高精度结构电子零位记忆装置设计

张乐 王莹 王萍 毛南平

摘  要：测角精度作为雷达天线等武器装备的一项重要指标，发生故障是致命的，测角零值重新快速并精确标定显得尤为重要。文章提出并设计一款高精度结构电子零位记忆装置，通过高精度数控机床加工结构件，结合电子显微镜及测量软件的高精度测量，实现测角零值标定。对比以往刻线式、接近开关式、光电式零位记忆装置，其优点为精度高、可靠性高，可直接通过人机交互界面完成测角零值标定。

关键词：测角精度;零位记忆;健康管理;测量软件应用

中图分类号：TP319;TN956      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）05-0125-04

Design of Electronic Delta Neutral Recollection Installation with

High Precision Structure

ZHANG Le，WANG Ying，WANG Ping，MAO Nanping

（The 39th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Xian  710065，China）

Abstract：As an important index of weapon equipments such as radar antenna，it is fatal that the angle accuracy fails. It is particularly important to re-calibrate zero value of angle measurement quickly and accurately. This paper proposes and designs a electronic delta neutral recollection installation with high precision structure，through the high-precision CNC machine tools machining structural parts，combined with the high-precision measurement of electron microscope and measurement software，the zero value calibration of angle measurement is realized. Compared with the previous delta neutral recollection installations，such as scribed line type，proximity switch type and photoelectric type，it has the advantages of high precision and high reliability，and can directly complete the zero value calibration of angle measurement through human-computer interaction interface.

Keywords：angle accuracy;delta neutral recollection;health management;measuring software application

0  引  言

未来战场上或测控领域中，装备维修保障工作十分重要，因此要求其具备保障空间范围广、保障任务重、保障时间短但时效性强等特点[1]。应对武器装备出现突发故障，除了根据以往故障经验增设备品备件外，还需对测试测量等指标予以管理。

测角设备是当今武器装备的核心部件，主要应用机械、光学、电磁分度技术，其中光学式包括光学分度头测角、多面棱体测角、圆光栅测角、光电角编码器测角、环形激光器测角、光波干涉测角;电磁测角技术包括电磁栅测角、感应同步器测角等。以上设备造价高、制造周期长，备品备件增设较为困难，因此一旦发生故障重新标定显得十分重要。如测角精度作为雷达天线等武器装备一项重要指标，在测角设备发生故障时需重新标定零值。

零值误差是针对方位角误差和俯仰角误差而言的，方位角误差是指方位编码零值偏离大地北或天文北的角度值，它与编码精度、结构累计误差等有关，可通过正倒镜拍摄大地北或天文北方位标来确定。俯仰角零位误差是指设备高低编码的零位偏离水平方向的角度值，零位误差由编码精度等误差决定，也是通过正倒镜拍摄水平方向目标测定[2]。

以往针对此故障，装备保障管理长期主要采用动、静刻度盘人眼检测来实现零值标定，此标定方法误差来源主要为人眼视角误差、刻度盘刻线误差，其中以人眼误差较大导致零值精度较低。较早期还有一种机械式测角技术，该技术通过引入多齿分度盘差动技术，将两个齿数相等、模数相同的齿盘啮合，产生“平均效应”，使得分度准确度大大提高[3]，此种方法虽可通过精密加工保证齿轮精度，但依然引入传动误差，分度盘安装在离被测回转中心越远处精度越高，但传动件直径也越大，进而累积误差总体变大。

随着雷达天线等武器装备信息化、网络化建设的不断推进，引入光电技术通过OMRON E2E-X5ME2接近开关来实现零值标定[4]。此种标定消除了人眼视角带来的误差，可一旦接近开关移位或损坏需更换，零位記忆装置则失效，失去武器装备管理意义。

因此，还需提出一种既能消除人眼误差，同时还需保障其可靠性的设计。

1  设计思路及过程

结合以往设备设计经验，通过引入高精度结构件作为基座，实现机械位置定位及重复性使用;引入电子显微镜实现人眼视角误差消除。

结构组成：高精度零位记忆装置由结构件和数据采集处理两部分组成。零位机构由8部分组成，其结构组成具体如图1所示。

零位装置结构精度分析：图1中零位装置轴线需安装在离被测回转体最远端，提高零值复位精度，件2内孔与件3采用基孔制配合，加工精度等级要求不小于IT5，件2与座架体练级固定好后需通过定位锥销保证其重复精度。

电子显微镜采用电路板检测所用数码显微镜，其放大倍数约为50倍，此倍数对于测量机械刻线并计算零值误差完全足够。由电子显微镜通过数据采集处理[5]采集刻线图像传输至电脑上，通过测量软件像素距离换算得出动、静两刻度刻线相对位移量，并进行计算得出零位记忆装置误差值。

2   结构工作原理及设备自身精度计算

2.1  方位零位装置结构工作原理

方位零位装置结构由电子显微镜支架、静刻线、动刻线、电子显微镜等组成[6]，方位零位装置安装位置定在方位回转轴承旁，即离方位轴最远距离可提高其测量精度，电子显微镜支架和静刻线与方位底座连接，动刻线与方位回转轴承转子连接，将电子显微镜放至支架孔内，USB端连接电脑并打开测量软件和电子显微镜电源，手动调整电子显微镜焦距至合适清晰位置后，转动方位，通过电脑显示控制方位角度，保证动刻线与静刻线某一刻线对齐，用测量软件量取已标记刻线距离，并通过像素（分辨率）转换计算出动静刻线实际真实距离，此距离作为方位角零值。

2.2  俯仰零位装置结构工作原理

俯仰零位装置结构由电子显微镜安装筒、精密导向套、固定座、动刻线、静刻线等组成，俯仰零位装置安装位置定在俯仰齿弧处，即离俯仰轴相对较远处可提高其测量精度，电子显微镜安装筒用来放置电子显微镜，将安装筒与精密导向套连接并用三向顶丝将其固定，起俯仰零位记忆作用，电子显微镜连接电脑并打开测量软件，调整电子显微镜焦距至合适清晰位置后，转动俯仰，通过电脑显示控制俯仰角度，保证俯仰动刻线与静刻线某一刻线对齐，用测量软件量取已标记刻线距离，并通过像素（分辨率）转换计算出动静刻线实际真实距离，此距离作为俯仰角零值。

2.3  实际操作过程

按图1将各部件装配。零位装置工作时，拧下件1螺帽;件2基座加工有精密导向键槽，与配作法兰座相连;件3径向调节轴加工有精密导向键，放置于件2键槽内可轴向移动;件5多向可调筒端面安装有件8静刻度盘，放置于件3内可轴向移动、旋转;件4顶丝定位件5用;件7动刻度盘安装在被测体上，件7、件8最小刻度为0.5 mm。以上部件装配完后，将件6电子显微镜放于件5内调节其焦距采集刻度图像，数据线端通过USB转换插头连人机交互界面，并安装好测量软件。

被测体零位误差指物体在转动至某个角度时实测角度与理论角度的差值。旋转被测体（设旋转半径为R）至动、静刻度盘均在电脑上安装的测量软件中显示，采集该图像并标定动、静各一个刻线，应用测量软件标定像素与位移关系量取两刻线直线距离d0，并记录被测体当前理论角度α（可用经纬仪或跟踪仪记录），以该角度为零位;重复以上动作测得动、静刻度距离d1，记录对应被测体理论角度β。

由以上两组测量数据可计算出被测体零位误差值为（设负值表示增码）：

（1）

式中，d1为动、静刻度某个角度对应的距离;d0为动、静刻度零位时对应的距离;R为被测体动刻度旋转半径;β为被测体转动至某一角度;α为被测体零位时对应的角度。

列出设备在任意角度处通过零位记忆装置实测值β计算公式：

（2）

dk为角度β对应的零位装置动、静刻线距离。

设备安装初期，需采样i组数据，通过测角设备、经纬仪、角摆仪对零值角误差进行比对校核：

（3）

式中，?为零位装置系统精度，此值可根据武器装备测角精度要求进行比对。

3  零位装置结构件加工精度保证

方位零位装置设计精度主要以方位轴（虚轴）为基准对方位零位装置安装位置有同轴度为0.03 mm止口要求，安装面平面度为0.005 mm，安装面与方位回转轴承安装面平行度为0.025 mm[7]，通过止口保证方位零位装置因外载荷移动后仍可通过止口定位记忆其安装位置，保证零位装置精度。

俯仰零位装置设计精度通过在本文第2节中所提精密导向筒设计两对称度为0.015 mm的键连接来实现零值角度的记忆，两键直线度为0.01 mm，两键相对导向筒轴线位置度为0.02 mm，固定座上设计有相配的键槽，键槽对称度为0.015 mm，两键直线度为0.01 mm，两键相对导向筒轴线位置度为0.02 mm，并在电子显微镜安装筒与精密导向筒直接通过三向顶丝来固定静刻度与键的绝对位置不变，从而保证俯仰在任何情况下均可实现零值复现。

4  工程实例

现对某船载雷达进行方位、俯仰机械零位标定，并通过经纬仪、角摆仪进行验证。

4.1  方位机械零位标定

按本文第2节工作原理将相关设备连上，转动旋转体，保证电脑中测量软件显示出动、静某一标记刻线基本对齐（不对齐误差<0.5 mm），在软件中量取动、静该标线距离d0，并记录旋转体角度α，以此角度为测角零值，如图2、图3所示。

由于方位转动部分与静止部分安装空间有限，电子显微镜第一次标定好零值后，必须将其拿下收藏好，否则会将电子显微镜挤碎，待需要测角机械零值时，将其放在方位电子显微镜支架孔即可。

4.2  俯仰机械零位标定

按第2节工作原理将相关设备连接上，结构件安装按图1组装即可，现场安装图如图4所示，通过双键配合保证电子显微镜筒体支架滑动精度，此支架在设备工作过程中需滑出，第一次俯仰零位标定完毕后用三个沿圆周均布的顶丝定位，保证不引入筒体支架与圆筒配合间隙带来的累计误差。

考虑到旋转体需定期进行标校，待标校时，转动旋转体来对齐动、静标线，在软件中量取该标线距离d1，然后根据式（1）、（2）计算得β，即为旋转体新的测角零值。根据式（3）可计算出零位装置测角精度。

图5为某船载雷达方位角标定零值与实测值误差曲线，图6为该设备方位角实测值与经纬仪角度误差曲线，横坐标为采样次数，纵坐标为对应零值，单位为角秒。

从图5中可看出，方位角实测值相对标定值误差基本在10角秒以内，图6中方位角实测值相对经纬仪角度值误差相对较大，大约在13角秒以内，误差基本在指标范圍内。

5  结  论

通过对电子显微镜安装结构件进行高精度加工保证，使得显微镜无论安装或更换与否，均不会影响零位装置记忆初始零值。通过实际测量，该零位记忆装置重复性精度在指标范围内。此装置可作为武器装备健康管理部分使用。本文可为有需要研究零值误差测量的设计师提供依据，如采用数值分析方法引入回转轴承跳动误差、电子显微镜测量误差等可进一步提高零值测量精度。

参考文献：

[1] 王正元，曹继平，朱昱，等.考虑维修能力的战时备件资源配置方法研究 [J].兵工学报，2014，35（5）：719-724.

[2] 崔书华.高速摄影仪零值误差对漂移量精度的影响及修正方法的研究 [J].载人航天，2006（2）：29-32.

[3] 张琢，李鹏生，强锡富，等.测角技术国内外发展概况 [J].宇航计测技术，1994，13（4）：4-11.

[4] 丁求启，陶敏，蒋宗元.基于接近开关的船载雷达零位记忆装置设计与实现 [J].电子设计工程，2013，21（20）：88-90.

[5] 司骞.数码显微镜图像采集处理系统的研制 [D].天津：天津大学，2006.

[6] 王萍，张乐，毛南平.一种电子零位记忆装置：CN20711 3912U [P].2018-03-16.

[7] 甘永利.几何量公差与检测 [D].上海：上海科学技术出版社，2009.

作者简介：张乐（1987—），男，汉族，陕西西安人，工程师，硕士，研究方向：天线座结构设计工作。