一种大型紧缩场极坐标测试扫描架系统的设计与实现

吴翔 何鑫 寇鹏 任涛

（北京无线电计量测试研究所，北京 100039）

1引言

紧缩场是以反射面原理构成的、缩短了测试距离的天线测试场，采用一个、两个或更多的反射面将馈源辐射的球面波在较近距离上变换为平面波。扫描架是用于测量紧缩场微波或毫米波平面度的专用设备。而紧缩场面临的一个关键技术问题是其性能的检测，这就需要高精度的扫描架，而在具有大尺寸静区的大型紧缩场测量中，这一问题更为突出［1］。

北京航空航天大学樊锐等研制过直径4500mm、中心高7100mm的扫描架［2］，调整后平面度可达0.08mm，直线度0.05mm，该扫描架只能在静区中心高度约7m，静区截面约5m的紧缩场检测使用，适应性较差。北京林业大学张厚江和北京航空航天大学樊锐等人在2005年研制了一种高精度直角坐标扫描架［3］，行程为2000mm×2000mm，来波方向平面度在补偿后达到0.04mm。中航工业北京长城计量测试技术研究所曹铁泽等人在2015年研制了一种基于圆柱筒支撑的紧缩场极坐标测试扫描系统［4］，扫描直径达到3500mm，最大中心高可达8m，带有来波方向的激光平面补偿装置，补偿后平面度达到0.04mm，该扫描架为提高刚性采用了主极化轴不完全旋转的方式。

以上扫描架平面度补偿均采用半实时的方式，北京航空航天大学樊锐等先将各测试点补偿值预存于系统中［3］，测试中在天线到达测试点时利用微调机构进行补偿，缺点是预存的数据在设备反复拆装后不能一直保证准确性；北京长城计量测试技术研究所曹铁泽等通过分别测试扫描架各测试点的位置偏差和微波信号数据得到补偿量［4］，待测试完成后通过软件方法进行补偿，缺点在于补偿结果为二次处理，现场计量校准时效率较低、便利性较差，且因将激光发射器安装于设备本体上，不能保证激光扫描平面与紧缩场静区的相对位置保持不变。

此外，还有一个普遍的需求是在紧缩场测试中需要测量多个截面，意味着扫描架需要具有前后位置平移的功能。综上，在紧缩场测试的领域内暂时还没有能够实现大承载能力、大范围、高精度、可移动的现场扫描架测试系统。

2 大型紧缩场极坐标扫描架系统设计

2.1 总体设计

为实现对国内现有多数紧缩场进行现场计量校准，结合上述现有研究存在的问题，需要设计一种具有大扫描范围、高精度（实现可达0.05mm的平面度扫描）、多种安装方式、具有平面度补偿，同时便于储运和安装的扫描架系统。为此，本文设计了一种大尺寸的模块化扫描架系统，具备直线扫描机构、主极化扫描机构（直线扫描机构整体旋转）、天线极化扫描机构、天线进给补偿机构、方位调整机构、俯仰调整机构、组合式安装支撑系统、液压调平装置、整体平移机构、激光平面补偿装置，扫描架系统整体效果如图1所示。

为实现0.05mm的平面度扫描需求，仅靠结构优化设计提高刚性和机械加工装调提高精度是不足以完全保证的，尤其是极坐标旋转这样的变载荷工况下运行的扫描架，因此在天线安装法兰面上固定激光平面仪靶标组件，将其作为位置反馈是保证平面度的一种有效方法。在该扫描架中靶标组件上呈90°安装两个激光靶标，使得主极化旋转过程中至少一个靶标的激光感应面处于激光发生器的有效感应范围内。平面度测量设备的工作原理如下：固定于专用高精度支架的激光发生器旋转产生一个激光平面，位于扫描架上的靶标接收到激光后通过光学成像系统实时检测其偏移量，并将偏移量反馈至控制系统，控制系统根据反馈值控制进给补偿模块运动，从而实现平面度实时补偿，如图2所示。

由于扫描架采用半径式极坐标扫描形式，其直线扫描机构位于旋转轴心的一侧，并且由于大尺寸和高精度造成重量较大，会对支柱产生较大的倾覆力矩，同时倾覆力矩会随其旋转而变化，引起支柱的变形而增大测量误差，因此在直线扫描机构对称位置布置一个配重调整机构进行配重以消除倾覆力矩，同时可提高安全性。

扫描架支撑结构主要由主支撑标准节及辅助支撑节组成，用于对上述所有设备提供稳定的结构支撑，以使其完成所需的运动，对扫描架系统的安装和使用便利性起决定性作用。扫描架系统可实现的典型安装模式如图3所示。

2.2 各功能模块设计

天线部件在结构上采用一体化设计，主要完成直线运动、天线极化旋转以及天线（含靶标）的进给补偿运动，是扫描架系统的关键运动组件，如图4所示。天线极化模块作为天线的承载结构和驱动单元位于该组件的结构及运动末端，通过天线极化转台的壳体安装在天线极化模块法兰上。

天线极化模块由转台壳体、蜗轮蜗杆副、旋转轴系、圆光栅、蜗杆轴系、同步带组件、行星减速机和交流伺服电机组成，如图5所示。主轴采用法兰型精密交叉滚子轴承作为支撑，以最大限度减少轴向尺寸同时不降低轴向及径向刚度，驱动副采用变导程消隙蜗轮蜗杆传动降低反向间隙，解决末端传动间隙给整个传动系统精度带来的影响。为降低该模块在来波方向的投影面积，充分利用蜗杆镜像位置的空间，采用同步带传动作为换向机构，使电机及行星减速机可安装在转台壳体投影面内。

天线（含靶标）进给补偿模块主要由滚珠丝杠副、导轨滑块组件、进给作用桶、安装固定桶、同步带组件、驱动电机减速机组件以及附件等组成。在功能上主要是与平面度测量设备及控制设备一同完成天线平面的平面度补偿动作，结构形式如图6所示。

直线运动模块由运动滑块组件及支撑框架等组成，其中支撑框架为运动部件提供结构支撑、运动副所需的直线导轨安装平面以及主旋转运动所需安装法兰，其加工和装配精度和刚性决定了直线运动中的直线度指标。由于安装空间的限制，选用消隙圆柱滚子齿圈齿条作为驱动执行机构，该驱动副横截面纵向尺寸小，安装较为灵活，工作时由具有自锁功能的蜗轮蜗杆减速机将电机动力输出传递至消隙齿圈，驱动其在齿条上带动天线部件进行直线运动。直线运动模块如图7所示。

支撑框架总长为3600mm，直线导轨采用两根1800mm的超高精度滚珠直线导轨拼接而成。因系统具有半径式扫描和直径式扫描两种形式，在直线扫描机构框架上设计双法兰，如图8所示，以适应不同使用方式。

考虑到天线部件的轴向尺寸和整体重量，按传统将其布置在支撑框架前端面（来波方向）需要将天线部件架空以避让吸波材料，这样会对框架产生较大偏载力矩从而加大扭转变形。经权衡，采用偏置式布局，将天线部件安装在支撑框架的上方，同时主旋转安装法兰也偏置安装，两个轴心偏置距离一致，以保证在主旋转过程中直线运动始终沿极径运动。

直线运动采用HIWIN超高精密级直线导轨作为运动机构，安装精度要求为0.015mm，在3500mm有效行程上滑块端面相对于导轨安装基准面的平行度为0.012mm。

直线扫描机构基座采用多种截面规格的矩形钢管及钢板焊接成形，经校正及人工时效后整体铣削导轨安装面。铣削加工精度等级可达6级，对应3600mm导轨长度的直线度（来波方向平面度）为0.06mm［5］，尚未达到要求，因此加工完成后需要在装调中对直线度进行校正。在实际装调中采用激光平面仪辅助，通过装调技术将导轨在来波方向的平面度调整至全行程0.02mm。因装调中直线支撑框架静置在大理石平台上无受载变形，实际分析时需将力学仿真中的变形量叠加至该精度指标。通过计算，在直径安装方式下可以满足0.05mm的要求，而半径式安装超出0.05mm的要求，因此进行平面度补偿是正确的选择。该支撑结构的刚性对精度贡献极大，因此其结构设计至关重要，在确定了最大尺寸包络和结构布局等约束条件下，在详细设计时进行了多轮仿真如图9所示，限于篇幅将对该结构的仿真优化单独进行讨论。

主极化模块主要由基座壳体、旋转法兰、驱动齿轮副、圆光栅组件、轴承、蜗轮蜗杆减速机、电机以及同步带换向组件等组成。旋转法兰共有2件，通过转台轴承固定在旋转基座壳体上，直线扫描机构及配重扫描机构分别固定在前旋转法兰和后旋转法兰端面。旋转运动由具有自锁功能的蜗轮蜗杆副传动，电机驱动同步带带动蜗杆转动，蜗杆驱动蜗轮进而带动主轴旋转。对扭转刚性的高要求致使法兰直径较大，需要采用装有钢栅尺的一体式转台轴承，具备轴承承载与位置反馈功能，形成闭环控制，如图10所示。

方位调整模块安装于主旋转模块下方，采用铸造铝合金壳体作为主承载部件，使用单盘大直径交叉滚子轴承作为方位旋转运动副。驱动方式选用三级复合传动形式，初级为行星减速机，二级为同步带传动，末级为具有自锁功能的变导程消隙蜗轮蜗杆副。在方位旋转主轴末端安装圆光栅作为位置反馈，如图11所示。

俯仰调整模块安装在立柱标准节下方，以避免俯仰调整过程中产生的直线扫描机构与立柱标准节正面粘贴的吸波材料在旋转中的干涉。俯仰调整机构采用U型支撑结构，并对支撑框架进行拓扑优化设计。因输出扭矩极大（约20000Nm），因此采用4级复合传动，初级行星减速机，二级同步带，三级为具有自锁功能的蜗轮蜗杆减速机，末级为非完整齿轮传动，如图12所示。为提高使用安全性，使用具有抱死功能的驱动电机，使动力环节实现安全性冗余设计，在俯仰向调整至所需角度后可断电锁死该运动副。

扫描架支撑结构主要由主支撑标准节及底支撑座（底支撑座1模块及底支撑座2等）组成，用于所有运动部件的支撑和安装。主支撑标准节外形尺寸800mm×800mm×1000mm，采用矩形管及钢板焊接成形，焊后加工安装对接法兰，并在顶部设置可拆卸吊耳，上下法兰所有机械接口保持一致，作为纵向安装零部件的接口标准，以利于设备分模块安装，如图13所示。

底支撑座模块位于扫描架最底部，因扫描架支撑结构与暗室地面无固定，为提高稳定性以及解决分部件安装过程中所产生的倾覆力矩造成的影响，需要在主支撑周向安装辅助支撑进行加固。底支撑座模块包括底支撑座1、底支撑座2、斜支撑、液压缸及支撑脚轮等。底支撑座1和底支撑座2是主要承载部件，外形尺寸约为1850mm×1850mm×1950mm，采用钢结构焊接成型，主体材料为钢质型材（工字钢、槽钢、矩形管等）和钢板；斜支撑用于平衡倾覆力矩，主要采用矩形钢管焊接成型；液压缸安装在底支撑座四角，用于扫描架整体的支撑（采用中央控制器以保证同步工作）；支撑脚轮共有8件，安装在底支撑座1的底部，如图14所示。

底直线移动模块安放在底支撑座模块下部空档内，用于支撑扫描架整体前后移动。底直线移动模块顶部安装滚珠直线导轨滑块组作为运动部件，总高度略小于液压缸举升高度，两端安装可收放的脚轮，在液压缸升起时（扫描架工作状态）由人工推送至底支撑座1底部空档内，将滑块固定在底支撑座的安装孔位上，收起底直线移动模块两端移动脚轮，然后收起液压缸，使得底直线移动模块底部着地，推动扫描架在底直线移动模块上进行移动。由于尺寸及重量的限制，底直线移动模块长度约为3250mm，采用长度为3200mm的滚珠直线导轨，单次移动距离约为1.3m。在需要较大距离移动时，重复上述过程即可，如图15所示。

2.3 储运及安装设计

大型紧缩场测试扫描架属于大型现场型设备，储运和现场安装均是设计边界条件，用于确定设备最大外形包络、重心位置、搬运点等，并以此进行模块分解，作为各模块的详细设计依据。根据调研，国内大部分暗室配备有天车，最小起吊重量约为500kg，因此单个功能模块以500kg为标准设计。底支撑座模块作为非吊装部件可采用堆高车或叉车进行安装。位于2m以上高空位置的模块安装使用小型高空作业平台进行，操作平台高度8m，工作高度10m，考虑到该设备对扫描架总体安装意义重大，因此在总体设计时进行可安装性分析，如图16和图17所示。

该扫描架系统在储存和转场运输上面临起重吊装困难、运输转移困难等大型设备特有的问题，需要在总体设计时以最大外形包络进行贮运设计，确保扫描架系统打包后可装入两个尺寸为20in×8in×9.5in（内部尺寸5898mm×2350mm× 2695mm）的6m标准尺寸集装箱中。集装箱具备标准接口，可满足车载运输、吊装、海运等需求，具有防水能力，是储运大型设备的理想选择，同时定制前后双门结构，便于装卸。考虑到设备的精度极高，安装法兰多为外露型接口，运动模块采用独立包装箱设计，以保证安装基准面在运输过程中受到有效保护。立柱标准节以及辅助支撑节等非运动结构，采用简易包装保护安装法兰的设计以降低成本，如图18所示。

3 关键技术指标的测试

在扫描架设计加工完成后进行总装和功能调试，对主要技术指标采用徕卡AT902激光跟踪仪进行测试。其中，最关键的技术指标为天线法兰运行平面度0.05mm。如图19至21所示。

在测试中开启激光平面发射器，形成基准参考平面，补偿系统实时读取位置敏感探测器PSD感应区零位与基准参考平面的位置偏差，对扫描架平面度进行补偿。完成后测量关闭该补偿系统下的平面度，以进行对比，结果如图22和图23所示。

经专业计量单位现场检测后，扫描架沿来波方向扫描臂直线度分量峰峰值优于0.058mm，扫描面在完整的360°极化平面上平面度RMS值0.048mm。检测数据见表1。

表1 扫描架平面度指标检测结果（部分）

4 结束语

本文介绍了一种大型紧缩场极坐标测试扫描架的设计，该扫描架具备大扫描行程、便于储运、可实现多种模式的安装，具有适应性强、高精度、大测量范围等优势。测试结果表明关键的平面度技术指标在总体及各功能模块优化设计和精细装配的基础上，通过激光平面补偿系统的实时补偿，可将误差控制在0.048mm以内，同时总装调过程安全性高、便利程度好，可适用于国内多数紧缩场的现场计量校准工作，具有巨大的应用前景。

［1］ 戴晴，黄纪军，莫锦军.现代微波与天线测量技术［M］.北京：电子工业出版社，2008，28（1）：196-200.

［2］ 胡春华，樊锐，陈五一.紧缩平面场扫描架系统研制［J］.北京航空航天大学学报，2002，2.

［3］ 张厚江，樊锐，陈五一.高精度紧缩场扫描架的研制［J］.机械设计与制造.2005，9.

［4］ 曹铁泽，孙安斌，王继虎.基于圆柱筒支撑紧缩场极坐标测试扫描系统的研制［J］.新技术新仪器，2014，34（4）：11-13.

［5］ 机械设计手册编委会.机械设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2007.