專利名稱：：桁架式空間結構的總裝模具的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于機械制造領域。針對一種星載合成孔徑雷達的桁架式空間結構網(wǎng)狀拋物面天線反射面，提出一種用于桁架式空間結構網(wǎng)狀拋物面天線反射面零部件裝配的總裝模具，為這種桁架式空間結構的天線反射面的工程化提供總裝工具。
背景技術：
：星載合成孔徑雷達(SAR)能夠全天候全天時地實現(xiàn)對地球表面的觀測，獲得地面目標的高分辨率圖像，在國民經(jīng)濟和國防領域有著廣泛的應用前景。星載SAR天線系統(tǒng)是星載合成孔徑雷達系統(tǒng)的一個重要組成部分，主要由天線和天線伸展機構組成，天線的組成依天線形式而定。對于拋物面天線，它包括反射面和饋源。對于平面陣天線，它包括陣面和饋電網(wǎng)絡。目前成功應用的、典型的主要有平面陣天線(微帶平面陣和波導縫隙陣)和網(wǎng)狀拋物面天線兩種類型。網(wǎng)狀拋物面天線結構有兩種形式，一種是類似于傘狀結構，另一種是利用大量可展開桁架單元，由鉸鏈連接構成拋物面骨架，再在拋物面骨架上鋪設金屬網(wǎng)。其特點是具有重量輕、結構剛度大、精度高和可方便地構造成各種曲面形狀等。盡管金屬網(wǎng)網(wǎng)面不同于實體表面，是不連續(xù)的，但仍然能夠反射高達40GHz頻率的無線電波。美國通用動力公司早期設計了一種可展開的桁架式網(wǎng)狀天線(PETA)，它由多個可組合的四面體模塊組成，每個基本單元包含六根桿件，其中三根是可折疊的，桿的中間有鉸鏈和彈簧，折疊后的尺寸與展開尺寸之比為1:10左右。俄羅斯宇航局研制成功的桁架式空間結構網(wǎng)狀拋物面天線已經(jīng)應用于"宇宙1689"衛(wèi)星、"聯(lián)盟"號飛船以及"和平"號空間站上。俄羅斯發(fā)射的資源系列衛(wèi)星RESURS上的SAR天線，1996年在和平號空間站自然艙上的雙波段SAR(L、S波段)天線，以及正在研制的高分辨率的小衛(wèi)星SAR天線，都使用了桁架式空間結構網(wǎng)狀拋物面天線?？傃b配是完成星載SAR天線研制的一個重要階段，也是保證天線電性能和機械性能的關鍵環(huán)節(jié)，驗證天線是否滿足設計要求的主要手段。星載SAR天線的總裝就是將天線的各個零部件安裝、連接起來形成一個完整的天線系統(tǒng)。總裝完成后的天線系統(tǒng)各組件的相對位置在零重力條件下應符合天線系統(tǒng)在空間的相對位置關系，也就是要消除重力對總裝的影響。利用總裝模具及其相應的總裝設備是克服重力對天線總裝影響的有效手段?？傃b模具是一大型工藝設備，它由大型精密裝配支架、微調(diào)機構以及光學測量基準組成。在目前實體拋物面天線的生產(chǎn)過程中，都采用整體式裝配模具，通常是用玻璃纖維制成一個拋物面形狀的模具，成型時用該模具來校正待加工的實體拋物面。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目在于針對桁架式空間結構網(wǎng)狀拋物面天線反射面的自身特點而提供一種桁架式空間結構的總裝模具。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的桁架式空間結構的總裝模具，其結構為一底座上固定有若干支架，該些支架的頂端各安裝有一微調(diào)機構；該微調(diào)機構的組成為一固定盤，固定在支架的頂端；一調(diào)節(jié)盤，置于固定盤上方，并與固定盤偏軸地固定為一體，同時該調(diào)節(jié)盤與置于其上方的圓盤座偏軸地固定為一體，以進行水平方向的調(diào)節(jié)；一升降桿，其下端固定在圓盤座的中心位置，以進行垂直方向地調(diào)節(jié)；一球頭支撐，其底部為一圓球，頂部為一圓柱支桿，其底部的圓球通過一壓緊蓋連接在該升降桿上端的球窩內(nèi)，使該球頭支撐架以該球窩為中心而擺動。所述的總裝模具，其中，該底座為多邊形。所述的總裝模具，其中，該多邊形為矩形、棱形或六角形。本發(fā)明與一般天線的整體式裝配模具不同，采用了離散式的節(jié)點結構。每個節(jié)點之間沒有物理連接，便于單獨安裝和調(diào)整。圖1為本發(fā)明桁架式空間結構的總裝模具的結構示意圖，其中圖la為側視圖，圖lb為立體視圖。圖2為根據(jù)圖1桁架式空間結構的總裝模具制備的網(wǎng)狀拋物面天線反射面的基本構型。圖3為圖1中的微調(diào)機構示意圖，其中圖3a為側視圖，圖3b為立體視圖。圖4為圖3中的球頭支撐的工作原理。圖5和圖6為圖1中的微調(diào)機構的調(diào)整步驟示意圖。具體實施例方式本發(fā)明的內(nèi)容是針對桁架式空間結構網(wǎng)狀拋物面天線反射面的特點，提出了一種易于測量和調(diào)整的、高精度的，適合曲面形狀的總裝模具。利用該總裝模具，可以很方便地完成桁架式空間結構網(wǎng)狀拋物面天線反射面的裝配，并保證桁架式空間結構網(wǎng)狀拋物面天線反射面具有較高的裝配精度。下面對這一總裝模具的構型和組成作具體描述。請參閱圖l，是本發(fā)明的總裝模具的構型和組成示意圖。桁架式空間結構的總裝模具主要由底座、支架、中心基準和微調(diào)機構組成。其中，底座3是由多根槽鋼焊接而成的一個整體(該底座3可以根據(jù)拋物天線反射面的形狀而設計成各種形狀，如多邊形、矩形、棱形或六角形)，相鄰槽鋼間留有一定的間距，工作人員可以在其中走動。槽鋼與地面固定，構成整個總裝模具的基礎；以角鋼為材料的不同長度的支架2焊接或螺接在底座上3，支架2與底座間3還可增加斜撐，以提高支架2的穩(wěn)定性；固定盤10焊接在支架2的頂端，并與中心基準4及微調(diào)機構1的調(diào)節(jié)盤9螺接。本實施例的總裝模具其底座呈六角形狀，總長度為6m，寬度為3m，最大高度為1.3m，共有78個微調(diào)機構，能夠完成焦距為2172mm，口面尺寸為6mx2.8m桁架式空間結構網(wǎng)狀拋物面天線反射面的裝配。微調(diào)機構的設計和調(diào)整方式是本發(fā)明的關鍵。它能夠在測量設備的輔助下，根據(jù)桁架式空間結構節(jié)點的空間位置和平面法線方向矢量的設計值，完成桁架式空間結構節(jié)點全部6個自由度(三個位移量和三個角度量)的調(diào)整，使得桁架式空間結構總裝模具的整體構型滿足設計曲面的要求。本實施例的桁架式空間結構網(wǎng)狀拋物面天線反射面的基本構型見圖2。展開狀態(tài)時，天線反射面口面尺寸約6x2.8m，焦距為2172mm，主要分為上中下三層結構。最上層桿件通過鉸鏈節(jié)點互連構成一個拋物面，鋪設金屬網(wǎng)后用于反射電磁波；最下層桿件通過鉸鏈節(jié)點互連構成一個支撐面；中間層桿件用于連接和支撐上下層結構。上中下三層結構互連構成一個穩(wěn)定的桁架式空間結構。天線反射面曲面形狀的控制和保持，主要依賴于鉸鏈節(jié)點空間位置的控制和保持，鉸鏈節(jié)點空間位置的控制和保持則主要依賴于鉸鏈節(jié)點間互連的不同長度的桿件。進行天線反射面裝配時，需要先固定鉸鏈節(jié)點，將其空間位置控制和保持在設計誤差范圍內(nèi)。同時，由于鉸鏈節(jié)點具有一定的體積，因此還需要控制和保持其平面法線方向矢量在設計誤差范圍內(nèi)。然后根據(jù)鉸鏈節(jié)點間的距離，確定桿件的長度，進行鉸鏈節(jié)點間桿件的連接。桁架式空間結構總裝模具的功能就是在基準坐標系下，為鉸鏈節(jié)點提供符合設計要求的空間位置和平面法線方向矢量。天線反射面裝配時，只要將鉸鏈節(jié)點連接到總裝模具的微調(diào)機構上，鉸鏈節(jié)點的空間位置和平面法線方向矢量就是滿足設計要求的位置和方向矢量了。天線反射面就是滿足設計要求的曲面形狀了。微調(diào)機構的設計和調(diào)整方式是本發(fā)明的關鍵。它能夠在測量設備的輔助下，根據(jù)桁架式空間結構節(jié)點的空間位置和平面法線方向矢量的設計值，完成桁架式空間結構節(jié)點全部6個自由度(三個位移量和三個角度量)的調(diào)整，使得桁架式空間結構總裝模具的整體構型滿足設計曲面的要求。微調(diào)機構的設計原理為了給鉸鏈節(jié)點提供符合設計要求的空間位置和平面法線方向矢量，桁架式空間結構總裝模具需要按照鉸鏈節(jié)點空間位置和平面法線方向矢量的設計值進行生產(chǎn)和裝配，微調(diào)機構是實現(xiàn)空間位置和平面法線方向矢量調(diào)整的主要部件，它能夠實現(xiàn)6個自由度的調(diào)整(三個位移量和三個角度量)。圖3中，球頭支撐5的頂部為一圓柱支桿，與鉸鏈節(jié)點連接后，圓柱支桿的頂面與鉸鏈節(jié)點的表面重合，頂面中心與鉸鏈節(jié)點的中心重合，因此圓柱支桿頂面中心的空間位置就決定了鉸鏈節(jié)點的空間位置，頂面的法線方向矢量就決定了鉸鏈節(jié)點的平面法線方向矢量。微調(diào)機構所要做的，就是按照設計要求實現(xiàn)球頭支撐5的頂面中心的空間位置和頂面法線方向矢量的調(diào)整。球頭支撐5的底部為一個圓球，與升降桿7中的球窩同心，用壓緊蓋6將圓球與球窩之間實現(xiàn)球鉸方式的連接，可實現(xiàn)三個角度量的調(diào)節(jié)。圓盤座8、調(diào)節(jié)盤9、固定盤10之間采用了非對中、錯位式的連接，而且零件間可以相對轉動，因此，將圓盤座8和調(diào)節(jié)盤9轉動到不同的位置，即可實現(xiàn)兩個位移量的調(diào)節(jié)。升降桿7則采用了絲桿螺母的連接和調(diào)整方式，將升降桿7順時針或逆時針轉動，即可實現(xiàn)上下位移(第三個位移量)的調(diào)節(jié)。從微調(diào)機構的設計上看，進行位移量和角度量調(diào)整的零部件都很簡單，但是真正實施時，僅靠這些是不能完成調(diào)整任務的。其一，位移量的調(diào)整和角度量的調(diào)整存在互相耦合的現(xiàn)象，即，如果轉動球頭支撐5來調(diào)整球頭支撐5的平面法線方向，那么將造成頂面中心位移量產(chǎn)生變化；如果轉動圓盤座8、調(diào)節(jié)盤9、固定盤10和升降桿7來調(diào)整球頭支撐5的頂面中心的空間位置，那么將造成頂面法線方向矢量產(chǎn)生變化；其二，無法進行角度量的直接測量。平面的法線方向坐標在基準坐標系下是一個空間矢量，目前任何測試設備都無法進行直接測量，都需要先測量平面內(nèi)的諸多點，然后最佳擬合出平面的法線方向矢量。這對于微調(diào)機構的調(diào)整從實施上是不可實現(xiàn)的，因為每調(diào)整一次，都要重復進行測量，工作量巨大。微調(diào)機構的調(diào)整方法為了解決位移量和角度量的上述測量和調(diào)整問題，需要合理選擇測量設備和確定合理可行的調(diào)整方法。首先，選用激光跟蹤測量系統(tǒng)做為微調(diào)機構的測量設備。激光跟蹤測量系統(tǒng)主要由控制計算機、激光跟蹤頭和反射靶球組成。測量時激光跟蹤頭實時跟蹤、定向靜止或移動的反射靶球，激光跟蹤頭發(fā)出的光束被反射靶球反射回來后，由激光跟蹤頭內(nèi)的干涉儀測量出距離，碼盤測量出水平角和垂直角，從而得到反射靶球中心位置的空間坐標。激光跟蹤測量系統(tǒng)可以以3米/秒的速度跟蹤反射耙球的運動，同時以2000次/秒的速率對其空間位置數(shù)據(jù)進行采樣。第二，將角度量轉變?yōu)槲灰屏?。眾所周知，一個平面的法線方向可以用沿法線方向的兩個不重合的點構成的線段來代替。只要確定了這兩個不重合的點的空間位置，即可確定連接兩點的線段，也就確定了線段所在的方向矢量。因此，可以將球頭支撐5的頂面中心空間位置和頂面法線方向矢量的調(diào)整轉變?yōu)椋瑢^頂面中心的法線上的兩個點的位置坐標的調(diào)整。詳見圖4。圖4中，當球頭支撐5的頂面中心為點A，沿頂面法線方向矢量外的一點為點B，沿頂面法線方向矢量內(nèi)的一點為點C，點A到點B的距離為L2，點A到點C的距離為L1。如果點B和點C的空間位置己經(jīng)確定，則連接點B和點C的線段的方向矢量就可確定，同時，根據(jù)點A和點B及點C的距離關系，點A的空間位置即可確定。這樣，實現(xiàn)了將三個位移量和三個角度量的調(diào)整轉變?yōu)榱鶄€位移量的調(diào)整。第三，按照鉸鏈節(jié)點空間位置和平面法線方向矢量的設計值，計算出點B和點C的空間位置的設計值。第四，按照點C的空間位置的設計值，轉動圓盤座8、調(diào)節(jié)盤9、固定盤10和升降桿7來調(diào)整微調(diào)機構的升降桿7的空間位置。詳見圖5。將反射靶球放置于微調(diào)機構的升降桿7上，升降桿7的球窩與反射耙球同心。利用激光跟蹤測量系統(tǒng)實時跟蹤測量反射耙球的空間位置，不斷轉動圓盤座8、調(diào)節(jié)盤9、固定盤10和升降桿7即可方便地實現(xiàn)點C的空間位置的調(diào)整。第五，按照點B的空間位置的設計值，轉動球頭支撐5來調(diào)整微調(diào)機構的球頭支撐5的空間位置。詳見圖6。將反射耙球11放置于靶球安裝座12上，靶球安裝座12與球頭支撐5的頂面對中安裝。反射靶球11的球心與球頭支撐5的中心線重合，球頭支撐5末端的圓球與升降桿7的球窩同心。利用激光跟蹤測量系統(tǒng)實時跟蹤測量反射靶球的空間位置，不斷轉動球頭支撐5即可方便地實現(xiàn)點B的空間位置的調(diào)整。最后，按照上述調(diào)整方法，完成全部微調(diào)機構的調(diào)整，調(diào)整后整個曲面成型的精度可以達到0.1mm(RMS)。按照本
發(fā)明內(nèi)容設計、制造和調(diào)整完成的桁架式空間結構總裝模具的精度測試結果見表l。表l:桁架式空間結構總裝模具精度測試結果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>權利要求1、一種桁架式空間結構的總裝模具，其結構為一底座上固定有若干支架，該些支架的頂端各安裝有一微調(diào)機構；該微調(diào)機構的組成為一固定盤，固定在支架的頂端；一調(diào)節(jié)盤，置于固定盤上方，并與固定盤偏軸地固定為一體，同時該調(diào)節(jié)盤與置于其上方的圓盤座偏軸地固定為一體，以進行水平方向的調(diào)節(jié)；一升降桿，其下端固定在圓盤座的中心位置，以進行垂直方向地調(diào)節(jié)；一球頭支撐，其底部為一圓球，頂部為一圓柱支桿，其底部的圓球通過一壓緊蓋連接在該升降桿上端的球窩內(nèi)，使該球頭支撐以該球窩為中心而擺動。2、如權利要求l所述的總裝模具，其中，該底座為多邊形。3、如權利要求2所述的總裝模具，其中，該多邊形為矩形、棱形或六角形。全文摘要一種桁架式空間結構的總裝模具，其結構為一底座上固定有若干支架，該些支架的頂端各安裝有一微調(diào)機構；該微調(diào)機構的組成為一固定盤，固定在支架的頂端；一調(diào)節(jié)盤，置于固定盤上方，并與固定盤偏軸地固定為一體，同時該調(diào)節(jié)盤與置于其上方的圓盤座偏軸地固定為一體，以進行水平方向的調(diào)節(jié)；一升降桿，其下端固定在圓盤座的中心位置，以進行垂直方向地調(diào)節(jié)；一球頭支撐，其底部為一圓球，頂部為一圓柱支桿，其底部的圓球通過一壓緊蓋連接在該升降桿上端的球窩內(nèi)，使該球頭支撐以該球窩為中心而擺動。本發(fā)明可以根據(jù)桁架式空間結構設計曲面相應節(jié)點的空間位置和法線方向矢量進行6個自由度的調(diào)整，使得該總裝模具的整體構型滿足設計曲面的要求。文檔編號H01Q15/14GK101635390SQ20081011707公開日2010年1月27日申請日期2008年7月23日優(yōu)先權日2008年7月23日發(fā)明者熊永虎,蔡安生,薛培良申請人:中國科學院電子學研究所