朱興明，蔣 飛，許遠(yuǎn)標(biāo)，張凱強(qiáng)，汪浩洋

（上海機(jī)電工程研究所，上海 201109）

0 引言

飛行器雷達(dá)導(dǎo)引頭是其實(shí)現(xiàn)精確制導(dǎo)的基礎(chǔ)部件，具備探測(cè)、制導(dǎo)和控制等功能。其功能、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了保證雷達(dá)導(dǎo)引頭在飛行器執(zhí)行任務(wù)過程中正常工作，需要對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭進(jìn)行多次測(cè)試。微波暗箱是飛行器雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)試的輔助設(shè)備，作用是在進(jìn)行飛行器導(dǎo)引頭測(cè)試時(shí)，屏蔽導(dǎo)引頭高頻信號(hào)的對(duì)外輻射以及環(huán)境噪聲干擾，同時(shí)通過微波暗箱內(nèi)部的天線收發(fā)回波信號(hào)，對(duì)導(dǎo)引頭的收發(fā)性能以及航向跟蹤穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)試等。由于飛行器的結(jié)構(gòu)與直徑不同，傳統(tǒng)的微波暗箱設(shè)計(jì)方案則根據(jù)不同的飛行器設(shè)計(jì)專用的微波暗箱，導(dǎo)致微波暗箱復(fù)用性較低，測(cè)試研制成本較高，并且暗箱支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不便于移動(dòng)和調(diào)節(jié)。因此，有必要設(shè)計(jì)一款微波暗箱以提高微波暗箱的復(fù)用性和可操作性，降低研制成本。

傳統(tǒng)測(cè)試用微波暗箱已不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，本文引入模塊化設(shè)計(jì)思想，在暗箱設(shè)計(jì)過程中采用模塊化技術(shù)，以模塊間的通用性和互換性為基礎(chǔ)，以工裝的通用性為目標(biāo)，結(jié)合數(shù)字化裝配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，縮短工裝準(zhǔn)備周期，降低工裝制造成本，大幅度提高裝配生產(chǎn)能力，有助于對(duì)新品飛行器雷達(dá)導(dǎo)引頭的測(cè)試做出快速反應(yīng)，提高測(cè)試裝置的可操作性和測(cè)試效率，以滿足日益增長(zhǎng)的飛行器雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)試需求。

1 模塊化設(shè)計(jì)方法

模塊化設(shè)計(jì)是一種自頂向下的設(shè)計(jì)方法，是指對(duì)一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析、劃分，并設(shè)計(jì)一系列通用、專用模塊組成不同的產(chǎn)品，以滿足市場(chǎng)的不同需求的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。工裝的模塊化設(shè)計(jì)是在同一定位平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)系列化、通用化，達(dá)到不同零件只需更換部分定位、夾緊元件。工裝本體通用的原則，能夠極大地提高工裝設(shè)計(jì)效率，降低制造成本，縮短工裝準(zhǔn)備時(shí)間。

工裝模塊化設(shè)計(jì)原則是在力求滿足要求的基礎(chǔ)上，使模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，模塊劃分的好壞直接影響工裝模塊化設(shè)計(jì)的成功或失敗。工裝模塊化設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。工裝設(shè)計(jì)員在新工裝設(shè)計(jì)之前可根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能需求，評(píng)估工裝模塊化的可行性，確定是否能進(jìn)行工裝模塊化設(shè)計(jì)；確定模塊化設(shè)計(jì)方案后，利用三維建模軟件進(jìn)行工裝專用模塊設(shè)計(jì)、通用模塊設(shè)計(jì)和工裝模塊組裝，并進(jìn)行功能性分析，最后輸出工裝設(shè)計(jì)圖及產(chǎn)品。

圖1 工裝模塊化設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Modular design flow chart of tooling

2 復(fù)用型微波暗箱設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 復(fù)用型微波暗箱需求分析

為了適應(yīng)多種飛行器雷達(dá)導(dǎo)引頭的測(cè)試需求，復(fù)用型微波暗箱應(yīng)具備以下功能：

1）復(fù)用型微波暗箱包含暗箱箱體和箱體移動(dòng)機(jī)構(gòu)，二者可拆卸作為獨(dú)立設(shè)備。

2）暗箱內(nèi)壁應(yīng)敷設(shè)角錐形吸收材料，具備微波信號(hào)的吸收要求。

3）暗箱后端面中心固定回波饋源天線，天線可調(diào)整。

4）導(dǎo)引頭上架結(jié)束后，暗箱移動(dòng)到位應(yīng)有鎖定裝置。

5）暗箱支架的高度要保證暗箱中心軸線離地高度可調(diào)節(jié)。支架底部安裝滾輪，擺放到位后應(yīng)可放下?lián)文_定位。

6）暗箱箱體前后可相對(duì)支架前后移動(dòng)，在移動(dòng)的范圍內(nèi)，可以在任一位置鎖緊，防止暗桶在干擾的力作用下前后移動(dòng)。

7）暗箱應(yīng)有措施保證暗箱處于水平狀態(tài)，可以通過調(diào)平裝置，使得暗箱處于水平狀態(tài)，并設(shè)有軸向與橫向水平指示裝置。

8）除滿足導(dǎo)引頭在水平狀態(tài)的測(cè)試需求外，還需滿足導(dǎo)引頭處于豎直狀態(tài)的測(cè)試需求。

9）有零件表面光滑無毛刺，銳角倒鈍。

2.2 微波暗箱箱體設(shè)計(jì)

2.2.1 暗箱箱體組成

微波暗箱主要由屏蔽結(jié)構(gòu)、吸波材料、被試設(shè)備屏蔽窗、喇叭天線及同軸電纜、線纜屏蔽貫穿口、天線機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置等組成，微波暗箱結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。

圖2 微波暗箱結(jié)構(gòu)組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure composition of the microwave darkbox

2.2.2 微波暗箱箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微波暗箱主體結(jié)構(gòu)鋼制屏蔽箱體，暗箱屏蔽箱體由屏蔽層和網(wǎng)格框架焊接組成，網(wǎng)格框架主要保證屏蔽層具備足夠的剛性。屏蔽箱采用1.5mm 厚冷軋鋼板通過氬弧焊工藝進(jìn)行屏蔽焊接，屏蔽層焊接完畢后放至于網(wǎng)格框架內(nèi)并與網(wǎng)格框架點(diǎn)焊牢固。屏蔽箱體兩端開口各焊接一個(gè)4mm厚鋼制圓形法蘭，屏蔽箱體的前后端蓋板通過法蘭螺栓連接在箱體法蘭上。

網(wǎng)格框架采用薄壁型鋼結(jié)構(gòu)焊接，便于在保證箱體剛性的同時(shí)，能夠最大程度減輕箱體重量。

在微波段，屏蔽鋼板的屏效主要跟材質(zhì)有關(guān)，采用1.5mm 厚的屏蔽鋼板主要考慮的是低含碳量和良好的焊接性能，鋼板厚度減薄后其加工變形將會(huì)變大。1.5mm 厚的屏蔽鋼板冷彎加工、工藝焊接后暗箱表面的平整度可以保證，屏蔽鋼板的剛度和強(qiáng)度適合作為吸波材料和其他附屬設(shè)備和系統(tǒng)的安裝載體，局部也進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

屏蔽箱體側(cè)面安裝有一只小型暗箱，用于天線機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置的控制線纜貫穿暗箱殼體用；小型暗箱的上方另外安裝一只硬波導(dǎo)貫穿屏蔽殼體，波導(dǎo)外側(cè)固定一只波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換接頭，用于暗箱內(nèi)天線收發(fā)鏈路的輸入和輸出，用戶可以通過手動(dòng)操作切換信號(hào)源和接收設(shè)備連接。

微波暗箱外表面安裝有水平顯示儀（箱體側(cè)面）和激光發(fā)射器（箱體上方）。暗箱側(cè)面設(shè)置水平顯示儀，能夠判斷暗箱整體的水平度；被試品伸入暗箱后，打開暗箱上的激光發(fā)射器。該激光線與暗箱中心線平行，這樣可以通過該指示調(diào)整被試品的中軸線與暗箱中軸線重合，避免被試品偏軸現(xiàn)象的發(fā)生。

箱體結(jié)構(gòu)兩側(cè)各安裝3 只鋼制把手，用于微波暗箱的起吊、搬運(yùn)。激光發(fā)射器與鋼制把手如圖3 所示。

圖3 激光發(fā)射器與鋼制把手示意圖Fig.3 Schematic diagram of laser transmitter and steel handle

圖4 圓形屏蔽窗結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of circular shielding window structure

2.2.3 吸波材料設(shè)計(jì)

微波暗箱內(nèi)壁安裝聚氨酯角錐吸波材料。吸波材料采用聚氨酯泡沫角錐，外形結(jié)構(gòu)美觀，尺寸準(zhǔn)確，無粉塵脫落，無吸潮變色現(xiàn)象。其耐功率性能能夠接收2000W、占空比20%的大功率信號(hào)，并能保持至少3min 不因過熱而燒毀。阻燃性能達(dá)到國(guó)家B2 級(jí)材料標(biāo)準(zhǔn)要求，氧指數(shù)≥28%，滿足NRL 8093 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.4 屏蔽裝置設(shè)計(jì)

微波暗箱前端為被試設(shè)備屏蔽窗，采用金屬屏蔽層加吸波材料的方法進(jìn)行屏蔽吸波處理。為了匹配不同被試設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，將屏蔽窗設(shè)計(jì)為可更換結(jié)構(gòu)：暗箱前端預(yù)留固定式圓形屏蔽窗，內(nèi)部粘貼一層高吸波材料；根據(jù)被試設(shè)備的頭罩的詳細(xì)尺寸設(shè)計(jì)可更換屏蔽窗，試驗(yàn)時(shí)可更換屏蔽窗一端嵌套在圓形屏蔽窗外，另一端與被試設(shè)備相連。

2.2.5 天線控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分組成。天線機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置是一個(gè)二維電動(dòng)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)喇叭天線在水平和垂直兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置X軸兩端底座與暗箱側(cè)壁通過轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)過渡（安裝底座），螺釘連接。

天線機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒形帶加直線導(dǎo)軌方案，主要包括伺服電機(jī)（自帶光學(xué)碼盤）、行星減速器、齒形帶、直線導(dǎo)軌（雙導(dǎo)軌）、無觸點(diǎn)開關(guān)等結(jié)構(gòu)單元。天線機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置端面提供天線安裝接口，為了減小天線機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置金屬表面對(duì)暗箱靜區(qū)性能的影響，在天線機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置表面（除導(dǎo)軌部分外）包裹粘貼吸波材料，包裹吸波材料區(qū)域如圖5 藍(lán)色部分所示。

圖5 天線機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置吸波材料布局圖Fig.5 Layout of absorbing materials for antenna mechanical motion device

2.3 微波暗箱移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 暗箱移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成

暗箱移動(dòng)機(jī)構(gòu)由底盤、電動(dòng)升降系統(tǒng)、水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、滾輪、升降控制機(jī)箱、調(diào)平機(jī)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)等組成，暗箱移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成如圖6 所示。

圖6 暗箱移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成圖Fig.6 Composition diagram of the dark box moving mechanism

2.3.2 升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)暗箱結(jié)構(gòu)在高度上的運(yùn)動(dòng)與調(diào)整，設(shè)置電動(dòng)升降系統(tǒng)。電動(dòng)升降系統(tǒng)由升降機(jī)構(gòu)及升降控制機(jī)箱組成。

電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)由4 個(gè)同步升降電動(dòng)缸、聯(lián)軸器、減速器、安川伺服電機(jī)等組成。電動(dòng)缸具有傳動(dòng)效率高，節(jié)能環(huán)保，超長(zhǎng)壽命，定位精度高，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)可靠，不會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間停放后緩降的現(xiàn)象。暗箱運(yùn)輸時(shí)，需要將電動(dòng)缸停在最低位置以免碰撞損壞。每只電動(dòng)缸升降桿能承載最大垂直力不小于250kg。升降控制系統(tǒng)集成于一只3U 控制機(jī)箱內(nèi)，機(jī)箱安裝在小車底盤上，便于控制系統(tǒng)的檢修、維護(hù)。升降控制系統(tǒng)能夠通過上位機(jī)自動(dòng)或手動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)暗箱的升降運(yùn)動(dòng)，并能通過伺服電機(jī)的反饋實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)位置。

2.3.3 水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是為了實(shí)現(xiàn)暗箱的整體平移，在底盤滾輪鎖死后能夠?qū)崿F(xiàn)暗箱整體可在安裝面上水平滑動(dòng)（前后方向）。水平機(jī)構(gòu)安裝在升降桿機(jī)構(gòu)的上方，并通過螺釘可靠連接。

水平運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)由框架、直線導(dǎo)軌、滑塊、鎖緊結(jié)構(gòu)、限位塊、支撐結(jié)構(gòu)等組成。

框架由兩根矩形鋼管及5 根橫梁焊接而成，對(duì)微波暗箱起到支撐作用并直接支撐直線導(dǎo)軌；框架兩端安裝限位塊，限制暗箱的水平移動(dòng)；直線導(dǎo)軌由鋁制托架及鍍鉻光軸組成，導(dǎo)軌兩端分別設(shè)置限位塊，對(duì)滑塊的水平運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行限制；滑塊選用TBR 型滑塊（型號(hào)HGH 15CA），用于連接暗箱底部的法蘭；滑塊上設(shè)置有手動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)，滾花結(jié)構(gòu)鎖緊螺釘采用手動(dòng)操作便于快速鎖緊、放松操作。

2.3.4 底盤與滾輪設(shè)計(jì)

底盤為暗箱系統(tǒng)提供重量支撐，同時(shí)為天線控制機(jī)箱及電動(dòng)升降控制機(jī)箱等提供安裝空間。

支架底部安裝環(huán)球牌滾輪4 只，滾輪選用兩只萬向腳輪，兩只定向腳輪，萬向腳輪安裝在微波暗箱后部，并帶剎車結(jié)構(gòu)。底盤四角設(shè)置手動(dòng)調(diào)平裝置，通過工具調(diào)整能夠?qū)Π迪涞乃蕉冗M(jìn)行微調(diào)。

4 只調(diào)平支腿的頂面為六邊形機(jī)構(gòu)，需要進(jìn)行調(diào)平操作時(shí)，用戶只需要利用隨機(jī)配置的棘輪扳手連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)支腿，就可以很方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)平功能。

2.4 微波暗箱整體設(shè)計(jì)

完成專業(yè)模塊微波暗箱箱體和通用模塊微波暗箱移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)后組裝成一個(gè)整體，如圖7 所示，暗箱箱體和暗箱移動(dòng)機(jī)構(gòu)作為兩個(gè)獨(dú)立設(shè)備可分別使用，提高暗箱的復(fù)用性。

圖7 暗箱整體組裝示意圖Fig.7 Schematic diagram of the overall assembly of the dark box

在使用過程中，微波暗箱需要經(jīng)常地轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸?？紤]到系統(tǒng)分體運(yùn)輸拆裝不便，且安裝時(shí)重復(fù)定位將對(duì)安裝位置造成誤差，因此采用一體運(yùn)輸方案。運(yùn)輸時(shí)，首先將電動(dòng)升降裝置降到最低位置，然后將微波暗箱箱體移動(dòng)到水平導(dǎo)航中部并通過4 個(gè)滑塊上的鎖緊裝置將其水平位置鎖緊，最后通過叉車或者吊車將整個(gè)暗箱箱體移動(dòng)到運(yùn)輸平臺(tái)上，調(diào)節(jié)4 套調(diào)平機(jī)構(gòu)支腿及4 套支撐機(jī)構(gòu)支腿，使其均勻平穩(wěn)地與運(yùn)輸平臺(tái)相接觸。

本暗箱的天線機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置的選型已經(jīng)考慮了長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)男巫兒蛣傂詥栴}，長(zhǎng)距離公路運(yùn)輸不會(huì)造成傷害，二維機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)具備內(nèi)部自鎖能力。

3 應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證復(fù)用型微波暗箱使用效果，選用某型號(hào)飛行器雷達(dá)導(dǎo)引頭按照正式流程分別采用傳統(tǒng)微波暗箱和復(fù)用型微波暗箱進(jìn)行了應(yīng)用對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 測(cè)試效率提升情況Table 1 Improvement of testing efficiency

由表1 可知，使用復(fù)用型微波暗箱進(jìn)行測(cè)試后，效率得到大幅提升，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間由原來的20min 縮短至8min，時(shí)間節(jié)約近60%，測(cè)試項(xiàng)目消耗時(shí)間由原來的10min 縮短至6min，效率提升40%。

每年生產(chǎn)多種飛行器產(chǎn)品，按照傳統(tǒng)微波暗箱設(shè)計(jì)方案則要對(duì)應(yīng)生產(chǎn)A 套微波暗箱，采用本文設(shè)計(jì)的復(fù)用型微波暗箱則可兼用多種飛行器產(chǎn)品，則每年可大幅度降低經(jīng)濟(jì)成本。

4 結(jié)束語

通過微波暗箱裝置的模塊化設(shè)計(jì)，探索在保證工裝設(shè)計(jì)滿足使用要求的前提下，考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相似、部件相似或相同等特點(diǎn)，利用模塊化技術(shù)實(shí)現(xiàn)工裝的通用性要求，減少工裝制造成本。通過實(shí)際應(yīng)用表明，本文所設(shè)計(jì)的復(fù)用型微波暗箱可提升效率約40%，操作性高，復(fù)用性強(qiáng)，能夠滿足日益增長(zhǎng)的型號(hào)批產(chǎn)總裝測(cè)試需求，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。