CN110289476B - 反射面天线面板的高精度位姿连续调整装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反射面天线面板的高精度位姿连续调整装置及其制造方法，它涉及通信、测控以及射电天文等领域。它包括定位机构和调整机构，所述定位机构主要含有主支撑杆、独立支撑杆、第一方向连接板、第二方向连接板、螺母、球面垫圈和锥面垫圈；所述调整机构主要含有V型杆、横向杆、上支座和下支座；定位机构和调整机构与天线面板的连接均为铰接形式；调整机构的设计长度可根据给出的计算公式所得到。本发明实现了天线面板的全方向高精度连续调整功能，提高了面板在天线俯仰运动中的位置精度，提升了天线安装过程中的面板调整效率。
Description
技术领域
本发明涉及通信、测控以及射电天文等技术领域，特别是指一种反射面天线面板的高精度位姿连续调整装置及其制造方法。
背景技术
反射面天线因具有高增益、低旁瓣和可设计性强等特点，广泛应用于通信、测控以及射电天文等领域中。对于大中型反射面天线而言，由于受加工制造能力和交通运输等方向的限制，要将反射面分割成若干个天线面板，在安装时，要将这些天线面板组合起来，形成完整的反射面。
对于工作在高频段（如Ku频段）的反射面天线，其表面精度一般要优于0.5mm（rms），而表面精度一般由单块面板精度和整体安装精度组成，对于大中型天线来说，整体安装精度所占的权重更大。整体安装精度是指分别将若干个单块面板调整到理论位置，其中包括位置调整和姿态调整，即平移调整和转动调整。
传统的天线面板调整方法是采用若干个螺柱布置在面板背部，螺柱再与天线背架相连接，在调整时，通过调整螺柱的旋合长度来实现天线面板的移动。中国专利公开号CN202004142U，名称为《一种组合式天线面板定位连接装置》的专利中公开了一种运用锥销和螺母组合方式的天线面板连接装置；中国专利公开号CN206627620U，名称为《一种多单元交汇节点调整装置》的专利中公开了一种共用节点的反射面单元调整装置；中国专利公开号CN202084630U，名称为《一种天线面板组合调整装置》的专利中公开了一种在天线面板上方进行调整的装置。上述几个专利中的天线面板调整方式，虽然在有限的自由度内能够对面板进行调整，但对于工作于高频段或高精度的天线面板的位姿调整来说，存在以下不足：
（1）面板调整点位置无铰接，易产生内应力。在上述的三个专利中，面板与调整杆的连接或者调整杆与背架支撑点的连接均采用平面接触方式，面板在调整过程中，必然会导致调整杆与面板之间存在旋转运动，而两者之间的平面连接又限制了转动自由度，这样就会在面板和调整杆之间产生内应力，当内应力较大时会导致面板变形，从而使面板精度降低。
（2）没有涉及平移调整或如何实现平移调整。天线面板的调整涉及平移调整和转动调整，以上三个专利，只涉及了面板的轴向调整，没有涉及平移调整方法，或者单块面板的平移调整和轴向不能相互独立，因此，三种方案影响了面板的调整精度。
（3）面板长期处于内应力状态，导致精度下降。由于传统方法在面板和调整杆之间存在内应力，而当内应力无法得到释放时，在自然环境下，会随着时间的推移，使面板产生蠕变或变形，导致面板位置或精度恶化，使得天线整体性能降低。
中国专利公开号CN108172970A，名称为《一种天线面板装配结构》的专利中公开了一种带有球铰的天线面板调整结构；中国专利公开号CN108155482A，名称为《一种高精度反射面天线组合面板的结构及其调整方法》的专利中公开了一种具有两级调整的组合面板调整方法。上述的两个发明专利虽然在调整结构中采用了球铰连接方式，但对于要求高位置精度的天线面板来说，存在以下不足：
（1）没有提及面板平面移动的调整方法。上述的两个专利可以通过螺纹方式实现面板的轴向连续调整，但对于面板水平面内的移动调整，则没有给出相应的连续调整方式。
（2）天线面板在不同姿态时需克服重力调整，操作困难。众所周知，反射面天线为抛物面形式，单块面板在反射面不同位置时，其姿态是不同的，如靠近反射面中心位置时，面板斜度较小，而处于反射面边缘时，面板斜度会很大，当对斜度很大的面板进行移动调整时，需要克服面板自重，在调整过程中容易出现滑移现象，特别是在高空作业时，给操作人员带来很大困难，甚至会带来危险。
（3）调整效率低，易产生调整位置不收敛。对于没有可连续移动调整的装置来说，则完全依赖于人工经验，当调整一个方向时，会对已调整好的方向产生影响，造成面板调整位置不收敛的恶性循环。
发明的内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种反射面天线面板的高精度位姿连续调整装置及其制造方法，其具有精度高、无应力、调整效率高和全方向可连续调整的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种反射面天线面板的高精度位姿连续调整装置，其特征在于：包括位于天线面板和天线背架之间的定位机构1和调整机构2，所述定位机构1包括主支撑杆1-1、独立支撑杆1-2、第一方向连接板1-3、第二方向连接板1-4、螺母1-5、球面垫圈1-6和锥面垫圈1-7，主支撑杆1-1轴向方向与该处面板的法向方向相同，第一方向连接板1-3通过主支撑杆1-1与天线背架相连接，第二方向连接板1-4与面板固定连接，第一方向连接板1-3和第二方向连接板1-4上均设有长圆孔，且两处长圆孔方向相互正交，独立支撑杆1-2位于第一方向连接板1-3和第二方向连接板1-4之间，独立支撑杆1-2上端位于第二方向连接板1-4的长圆孔内，并通过螺母固定位置，独立支撑杆1-2下端位于第一方向连接板1-3的长圆孔内，并通过螺母1-5、球面垫圈1-6和锥面垫圈1-7固定位置；
所述调整机构2包括V型杆2-1、横向杆2-2、上支座2-3和下支座2-4，V型杆2-1包括两根可调整长度且两端是球铰链的左连杆2-1-1和右连杆2-1-2，左连杆2-1-1和右连杆2-1-2一端与天线背架相连接，另一端与上支座2-3相连接；所述的上支座2-3位于天线面板重心，与面板固定连接；所述的下支座2-4位于天线面板下方，与面板固定连接。
此外，本发明还提供一种如上所述的反射面天线面板的高精度位姿连续调整装置的制造方法，其包括以下步骤：
（1）根据设计需求，确定面板支撑点在天线面板工作面上的位置点，记为Pn，其中，n为自然数，且n≥3；
（2）将步骤（1）中的点Pn，分别沿相应位置的天线面板法向向非工作面方向偏移适当距离，得到相应点位，记为Pn’；
（3）取天线面板重心，记为O，在该点做面板法线，记为N，N的指向为面板非工作面方向；
（4）将天线面板工作面沿步骤（3）所得到的法线N方向进行偏移，得到一个新曲面，记为S，偏移量为面板厚度，得到法线N与曲面S的交点，记为O1；
（5）以步骤（4）得到的O1点为原点，水平方向为x轴，垂直方向为y轴，建立坐标系；
（6）取天线背架上两点，记为A和B，点A和点B关于y轴对称；
（7）连接点O1和点A，得到线段O1A，连接点O1和点B，得到线段O1B；
（8）将O1点沿x轴负方向平移适当距离，得到点O2；
（9）将步骤⑧得到的O2点沿曲面S法向向曲面S投影，得到点O3；
（10）取天线背架上一点，记为点C，且C点的y坐标值介于O1和O3的y坐标值之间，C点的x坐标值大于O1和O3的x坐标值；
（11）连接点O3和点C，得到线段O3C；
（12）将点Pn’分别替换为定位机构，将点O1和O3分别替换为上支座和下支座，将线段O1A和O1B分别替换为左连杆和右连杆，将线段O3C替换为横连杆；
完成反射面天线面板的高精度位姿连续调整装置的制造。
本发明与背景技术相比具有如下有益效果：
（1）高精度连续可调整方式。与背景技术相比，本发明能够实现面板在轴向和平面方向的连续可调整，克服了传统方法只能轴向调整的不足。
（2）给出了移动调整机构的设计长度计算方法。本发明给出了调整机构的设计长度计算公式，可根据此公式计算出相应的调整量，为面板的调整提供了数据依据。
（3）无应力、高精度连接方式。本发明中的定位机构及调整机构与面板的连接均为铰接形式，消除了天线面板的内应力，长期使用时不产生变形，提高了面板的精度。
（4）增加了面板的侧向连接，提升了天线动态性能。调整机构不仅提供了平面方向的连续可调整，而且为天线面板提供了两个方向的侧向支撑，当天线在做俯仰运动时，这种侧向支撑能够减小面板的移动，从而提高了天线系统的整体精度，提升了天线系统的动态性能。
（5）易于操作，提高了面板的调整效率。不论天线面板处于何种姿态，操作人员均可通过旋转相应杆件实现面板的转动调整和移动调整，克服了传统的依靠人工推动面板来调整的弊端，具有调整效率高，操作安全的特点。
总之，本发明构思巧妙，思路清晰，易于实现，既解决了传统的调整装置容易使面板产生变形和内应力的问题，又可实现面板在平面内连续调整的功能，是对现有技术的一种重要改进。
附图说明
图1是本发明实施例的总体结构示意图；
图2是本发明实施例的定位机构结构示意图；
图3是本发明实施例的连杆结构示意图；
图4是本发明实施例的计算参数示意图；
图5是本发明实施例的制造方法示意图；
图6是背景技术中的天线面板x方向重力变形图；
图7是背景技术中的天线面板y方向重力变形图；
图8是本发明中的天线面板x方向重力变形图；
图9是本发明中的天线面板y方向重力变形图。
图中各标号的含义如下：定位机构1，主支撑杆1-1，独立支撑杆1-2，第一方向连接板1-3，第二方向连接板1-4，螺母1-5，球面垫圈1-6，锥面垫圈1-7，调整机构2， V型杆2-1，左连杆2-1-1，右连杆2-1-2，横向杆2-2，横连杆2-2-1，上支座2-3，下支座2-4。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的描述。
以五边形天线面板的调整装置为示例，如图1和图2所示，该调整装置包括：定位机构1和调整机构2。
定位机构1位于天线面板与天线背架连接点位置，由主支撑杆1-1、独立支撑杆1-2、第一方向连接板1-3、第二方向连接板1-4、螺母1-5、球面垫圈1-6和锥面垫圈1-7组成，主支撑杆1-1轴向方向与该处面板的法向方向相同，第一方向连接板1-3通过主支撑杆1-1与天线背架相连接，第二方向连接板1-4通过紧固件或胶粘方式与面板相连接，在第一方向连接板1-3和第二方向连接板1-4上设有长圆孔，且两处长圆孔方向相互正交，独立支撑杆1-2位于第一方向连接板1-3和第二方向连接板1-4之间，独立支撑杆1-2上端位于第二方向连接板1-4长圆孔内，通过螺母固定位置，独立支撑杆1-2下端位于第一方向连接板1-3长圆孔内，通过螺母1-5、球面垫圈1-6和锥面垫圈1-7固定位置。
调整机构2位于天线面板非工作面一侧，由V型杆2-1、横向杆2-2、上支座2-3和下支座2-4组成。
如图3所示，V型杆2-1包括两根可调整长度且两端是球铰链的左连杆2-1-1和右连杆2-1-2，左连杆2-1-1和右连杆2-1-2一端与天线背架相连接，另一端与上支座2-3相连接，左连杆2-1-1和右连杆2-1-2的设计长度满足如下不等式：
其中，为左连杆和右连杆的最短工作长度；/>为左连杆和右连杆的设计长度；为左连杆和右连杆的最长工作长度；/>和/>分别满足如下等式：
以上四式中，为天线面板重心距左连杆或右连杆与天线背架连接点的距离；/>为左连杆或右连杆水平调整长度变化量；/>为左连杆或右连杆垂直调整长度变化量；/>为左连杆和右连杆半夹角；/>为天线面板水平调整设计输入值；/>为天线面板垂直调整设计输入值，式中各符号含义如图4所示；
横向杆2-2位于V型杆2-1下方，为可调整长度且两端是球铰链的横连杆2-2-1，横连杆2-2-1一端与天线背架相连接，另一端与下支座2-4相连接，横连杆2-2-1的可调整长度满足如下不等式：
其中，为横连杆的最短工作长度；/>为横连杆的设计长度；/>为横连杆的最长工作长度；/>和/>分别满足如下等式：
以上四式中，为下支座距横连杆与天线背架连接点的距离；/>为横连杆水平调整长度变化量；/>为横连杆垂直调整长度变化量；/>为横连杆与水平轴夹角；/>为天线面板水平调整设计输入值；/>为天线面板垂直调整设计输入值，式中各符号含义如图4所示。
本例中取L取1200mm，R也取1200mm，水平调整量和垂直调整量取20mm，经计算后，左连杆和右连杆的设计长度为1165.5～1234.5mm；横连杆的设计长度为1180～1220mm。
上支座2-3位于天线面板重心，通过紧固件或胶粘方式与面板相连接；下支座2-4位于天线面板下方，通过紧固件或胶粘方式与面板相连接。
定位机构1数量根据面板精度需求和结构设计确定。
本例中定位机构1数量的数量为5个。
第一方向连接板1-3和第二方向连接板1-4上长圆孔方向分别为周向和径向配置，也可以是水平方向和垂直方向配置。
本例中第一方向连接板1-3和第二方向连接板1-4上长圆孔方向分别为周向分布和径向分布。
主支撑杆1-1与天线背架之间采用螺纹方式连接，并设有锁紧螺母。
第一方向连接板1-3与主支撑杆1-1的连接为通过螺母压紧方式，也可以采用螺纹连接方式。
本例中第一方向连接板1-3与主支撑杆1-1的连接为螺母压紧方式。
螺母1-5、球面垫圈1-6和锥面垫圈1-7位于第一方向连接板1-3两侧，为对称分布。
左连杆2-1-1、右连杆2-1-2和横连杆2-2-1的中间螺纹结构为左、右旋向组合使用的可调整长度形式。
本发明反射面天线面板的高精度位姿连续调整装置的制造方法的最佳实施例如图5所示，包括以下步骤：
①根据设计需求，确定面板支撑点在天线面板工作面上的位置点，记为Pn，其中，n为自然数，且n≥3；
本例中面板支撑点数量为5个，分别为P1、P2、P3、P4和P5。
②将步骤①中的点Pn，分别沿相应位置的天线面板法向向非工作面方向偏移适当距离，得到相应点位，记为Pn’，其中，n为自然数，且n≥3；
本例中Pn’分别记为：P1’、P2’、P3’、P4’和P5’。
③取天线面板重心，记为O，在该点做面板法线，记为N，N的指向为面板非工作面方向；
④将天线面板工作面沿步骤③所得到的法线N方向进行偏移，得到一个新曲面，记为S，偏移量为面板厚度，得到法线N与曲面S的交点，记为O1；
本例中的偏移量为40mm。
⑤以步骤④得到的O1点为原点，水平方向为x轴，垂直方向为y轴，建立坐标系；
⑥取天线背架上两点，记为，A和B，点A和点B关于y轴对称；
⑦连接点O1和点A，得到线段O1A，连接点O1和点B，得到线段O1B；
⑧将O1点沿x轴负方向平移适当距离，得到点O2；
本例中的平移距离为620mm。
⑨将步骤⑧得到的O2点沿曲面S法向向曲面S投影，得到点O3；
⑩取天线背架上一点，记为，点C，且C点y坐标值介于O1和O3的y坐标值之间，C点x坐标值大于O1和O3的x坐标值；
本例中C点的x坐标为1160mm，y坐标为-370mm。
⑾连接点O3和点C，得到线段O3C；
⑿将点Pn’分别替换为定位机构，将点O1和O3分别替换为上支座和下支座，将线段O1A和O1B分别替换为左连杆和右连杆，将线段O3C替换为横连杆；
完成反射面天线面板的高精度位姿连续调整装置的制造。
本发明的优点可以通过以下仿真分析进一步说明。
（1）模型说明。为了说明本发明的有益效果，建立了两种力学仿真模型，一种是背景技术，另一种是本发明方法。两种仿真模型中的面板几何尺寸、所用材料、边界条件均相同。天线在运行过程中，所受外界载荷中，有70%均来自于重力，所以，针对两种模型，选择了有代表性的两种工况：x方向重力分析和y方向重力分析。
（2）计算结果。如图6～9所示，图6和图7分别是背景技术中的天线面板在x、y方向的重力变形图；图8和图9分别是背景技术中的天线面板在x、y方向的重力变形图。
（3）实施效果。如表1所示，由计算结果可以看出：背景技术中面板在x方向的最大重力变形为61.5μm，在y方向的最大重力变形为49.9μm；本发明中面板在x方向的最大重力变形为27.1μm，在y方向的最大重力变形为24.5μm；由于本发明中的调整机构增加了对面板的侧向支撑，使得面板变形得到了大幅的提升，而且在x、ｙ两个方向的变形相当，变化率仅为9.6%，而背景技术中的变化率为18.9%；本发明与背景技术相比，面板最大变形在x、y方向的提高率分别为55.9%和50.9%。
表1 本发明与背景技术的面板重力变形结果比较
总之，本发明调整装置包括定位机构和调整机构，两者与面板的连接均为铰接形式，消除了天线面板的内应力，提高了面板的精度；实现了面板在轴向和平面方向的连续可调整功能，能够使面板进行精确定位；调整机构不仅提供了平面方向的连续调整，而且为天线面板提供了两个方向的侧向支撑，当天线在做俯仰运动时，这种侧向支撑能够减小面板的移动，从而提高了天线系统的整体精度，提升了天线系统的动态性能。这种面板调整装置实现了天线面板的高精度连续调整功能，而且提高了面板在俯仰运动中的位置精度，提升了在天线安装过程中的面板调整效率。
以上所述，仅是本发明的最佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构改变，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.一种反射面天线面板的高精度位姿连续调整装置，其特征在于：包括位于天线面板和天线背架之间的定位机构(1)和调整机构(2)，所述定位机构(1)包括主支撑杆(1-1)、独立支撑杆(1-2)、第一方向连接板(1-3)、第二方向连接板(1-4)、螺母(1-5)、球面垫圈(1-6)和锥面垫圈(1-7)，主支撑杆(1-1)轴向方向与该处面板的法向方向相同，第一方向连接板(1-3)通过主支撑杆(1-1)与天线背架相连接，第二方向连接板(1-4)与面板固定连接，第一方向连接板(1-3)和第二方向连接板(1-4)上均设有长圆孔，且两处长圆孔方向相互正交，独立支撑杆(1-2)位于第一方向连接板(1-3)和第二方向连接板(1-4)之间，独立支撑杆(1-2)上端位于第二方向连接板(1-4)的长圆孔内，并通过螺母固定位置，独立支撑杆(1-2)下端位于第一方向连接板(1-3)的长圆孔内，并通过螺母(1-5)、球面垫圈(1-6)和锥面垫圈(1-7)固定位置；
所述调整机构(2)包括V型杆(2-1)、横向杆(2-2)、上支座(2-3)和下支座(2-4)，V型杆(2-1)包括两根可调整长度且两端是球铰链的左连杆(2-1-1)和右连杆(2-1-2)，左连杆(2-1-1)和右连杆(2-1-2)一端与天线背架相连接，另一端与上支座(2-3)相连接；所述的上支座(2-3)位于天线面板重心，与面板固定连接；所述的下支座(2-4)位于天线面板下方，与面板固定连接；
所述左连杆(2-1-1)和右连杆(2-1-2)的设计长度满足如下不等式：
L1≤L12≤L2
其中，L1为左连杆和右连杆的最短工作长度；L12为左连杆和右连杆的设计长度；L2为左连杆和右连杆的最长工作长度；
所述L1和L2分别满足如下等式：
其中，L为天线面板重心距左连杆或右连杆与天线背架连接点的距离；ΔLx为左连杆或右连杆水平调整长度变化量；ΔLy为左连杆或右连杆垂直调整长度变化量；α为左连杆和右连杆的半夹角；Δx为天线面板水平调整设计输入值；Δy为天线面板垂直调整设计输入值；
所述横向杆(2-2)位于V型杆(2-1)下方；
所述横向杆(2-2)为可调整长度且两端是球铰链的横连杆(2-2-1)；
所述横连杆(2-2-1)一端与天线背架相连接，另一端与下支座(2-4)相连接；
所述横连杆(2-2-1)的可调整长度满足如下不等式：
R1≤R≤R2
其中，R1为横连杆的最短工作长度；R为横连杆的设计长度；R2为横连杆的最长工作长度；
所述R1和R2分别满足如下等式：
其中，R为下支座距横连杆与天线背架连接点的距离；ΔRx为横连杆水平调整长度变化量；ΔRy为横连杆垂直调整长度变化量；β为横连杆与水平轴夹角；Δx为天线面板水平调整设计输入值；Δy为天线面板垂直调整设计输入值；
所述第一方向连接板(1-3)上的长圆孔方向为水平方向或垂直方向，所述第二方向连接板(1-4)上长圆孔的方向与所述第一方向连接板(1-3)上长圆孔的方向垂直；所述的主支撑杆(1-1)与天线背架之间采用螺纹方式连接，并设有锁紧螺母。
2.根据权利要求1所述的反射面天线面板的高精度位姿连续调整装置，其特征在于：所述的第一方向连接板(1-3)与主支撑杆(1-1)的连接方式为通过螺母压紧的方式。
3.根据权利要求2所述的反射面天线面板的高精度位姿连续调整装置，其特征在于：所述的第一方向连接板(1-3)与主支撑杆(1-1)的连接方式为螺纹连接方式。
4.根据权利要求3所述的反射面天线面板的高精度位姿连续调整装置，其特征在于：所述的螺母(1-5)球面垫圈(1-6)和锥面垫圈(1-7)位于第一方向连接板(1-3)两侧。
5.根据权利要求4所述的反射面天线面板的高精度位姿连续调整装置，其特征在于：所述的螺母(1-5)球面垫圈(1-6)和锥面垫圈(1-7)相对于第一方向连接板(1-3)对称分布。
6.根据权利要求5所述的反射面天线面板的高精度位姿连续调整装置，其特征在于：所述的左连杆(2-1-1)、右连杆(2-1-2)和横连杆(2-2-1)的中间螺纹结构为左、右旋向组合使用的可调整长度形式。
7.如权利要求1所述的反射面天线面板的高精度位姿连续调整装置的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据设计需求，确定面板支撑点在天线面板工作面上的位置点，记为Pn，其中，n为自然数，且n≥3；
(2)将步骤(1)中的点Pn，分别沿相应位置的天线面板法向向非工作面方向偏移适当距离，得到相应点位，记为Pn’；
(3)取天线面板重心，记为O，在该点做面板法线，记为N，N的指向为面板非工作面方向；
(4)将天线面板工作面沿步骤(3)所得到的法线N方向进行偏移，得到一个新曲面，记为S，偏移量为面板厚度，得到法线N与曲面S的交点，记为O1；
(5)以步骤(4)得到的O1点为原点，水平方向为x轴，垂直方向为y轴，建立坐标系；
(6)取天线背架上两点，记为A和B，点A和点B关于y轴对称；
(7)连接点O1和点A，得到线段O1A，连接点O1和点B，得到线段O1B；
(8)将O1点沿x轴负方向平移适当距离，得到点O2；
(9)将步骤⑧得到的O2点沿曲面S法向向曲面S投影，得到点O3；
(10)取天线背架上一点，记为点C，且C点的y坐标值介于O1和O3的y坐标值之间，C点的x坐标值大于O1和O3的x坐标值；
(11)连接点O3和点C，得到线段O3C；
(12)将点Pn’分别替换为定位机构，将点O1和O3分别替换为上支座和下支座，将线段O1A和O1B分别替换为左连杆和右连杆，将线段O3C替换为横连杆；
完成反射面天线面板的高精度位姿连续调整装置的制造。
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