唐 煊，王 平

（1. 浙江大學(xué)，浙江 杭州 310007；2. 哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150006）

引 言

天線測量轉(zhuǎn)臺是天線測量系統(tǒng)的重要裝置，它在測試系統(tǒng)的控制下，提供天線測量所需的掃描運(yùn)動，并實(shí)時給出天線的位置信息，與測量系統(tǒng)中的發(fā)射器、測試儀器等設(shè)備協(xié)同工作，采集分析測試數(shù)據(jù)，得到被測天線的相關(guān)性能數(shù)據(jù)，如副瓣電平、波束寬度、增益、指向等。早期天線的頻段和性能指標(biāo)低，因而對測量轉(zhuǎn)臺的性能要求不高，設(shè)計相對容易。但隨著天線向高頻段發(fā)展，天線測量轉(zhuǎn)臺的精度也大幅提升，對其機(jī)械設(shè)計和電氣控制的要求也更高。

從國內(nèi)外的研究情況來看，天線測量轉(zhuǎn)臺的形式多樣，有兩軸、三軸、四軸，甚至平移軸，尺寸大小相差很大，承載能力和精度各不相同，主要根據(jù)天線測量需求設(shè)計，一般是精度高的尺寸、承載小，尺寸、承載大的精度不高。如美國ORBIT/FR公司的AL-4573-1型天線測量轉(zhuǎn)臺，采用方位-俯仰-方位三軸結(jié)構(gòu)，其最大負(fù)載為1 270 kg，編碼器精度為0.03°，最大回差為0.05°[2]；九江精密測試技術(shù)研究所的某型天線測試臺采用方位-俯仰兩軸結(jié)構(gòu)，其最大負(fù)載為1 500 kg，兩軸回轉(zhuǎn)精度為±0.05°；由華東理工大學(xué)設(shè)計的天線測試轉(zhuǎn)臺采用方位-俯仰-方位結(jié)構(gòu)，其方位定位精度≤0.03°，承重≤4 600 kg，俯仰定位精度≤0.05°，承重≤5 000 kg[3]；由哈工大設(shè)計的專用天線測量轉(zhuǎn)臺有橫滾軸、平移軸、方位軸、俯仰軸和下方位軸，承重78 kg，橫滾軸和上方位軸回轉(zhuǎn)誤差分別為3′′和5′′，俯仰軸回轉(zhuǎn)誤差為5′′[4]。

Ka波段（26.5～40 GHz）的總帶寬達(dá)到3.5 GHz，通常用于衛(wèi)星通信，可為高速衛(wèi)星通信、千兆比特級寬帶數(shù)字傳輸、衛(wèi)星新聞采集等提供條件，應(yīng)用廣泛。由于Ka波段天線波束窄，測量精度高，因而要求測量轉(zhuǎn)臺定位精度高，但目前的天線測量轉(zhuǎn)臺尚難以滿足較大口徑Ka波段天線的測量需求。本文結(jié)合某大口徑Ka天線對高精度測量轉(zhuǎn)臺的需求，從功能與指標(biāo)分析入手，詳細(xì)闡述了某高精度測量轉(zhuǎn)臺的設(shè)計及計算，研制了一款滿足Ka波段天線測量要求的高精度測量轉(zhuǎn)臺，有助于衛(wèi)星通信技術(shù)的快速發(fā)展。

1 天線測量轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)設(shè)計

某Ka波段通信天線為卡塞格倫式，口徑為2 m，質(zhì)量為300 kg。根據(jù)天線遠(yuǎn)場測量要求，天線測量轉(zhuǎn)臺需要4個轉(zhuǎn)軸，即極化軸、上方位軸、俯仰軸和下方位軸，其中極化軸用于被測天線的極化變換，上方位軸用于測量方位面波瓣，俯仰軸用于測量俯仰面波瓣及使被測天線與發(fā)射天線的軸線在垂直面內(nèi)對準(zhǔn)，下方位軸用于將被測天線的軸線與發(fā)射天線的軸線調(diào)整至同一方位面內(nèi)。

按照天線測量需求，測量轉(zhuǎn)臺技術(shù)要求如下：

1）轉(zhuǎn)角范圍。極化軸為0°～360°（非連續(xù)轉(zhuǎn)動），上方位軸為0°～360°（非連續(xù)轉(zhuǎn)動），俯仰軸為-45°～+90°（0°為水平狀態(tài)），下方位軸為0°～360°（非連續(xù)轉(zhuǎn)動）。

2）定位精度。極化軸為±0.09°，上方位軸為±0.02°，俯仰軸為±0.02°，下方位軸為±0.02°。

3）角速度。極化角速度為0.010～12 (°)/s，方位、俯仰角速度為0.010～18(°)/s。

4）最大角加速度。各軸均為6(°)/s2。

5）有效載荷。極化臺面負(fù)載為300 kg。

6）抗風(fēng)能力。能在6級風(fēng)條件下保精度工作。

由技術(shù)要求可以看出，該轉(zhuǎn)臺的主要特點(diǎn)是：4個軸均非連續(xù)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速低；俯仰軸有負(fù)傾角；極化軸精度稍低，其余3個軸精度較高；室外工作，有風(fēng)載荷。

考慮到被測拋物面天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和安裝方式，極化轉(zhuǎn)動支撐采用雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)方式，極化軸通過前后軸承安裝于支座上。天線安裝于極化軸的前端，極化傳動裝置安裝于極化軸的后端。根據(jù)天線的測量需求，將轉(zhuǎn)臺設(shè)計成串連結(jié)構(gòu)形式，自頂向下依次為極化轉(zhuǎn)臺、上方位轉(zhuǎn)臺、俯仰轉(zhuǎn)臺和下方位轉(zhuǎn)臺。為降低高度，上、下方位均選用轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)；俯仰選用U形結(jié)構(gòu)以滿足高精度要求；上方位轉(zhuǎn)臺與俯仰軸做成一體；極化轉(zhuǎn)臺用立柱支撐于上方位轉(zhuǎn)臺的上方，以保證天線的運(yùn)動空間，在要求的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)不與轉(zhuǎn)臺干涉。上、下方位及俯仰軸線交于一點(diǎn)，極化軸線與上方位軸線垂直相交，立柱設(shè)計成傾斜結(jié)構(gòu)，使上方位轉(zhuǎn)臺以上部分的重心落在上方位軸線上，以減小上方位驅(qū)動力矩。上方位轉(zhuǎn)臺的下方裝有俯仰平衡重塊，以減小俯仰驅(qū)動力矩。天線測量轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線測量轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)

1.1 天線測量轉(zhuǎn)臺傳動鏈設(shè)計

由轉(zhuǎn)臺的使用要求和結(jié)構(gòu)布局可知，極化軸和上方位軸的載荷相對較低，俯仰軸的載荷最大，考慮到極化軸的定位精度要求較低，傳動鏈設(shè)計為直流電機(jī)—行星齒輪減速器—小齒輪—大齒輪形式；上方位軸的定位精度要求較高，驅(qū)動力矩較小，因而選擇力矩電機(jī)直驅(qū)方式；俯仰軸的定位精度要求較高，驅(qū)動力矩大，如果選擇力矩電機(jī)直驅(qū)，則滿足要求的力矩電機(jī)體積、質(zhì)量大，且價格昂貴，因此選用雙電機(jī)驅(qū)動消隙，單個傳動鏈設(shè)計為直流電機(jī)—行星齒輪減速器—小齒輪—大齒輪形式；下方位軸的定位精度要求較高，驅(qū)動力矩較大，同樣選用雙電機(jī)消隙驅(qū)動方式，傳動鏈設(shè)計為直流電機(jī)—行星齒輪減速器—小齒輪—大齒輪（共用）形式。

除上方位軸直驅(qū)外，其余各軸的傳動機(jī)構(gòu)均采用末級齒輪加行星齒輪減速器的形式，可通過增加末級傳動比和提高末級齒輪制造精度來滿足轉(zhuǎn)臺精度指標(biāo)要求，而行星齒輪減速器可選用專業(yè)廠家生產(chǎn)的型號產(chǎn)品，技術(shù)成熟，成本低。

1.2 天線測量轉(zhuǎn)臺主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 極化轉(zhuǎn)臺

極化轉(zhuǎn)臺由支座、轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)軸、大齒輪、小齒輪、軸承、軸承蓋、齒輪箱蓋以及電機(jī)、減速器等組成，如圖2所示。支座前部是一圓桶形結(jié)構(gòu)，下側(cè)面帶有圓形法蘭，中部是與前部圓桶同軸、直徑較小的管狀結(jié)構(gòu)，管內(nèi)通過軸承支撐轉(zhuǎn)軸，后部是卵形腔體結(jié)構(gòu)，與齒輪箱蓋一起構(gòu)成齒輪箱。轉(zhuǎn)盤固定于轉(zhuǎn)軸前端，2個軸承位于轉(zhuǎn)軸中部（間距150 mm），大齒輪固定于轉(zhuǎn)軸后端。小齒輪通過鍵和軸端擋圈固定在減速器輸出軸上，隨減速器一起安裝在齒輪箱蓋上，并伸入齒輪箱與大齒輪嚙合。電機(jī)安裝在減速器尾端。由于極化軸的精度指標(biāo)要求較低，為簡化結(jié)構(gòu)，不在負(fù)載端安裝角度檢測元件，直接利用電機(jī)端反饋元件測角，選擇多圈絕對值編碼器，其精度為1′。

圖2 極化轉(zhuǎn)臺

1.2.2 上方位及俯仰組件

上方位及俯仰組件結(jié)構(gòu)如圖3所示。上方位轉(zhuǎn)臺由上方位支座、上方位轉(zhuǎn)盤、軸承、力矩電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器等組成，上方位轉(zhuǎn)盤通過軸承安裝于支座上，電機(jī)的轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)盤固定連接，電機(jī)的定子與支座固定連接。俯仰部分由俯仰支臂、俯仰軸、俯仰大齒輪、俯仰小齒輪、軸承、軸承蓋、配重塊、電機(jī)和減速器以及旋轉(zhuǎn)變壓器、行程開關(guān)等組成。俯仰軸與上方位支座做成一體，俯仰支臂上部由殼體和蓋板構(gòu)成俯仰齒輪箱，俯仰軸兩端各通過2個軸承安裝于左右俯仰支臂上，俯仰大齒輪位于2個軸承中間。小齒輪通過定位銷和螺釘固定在減速器輸出軸上，隨減速器一起安裝在齒輪箱蓋上，并伸入齒輪箱與大齒輪嚙合。電機(jī)同樣安裝在減速器尾端。俯仰軸內(nèi)一端安裝旋轉(zhuǎn)變壓器（用于測量俯仰角度），另一端安裝行程開關(guān)（用于俯仰轉(zhuǎn)動范圍安全限位，安全轉(zhuǎn)角范圍設(shè)定為-50°～+95°）。配重塊通過支架懸掛于上方位支座下端。

圖3 上方位及俯仰組件

由于俯仰軸載荷較大，俯仰小齒輪設(shè)計成兩端雙支撐方式而不是懸臂方式，小齒輪為齒輪軸形式，一端與減速器輸出軸端面固定連接，另一端通過一個角接觸球軸承安裝于俯仰支臂殼體上，角接觸球軸承也由調(diào)整墊片預(yù)緊。上方位轉(zhuǎn)盤與上方位支座之間、配重塊支架與上方位支座之間以及俯仰軸承蓋、俯仰齒輪箱蓋和減速器安裝處均有密封圈，保證上方位力矩電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、軸承和齒輪與外界環(huán)境隔離。俯仰電機(jī)和減速器均選用防水型號，以滿足室外使用環(huán)境要求。

1.2.3 下方位轉(zhuǎn)臺

下方位轉(zhuǎn)臺是整個測量轉(zhuǎn)臺的基礎(chǔ)，包括底座、轉(zhuǎn)動平臺、內(nèi)齒式軸承、小齒輪、電機(jī)和減速器以及旋轉(zhuǎn)變壓器等，如圖4所示。轉(zhuǎn)動平臺通過軸承安裝在底座上，電機(jī)與減速器串接，小齒輪套裝在減速器輸出軸上，減速器安裝在底座頂板上，小齒輪伸出頂板與大齒輪嚙合。2套電機(jī)、減速器及小齒輪相對于轉(zhuǎn)動中心對稱安裝。下方位旋轉(zhuǎn)變壓器通過支架安裝在轉(zhuǎn)動平臺與底座頂板之間。

圖4 下方位轉(zhuǎn)臺

底座設(shè)計為鐘形結(jié)構(gòu)，剛度好，重量輕，內(nèi)部空間大，可安裝2套驅(qū)動裝置。底座頂部有軸承、減速器和旋轉(zhuǎn)變壓器支架安裝接口，底部留有與基礎(chǔ)連接固定的接口，在側(cè)面與內(nèi)部電機(jī)對應(yīng)位置開維修檢查口，并裝蓋板。轉(zhuǎn)動平臺采用箱式結(jié)構(gòu)，具有比較好的剛度，在上表面設(shè)計俯仰支臂的接口，在下表面設(shè)計與軸承連接的接口。方位軸承選用帶內(nèi)齒的四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承，具有減小體積和重量、提高剛度、減少連接環(huán)節(jié)、提高精度等優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)動平臺下面設(shè)有擋水圈，套在底座上口（留間隙以防摩擦），防止雨水進(jìn)入底座。轉(zhuǎn)動平臺上面中心旋轉(zhuǎn)變壓器支架安裝處有密封圈，保證轉(zhuǎn)動平臺的密封。

2 天線測量轉(zhuǎn)臺定位精度分析

影響定位精度的主要因素是傳動誤差和傳動回差。對于本轉(zhuǎn)臺，由于極化軸架高，立柱在載荷作用下會變形，變形量隨著俯仰角度的變化而變化，其彎曲變形影響俯仰角度精度。另外，為減小上方位的偏心力矩，立柱設(shè)計成傾斜結(jié)構(gòu)，其扭轉(zhuǎn)變形影響上方位角度精度。

2.1 傳動誤差

齒輪的傳動誤差α包括極化軸的傳動誤差α1，俯仰軸的傳動誤差α2和下方位軸的傳動誤差α3。

2.1.1 極化軸的傳動誤差

極化軸大齒輪：齒數(shù)z1= 76，模數(shù)m1= 3，分度圓直徑d1= 228 mm，5 級精度，周節(jié)積累誤差Fp1= 0.063；極化軸小齒輪：齒數(shù)z2= 19，模數(shù)m2= 3，分度圓直徑d2= 57 mm，5級精度，周節(jié)積累誤差Fp2= 0.025。極化軸大、小齒輪的傳動比i1=4，小齒輪周節(jié)累積誤差折算到極化軸上為：

末級齒輪副的周節(jié)累積誤差（切向線性值）為：

則極化軸的傳動誤差為：

2.1.2 上方位軸的傳動誤差

上方位由力矩電機(jī)直接驅(qū)動，即由電機(jī)直接驅(qū)動上方位轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，無中間傳動鏈，因而無傳動誤差。

2.1.3 俯仰軸的傳動誤差

俯仰大齒輪：齒數(shù)z3= 136，模數(shù)m3= 3.5，分度圓直徑d3= 476 mm，5 級精度，周節(jié)積累誤差Fp4=0.05；俯仰小齒輪：齒數(shù)z4=17，模數(shù)m4=3.5，分度圓直徑d4= 59.5 mm，5級精度，周節(jié)積累誤差Fp5= 0.02。俯仰大、小齒輪的傳動比i2= 8，小齒輪周節(jié)累積誤差折算到俯仰軸上為：

末級齒輪副的周節(jié)累積誤差（切向線性值）為：

則俯仰軸的傳動誤差為：

2.1.4 下方位軸的傳動誤差

下方位大齒輪：齒數(shù)z5= 136，模數(shù)m5= 4，分度圓直徑d5= 544 mm，5 級精度，周節(jié)積累誤差Fp7=0.05；下方位小齒輪：齒數(shù)z6=17，模數(shù)m6=4，分度圓直徑d6= 68 mm，5級精度，周節(jié)積累誤差Fp8= 0.02。下方位大、小齒輪的傳動比i3= 8，小齒輪周節(jié)累積誤差折算到下方位軸上為：

末級齒輪副的周節(jié)累積誤差（切向線性值）為：

則下方位軸的傳動誤差為：

2.2 傳動回差

極化軸上的回程誤差Δφ主要由末級齒輪的傳動回程誤差Δφ1與行星齒輪減速器的回程誤差Δφ2（取背隙5′）綜合而成。極化小齒輪的徑向跳動公差Fr1= 25 μm，極化大齒輪的徑向跳動公差Fr2= 36 μm，傳動比i4= 4，嚙合角β= 20°，則法向齒隙jn為：

末級齒輪的傳動回程誤差為：

則極化軸上的回程誤差為：

上方位軸采用力矩電機(jī)直驅(qū)，無回差。俯仰軸采用雙電機(jī)驅(qū)動消隙方式，將回差完全消除。下方位軸同樣采用雙電機(jī)驅(qū)動消隙方式，無回差。

2.3 立柱結(jié)構(gòu)有限元分析

立柱對極化轉(zhuǎn)臺起到支撐作用，同時下方連接上方位轉(zhuǎn)臺，傳遞力和扭矩，由于俯仰軸與上方位軸的位置精度均為±0.02°，要求較高，且立柱的受載變形情況直接影響位置精度，因此對立柱進(jìn)行強(qiáng)度尤其是剛度校核至關(guān)重要。

由天線測試轉(zhuǎn)角范圍可知，當(dāng)俯仰軸旋轉(zhuǎn)至90°（天線仰天）時，立柱水平懸臂，其受力變形量最大，此時變形影響俯仰軸角度精度（上方位轉(zhuǎn)角為0°），定為工況1。當(dāng)俯仰軸旋轉(zhuǎn)至90°，上方位轉(zhuǎn)角也為90°時，立柱彎曲偏心，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，影響上方位轉(zhuǎn)角精度，定為工況2。

利用UG的高級仿真模塊（Nastran求解器）對立柱進(jìn)行靜態(tài)分析。對UG中建立的三維實(shí)體模型進(jìn)行簡化，去掉插座凸臺、密封槽、倒圓角等對整體剛度影響不大的細(xì)節(jié)部分。選用3D四面體單元劃分網(wǎng)格，對立柱下法蘭螺栓孔施加固定約束，將天線及極化轉(zhuǎn)臺載荷等效至上法蘭處，在第1種工況下施加4 263 N的力（重力），力矩為1 065.75 N·m，在第2種工況下施加4 263 N的力（重力），力矩為1 065.75 N·m，扭矩為232.48 N·m。分析結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 工況1下的應(yīng)力圖和俯仰轉(zhuǎn)角圖

圖6 工況2下的應(yīng)力圖和上方位轉(zhuǎn)角圖

由圖5和圖6分析可知，立柱應(yīng)力的最大值位于下法蘭螺栓連接處，在工況1下大小為62.55 MPa，在工況2下大小為79.15 MPa，均小于ZG 340-640材料的許用應(yīng)力246.86 MPa，因而結(jié)構(gòu)是安全的。由立柱變形（因外載荷作用）造成的俯仰軸角度偏差的最大值θ1= 0.007°，上方位軸角度偏差的最大值為θ2=0.002°。

2.4 誤差綜合

極化軸和俯仰軸均采用角接觸球軸承成對安裝，并通過調(diào)整墊片來給軸承預(yù)緊，消除游隙。上方位軸和下方位軸均選用四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承，游隙為-0.01～0 mm，以實(shí)現(xiàn)負(fù)游隙，提高承載能力和旋轉(zhuǎn)精度。因此，軸承游隙帶來的誤差可以忽略。

齒輪傳動回差Δφ與傳動誤差α是既有聯(lián)系又有區(qū)別的2種誤差，為相關(guān)誤差，對它們直接疊加取代數(shù)和。由于立柱變形與齒輪傳動回差和傳動誤差無關(guān)，因此立柱的變形量與這2種誤差為不相關(guān)誤差，分析系統(tǒng)誤差時取均方根值。各軸的綜合誤差如下：

1）極化軸的綜合誤差（極化軸的角度偏差θ3=0）滿足極化軸0.09°的指標(biāo)要求。

2）上方位軸的綜合誤差

滿足上方位軸0.02°的指標(biāo)要求。

3）俯仰軸的綜合誤差

滿足俯仰軸0.02°的指標(biāo)要求。

滿足下方位軸0.02°的指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語

本文研究的天線測試轉(zhuǎn)臺是為卡塞格倫式天線設(shè)計的專用設(shè)備，用于Ka波段通信天線遠(yuǎn)場測量。通過對總體技術(shù)指標(biāo)的分析，詳細(xì)介紹了高精度天線測量轉(zhuǎn)臺的傳動鏈設(shè)計、主要結(jié)構(gòu)件設(shè)計及精度誤差分析，采用四自由度轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)合理布局、力矩電機(jī)直驅(qū)、雙電機(jī)消隙驅(qū)動等措施的組合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高精度天線測量轉(zhuǎn)臺設(shè)計，很好地滿足了某Ka波段通信天線遠(yuǎn)場測量的需求。該研究內(nèi)容和方法可為類似產(chǎn)品的設(shè)計提供重要參考。