桁架式空间结构的总装模具 【技术领域】
本发明属于机械制造领域。针对一种星载合成孔径雷达的桁架式空间结构网状抛物面天线反射面，提出一种用于桁架式空间结构网状抛物面天线反射面零部件装配的总装模具，为这种桁架式空间结构的天线反射面的工程化提供总装工具。
背景技术
星载合成孔径雷达(SAR)能够全天候全天时地实现对地球表面的观测，获得地面目标的高分辨率图像，在国民经济和国防领域有着广泛的应用前景。星载SAR天线系统是星载合成孔径雷达系统的一个重要组成部分，主要由天线和天线伸展机构组成，天线的组成依天线形式而定。对于抛物面天线，它包括反射面和馈源。对于平面阵天线，它包括阵面和馈电网络。目前成功应用的、典型的主要有平面阵天线(微带平面阵和波导缝隙阵)和网状抛物面天线两种类型。
网状抛物面天线结构有两种形式，一种是类似于伞状结构，另一种是利用大量可展开桁架单元，由铰链连接构成抛物面骨架，再在抛物面骨架上铺设金属网。其特点是具有重量轻、结构刚度大、精度高和可方便地构造成各种曲面形状等。尽管金属网网面不同于实体表面，是不连续的，但仍然能够反射高达40GHz频率的无线电波。
美国通用动力公司早期设计了一种可展开的桁架式网状天线(PETA)，它由多个可组合的四面体模块组成，每个基本单元包含六根杆件，其中三根是可折叠的，杆的中间有铰链和弹簧，折叠后的尺寸与展开尺寸之比为1∶10左右。
俄罗斯宇航局研制成功的桁架式空间结构网状抛物面天线已经应用于“宇宙1689”卫星、“联盟”号飞船以及“和平”号空间站上。俄罗斯发射的资源系列卫星RESURS上的SAR天线，1996年在和平号空间站自然舱上的双波段SAR(L、S波段)天线，以及正在研制的高分辨率的小卫星SAR天线，都使用了桁架式空间结构网状抛物面天线。
总装配是完成星载SAR天线研制的一个重要阶段，也是保证天线电性能和机械性能的关键环节，验证天线是否满足设计要求的主要手段。星载SAR天线的总装就是将天线的各个零部件安装、连接起来形成一个完整的天线系统。总装完成后的天线系统各组件的相对位置在零重力条件下应符合天线系统在空间的相对位置关系，也就是要消除重力对总装的影响。
利用总装模具及其相应的总装设备是克服重力对天线总装影响的有效手段。总装模具是一大型工艺设备，它由大型精密装配支架、微调机构以及光学测量基准组成。
在目前实体抛物面天线的生产过程中，都采用整体式装配模具，通常是用玻璃纤维制成一个抛物面形状的模具，成型时用该模具来校正待加工的实体抛物面。
【发明内容】
本发明的目在于针对桁架式空间结构网状抛物面天线反射面的自身特点而提供一种桁架式空间结构的总装模具。
为实现上述目的，本发明提供的桁架式空间结构的总装模具，其结构为：
一底座上固定有若干支架，该些支架的顶端各安装有一微调机构；
该微调机构的组成为：
一固定盘，固定在支架的顶端；
一调节盘，置于固定盘上方，并与固定盘偏轴地固定为一体，同时该调节盘与置于其上方的圆盘座偏轴地固定为一体，以进行水平方向的调节；
一升降杆，其下端固定在圆盘座的中心位置，以进行垂直方向地调节；
一球头支撑，其底部为一圆球，顶部为一圆柱支杆，其底部的圆球通过一压紧盖连接在该升降杆上端的球窝内，使该球头支撑架以该球窝为中心而摆动。
所述的总装模具，其中，该底座为多边形。
所述的总装模具，其中，该多边形为矩形、棱形或六角形。
本发明与一般天线的整体式装配模具不同，采用了离散式的节点结构。每个节点之间没有物理连接，便于单独安装和调整。
【附图说明】
图1为本发明桁架式空间结构的总装模具的结构示意图，其中图1a为侧视图，图1b为立体视图。
图2为根据图1桁架式空间结构的总装模具制备的网状抛物面天线反射面的基本构型。
图3为图1中的微调机构示意图，其中图3a为侧视图，图3b为立体视图。
图4为图3中的球头支撑的工作原理。
图5和图6为图1中地微调机构的调整步骤示意图。
【具体实施方式】
本发明的内容是针对桁架式空间结构网状抛物面天线反射面的特点，提出了一种易于测量和调整的、高精度的，适合曲面形状的总装模具。利用该总装模具，可以很方便地完成桁架式空间结构网状抛物面天线反射面的装配，并保证桁架式空间结构网状抛物面天线反射面具有较高的装配精度。下面对这一总装模具的构型和组成作具体描述。
请参阅图1，是本发明的总装模具的构型和组成示意图。
桁架式空间结构的总装模具主要由底座、支架、中心基准和微调机构组成。其中，底座3是由多根槽钢焊接而成的一个整体(该底座3可以根据抛物天线反射面的形状而设计成各种形状，如多边形、矩形、棱形或六角形)，相邻槽钢间留有一定的间距，工作人员可以在其中走动。槽钢与地面固定，构成整个总装模具的基础；以角钢为材料的不同长度的支架2焊接或螺接在底座上3，支架2与底座间3还可增加斜撑，以提高支架2的稳定性；固定盘10焊接在支架2的顶端，并与中心基准4及微调机构1的调节盘9螺接。
本实施例的总装模具其底座呈六角形状，总长度为6m，宽度为3m，最大高度为1.3m，共有78个微调机构，能够完成焦距为2172mm，口面尺寸为6m×2.8m桁架式空间结构网状抛物面天线反射面的装配。
微调机构的设计和调整方式是本发明的关键。它能够在测量设备的辅助下，根据桁架式空间结构节点的空间位置和平面法线方向矢量的设计值，完成桁架式空间结构节点全部6个自由度(三个位移量和三个角度量)的调整，使得桁架式空间结构总装模具的整体构型满足设计曲面的要求。
本实施例的桁架式空间结构网状抛物面天线反射面的基本构型见图2。展开状态时，天线反射面口面尺寸约6×2.8m，焦距为2172mm，主要分为上中下三层结构。最上层杆件通过铰链节点互连构成一个抛物面，铺设金属网后用于反射电磁波；最下层杆件通过铰链节点互连构成一个支撑面；中间层杆件用于连接和支撑上下层结构。上中下三层结构互连构成一个稳定的桁架式空间结构。
天线反射面曲面形状的控制和保持，主要依赖于铰链节点空间位置的控制和保持，铰链节点空间位置的控制和保持则主要依赖于铰链节点间互连的不同长度的杆件。进行天线反射面装配时，需要先固定铰链节点，将其空间位置控制和保持在设计误差范围内。同时，由于铰链节点具有一定的体积，因此还需要控制和保持其平面法线方向矢量在设计误差范围内。然后根据铰链节点间的距离，确定杆件的长度，进行铰链节点间杆件的连接。
桁架式空间结构总装模具的功能就是在基准坐标系下，为铰链节点提供符合设计要求的空间位置和平面法线方向矢量。天线反射面装配时，只要将铰链节点连接到总装模具的微调机构上，铰链节点的空间位置和平面法线方向矢量就是满足设计要求的位置和方向矢量了。天线反射面就是满足设计要求的曲面形状了。
微调机构的设计和调整方式是本发明的关键。它能够在测量设备的辅助下，根据桁架式空间结构节点的空间位置和平面法线方向矢量的设计值，完成桁架式空间结构节点全部6个自由度(三个位移量和三个角度量)的调整，使得桁架式空间结构总装模具的整体构型满足设计曲面的要求。
微调机构的设计原理
为了给铰链节点提供符合设计要求的空间位置和平面法线方向矢量，桁架式空间结构总装模具需要按照铰链节点空间位置和平面法线方向矢量的设计值进行生产和装配，微调机构是实现空间位置和平面法线方向矢量调整的主要部件，它能够实现6个自由度的调整(三个位移量和三个角度量)。
图3中，球头支撑5的顶部为一圆柱支杆，与铰链节点连接后，圆柱支杆的顶面与铰链节点的表面重合，顶面中心与铰链节点的中心重合，因此圆柱支杆顶面中心的空间位置就决定了铰链节点的空间位置，顶面的法线方向矢量就决定了铰链节点的平面法线方向矢量。微调机构所要做的，就是按照设计要求实现球头支撑5的顶面中心的空间位置和顶面法线方向矢量的调整。
球头支撑5的底部为一个圆球，与升降杆7中的球窝同心，用压紧盖6将圆球与球窝之间实现球铰方式的连接，可实现三个角度量的调节。
圆盘座8、调节盘9、固定盘10之间采用了非对中、错位式的连接，而且零件间可以相对转动，因此，将圆盘座8和调节盘9转动到不同的位置，即可实现两个位移量的调节。升降杆7则采用了丝杆螺母的连接和调整方式，将升降杆7顺时针或逆时针转动，即可实现上下位移(第三个位移量)的调节。
从微调机构的设计上看，进行位移量和角度量调整的零部件都很简单，但是真正实施时，仅靠这些是不能完成调整任务的。其一，位移量的调整和角度量的调整存在互相耦合的现象，即，如果转动球头支撑5来调整球头支撑5的平面法线方向，那么将造成顶面中心位移量产生变化；如果转动圆盘座8、调节盘9、固定盘10和升降杆7来调整球头支撑5的顶面中心的空间位置，那么将造成顶面法线方向矢量产生变化；其二，无法进行角度量的直接测量。平面的法线方向坐标在基准坐标系下是一个空间矢量，目前任何测试设备都无法进行直接测量，都需要先测量平面内的诸多点，然后最佳拟合出平面的法线方向矢量。这对于微调机构的调整从实施上是不可实现的，因为每调整一次，都要重复进行测量，工作量巨大。
微调机构的调整方法：
为了解决位移量和角度量的上述测量和调整问题，需要合理选择测量设备和确定合理可行的调整方法。
首先，选用激光跟踪测量系统做为微调机构的测量设备。激光跟踪测量系统主要由控制计算机、激光跟踪头和反射靶球组成。测量时激光跟踪头实时跟踪、定向静止或移动的反射靶球，激光跟踪头发出的光束被反射靶球反射回来后，由激光跟踪头内的干涉仪测量出距离，码盘测量出水平角和垂直角，从而得到反射靶球中心位置的空间坐标。激光跟踪测量系统可以以3米/秒的速度跟踪反射靶球的运动，同时以2000次/秒的速率对其空间位置数据进行采样。
第二，将角度量转变为位移量。众所周知，一个平面的法线方向可以用沿法线方向的两个不重合的点构成的线段来代替。只要确定了这两个不重合的点的空间位置，即可确定连接两点的线段，也就确定了线段所在的方向矢量。因此，可以将球头支撑5的顶面中心空间位置和顶面法线方向矢量的调整转变为，对过顶面中心的法线上的两个点的位置坐标的调整。详见图4。
图4中，当球头支撑5的顶面中心为点A，沿顶面法线方向矢量外的一点为点B，沿顶面法线方向矢量内的一点为点C，点A到点B的距离为L2，点A到点C的距离为L1。如果点B和点C的空间位置已经确定，则连接点B和点C的线段的方向矢量就可确定，同时，根据点A和点B及点C的距离关系，点A的空间位置即可确定。这样，实现了将三个位移量和三个角度量的调整转变为六个位移量的调整。
第三，按照铰链节点空间位置和平面法线方向矢量的设计值，计算出点B和点C的空间位置的设计值。
第四，按照点C的空间位置的设计值，转动圆盘座8、调节盘9、固定盘10和升降杆7来调整微调机构的升降杆7的空间位置。详见图5。
将反射靶球放置于微调机构的升降杆7上，升降杆7的球窝与反射靶球同心。利用激光跟踪测量系统实时跟踪测量反射靶球的空间位置，不断转动圆盘座8、调节盘9、固定盘10和升降杆7即可方便地实现点C的空间位置的调整。
第五，按照点B的空间位置的设计值，转动球头支撑5来调整微调机构的球头支撑5的空间位置。详见图6。
将反射靶球11放置于靶球安装座12上，靶球安装座12与球头支撑5的顶面对中安装。反射靶球11的球心与球头支撑5的中心线重合，球头支撑5末端的圆球与升降杆7的球窝同心。利用激光跟踪测量系统实时跟踪测量反射靶球的空间位置，不断转动球头支撑5即可方便地实现点B的空间位置的调整。
最后，按照上述调整方法，完成全部微调机构的调整，调整后整个曲面成型的精度可以达到0.1mm(RMS)。
按照本发明内容设计、制造和调整完成的桁架式空间结构总装模具的精度测试结果见表1。
表1：桁架式空间结构总装模具精度测试结果