測(cè)量原理

激光跟蹤儀具有測(cè)量范圍大、精度高、動(dòng)態(tài)測(cè)量特性良好等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于大尺寸幾何量測(cè)量，在重大裝備精密測(cè)量、大型零部件安裝定位以及機(jī)器人校準(zhǔn)方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)[4-6]。激光跟蹤儀是基于角度傳感器和測(cè)長(zhǎng)技術(shù)相結(jié)合的球坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)[7-8]，對(duì)空間目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)的測(cè)量通過(guò)激光跟蹤儀坐標(biāo)原點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的水平角、垂直角和斜距來(lái)確定。

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

圖8 激光跟蹤儀極坐標(biāo)測(cè)量示意圖

激光跟蹤儀觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)P的觀測(cè)值(水平角、垂直角、斜距)分別為α、β和S，則P點(diǎn)的三維坐標(biāo)為：

(1)

(2)測(cè)量方案

10段軌道完成粗調(diào)平后，進(jìn)入水平度精調(diào)階段，應(yīng)用激光跟蹤儀檢測(cè)軌道的水平度以指導(dǎo)調(diào)整工作。檢測(cè)軌道水平度的方法是應(yīng)用激光跟蹤儀配合靶球采集軌道面的多點(diǎn)三維坐標(biāo)，在PolyWorks工業(yè)測(cè)量軟件上分別求解多點(diǎn)坐標(biāo)至基準(zhǔn)水平面的距離，距離的最大差值即為軌道面的水平度，測(cè)量示意圖如圖9所示。

圖9 水平度測(cè)量圖

檢測(cè)軌道水平度的難點(diǎn)在于如何建立基準(zhǔn)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(cè)軌道面的水平度，應(yīng)首先建立基準(zhǔn)水平面。

建立基準(zhǔn)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(zhǔn)水平面的方法。該方法不但簡(jiǎn)單有效，且水平度精度更高，具體如下：

基準(zhǔn)水平面建立之后，應(yīng)用激光跟蹤儀采集軌道面的多點(diǎn)三維坐標(biāo)，每間隔一組螺栓，分別采集軌道徑向內(nèi)、外側(cè)數(shù)據(jù)，整周共采集150個(gè)數(shù)據(jù)。在軟件上求解上述150個(gè)點(diǎn)至基準(zhǔn)水平面的距離，根據(jù)距離的大小，調(diào)整軌道對(duì)應(yīng)點(diǎn)的高度，直至滿足水平度要求。

3.2.3 水平度測(cè)量結(jié)果

精調(diào)后的軌道水平度測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)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(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表1軌道水平度測(cè)量數(shù)據(jù)表mm

測(cè)量點(diǎn)與基準(zhǔn)水平面的距離測(cè)量點(diǎn)與基準(zhǔn)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(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)軌道安裝模板實(shí)現(xiàn)地腳螺栓位置的精確預(yù)埋，保證了軌道位置度在可調(diào)范圍內(nèi)。采用合像水平儀、百分表及激光跟蹤儀等組合形式檢測(cè)安裝過(guò)程中軌道的位置度和水平度，有效指導(dǎo)了軌道的調(diào)整與安裝，最終滿足了軌道的所有技術(shù)指標(biāo)。文中提出了一種簡(jiǎn)單有效、精度更高的建立基準(zhǔn)水平面的方法：通過(guò)電子水準(zhǔn)儀測(cè)量提供3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，然后換用激光跟蹤儀測(cè)量這些基準(zhǔn)點(diǎn)，從而建立高精度的水平面。本文可供其他類(lèi)似大型軌道的安裝與檢測(cè)參考。

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姚克榮(1968-)，男，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)精密機(jī)械工藝技術(shù)研究工作。

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