顧立彬

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十研究所，西安 710068）

天線座是支撐天線和安裝饋線、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及機(jī)電參數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的主題基座，是承受靜力、動(dòng)力及振動(dòng)等負(fù)荷的關(guān)鍵基礎(chǔ)構(gòu)件[1]。機(jī)載天線座的一般要求為：應(yīng)具有較高的軸系誤差；運(yùn)動(dòng)應(yīng)平穩(wěn)可靠及數(shù)據(jù)傳動(dòng)誤差??；應(yīng)有足夠的驅(qū)動(dòng)能力及足夠高的第一階機(jī)械諧振頻率；應(yīng)具有盡可能輕的摩擦和盡可能小的齒隙；重量應(yīng)足夠輕。

該天線座安裝于某大型空中平臺(tái)，用于隔離載體運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的擾動(dòng)影響，實(shí)時(shí)調(diào)整天線指向，對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，從而為機(jī)載平臺(tái)與目標(biāo)間建立連續(xù)、可靠的定向通信鏈路。

1 天線座主要性能及指標(biāo)

（1）天線最大工作范圍：方位：360°連續(xù)；俯仰：-20°～80°。

（2）最大轉(zhuǎn)動(dòng)角速度：方位90°/s，俯仰40°/s。

（3）最大角加速度：方位60°/s2，俯仰40°/s2。

（4）溫度要求：儲(chǔ)存為-55～70℃；工作為-55～55℃。

（5）加速度要求：6.75g（g為重力加速度）。

2 天線座總體設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)載雷達(dá)天線座性能指標(biāo)要求，采用小型化、輕型化的俯仰-方位型天線座形式，其主要由方位支座、方位滑環(huán)、四點(diǎn)接觸球軸承、杯形件、左右支臂、俯仰軸、關(guān)節(jié)組件以及安全保護(hù)裝置等組成。如圖1所示，天線方位支座上安裝有電機(jī)控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊，方位轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝有雙工器模塊、和差通道接收組件模塊、陀螺等。

方位傳動(dòng)采用直流力矩電動(dòng)機(jī)直接套軸傳動(dòng)形式，方位旋變也是直接套軸安裝使用。俯仰傳動(dòng)采用直流力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)諧波減速器傳動(dòng)形式，俯仰旋變直接套軸安裝使用。

圖1 機(jī)載天線座結(jié)構(gòu)

2.1 天線座載荷分析

天線座承受的載荷主要有慣性載荷、摩擦載荷和不平衡力矩等。下面對(duì)天線座方位傳動(dòng)和俯仰傳動(dòng)所承受的主要載荷進(jìn)行計(jì)算，然后用相加和均方根的方法分別計(jì)算出方位軸及俯仰軸上所承受的負(fù)載力矩。

2.1.1 方位傳動(dòng)所受載荷分析

（1）方位傳動(dòng)所受慣性載荷的分析計(jì)算。通過(guò)理論分析計(jì)算，方位轉(zhuǎn)動(dòng)部分折合到方位軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J方位≈ 0.29kg·m2。

方位最大角加速度為：εmax=1.047rad/s2。

方位軸上的慣性載荷為：Mj方位=J方位·εmax≈0.3 N·m。

（2）方位傳動(dòng)所受摩擦載荷的分析計(jì)算。方位傳動(dòng)所受摩擦載荷包括方位軸承的摩擦力矩和匯流環(huán)的摩擦力矩兩部分[2]。方位軸承滾道內(nèi)填充潤(rùn)滑脂（7015），其摩擦轉(zhuǎn)矩約為0.8N·m；匯流環(huán)的摩擦轉(zhuǎn)矩約為1N·m。故方位部分摩擦載荷為：Mf方位≈1.8N·m。

（3）不平橫力矩分析計(jì)算。通過(guò)模型設(shè)計(jì)和分析得方位轉(zhuǎn)動(dòng)部分：L偏心距≈24.2mm，m轉(zhuǎn)動(dòng)≈14.2kg。預(yù)估機(jī)載平臺(tái)的姿態(tài)角度α約為20°。

不平衡力矩：Ml方位=m轉(zhuǎn)動(dòng)·g·L偏心距·sinα ≈ 1.2N·m。

綜上所述，方位傳動(dòng)所受載荷約為：

2.1.2 俯仰傳動(dòng)所受載荷分析

（1）俯仰軸上所受的慣性載荷。通過(guò)理論分析和預(yù)估，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)部分折合到俯仰軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大概為：J俯仰=0.038kg·m2。俯仰最大角加速度：εmax=0.698rad/s2。俯仰軸上慣性載荷：Mj俯仰＝J俯仰·εmax≈0.027N·m

（2）俯仰傳動(dòng)所受的摩擦載荷。俯仰部分的摩擦力矩包括諧波減速器的摩擦轉(zhuǎn)矩和俯仰關(guān)節(jié)的摩擦力矩，通過(guò)理論分析與實(shí)際類比，取最大摩擦力矩Mf俯仰≈0.5N·m。

（3）不平橫力矩分析計(jì)算。通過(guò)模型設(shè)計(jì)和分析得俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)部分距俯仰軸：LX偏心距≈37.9mm，m轉(zhuǎn)動(dòng)≈4.8kg。

不平衡力矩：Ml俯仰= m轉(zhuǎn)動(dòng)·g·LX偏心距≈ 1.78N·m。

綜上所述，俯仰傳動(dòng)所受載荷約為：

2.1.3 電機(jī)選型

根據(jù)上面分析與計(jì)算，選用的電機(jī)和減速器相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)相關(guān)參數(shù)

表2 減速器相關(guān)參數(shù)

2.2 軸系誤差分析

方位-俯仰型天線座的軸系誤差主要包括方位軸與俯仰軸的不正交性、水平調(diào)整剩余誤差和電軸與俯仰軸的不垂直性三種，后兩種都可以通過(guò)工藝方法進(jìn)行調(diào)整[3]。本文主要介紹方位軸與俯仰軸的不正交性，其影響因素主要有以下幾個(gè)方面：左/右支臂安裝孔中心線距底面尺寸公差引起的不垂直度誤差：俯仰軸承（諧波減速器和俯仰關(guān)節(jié)內(nèi)的軸承）徑向跳動(dòng)引起的不垂直度誤差；方位軸承軸向跳動(dòng)引起的不垂直度誤差；方位杯型件兩個(gè)安裝面的平行度引起的不垂直度誤差。

不正交誤差計(jì)算公式：

式中，δ為高度差；L為跨度。

通過(guò)均方根方法綜合以上四種誤差，得出所能達(dá)到的不垂直度誤差為：

3 主要結(jié)構(gòu)件的仿真分析

3.1 力學(xué)分析

該天線座的主要受力部件為方位支座、杯形件、左右支臂等，用NX軟件建立了其結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的有限元模型[4]。模型中所有物理量的單位均采用國(guó)際單位制（kg、m、s）。本文只對(duì)方位支座進(jìn)行受力分析。

模型中采用3D四面體網(wǎng)絡(luò)對(duì)方位支座和杯形件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，材料選用鑄造鋁合金ZL101A-T6。

圖2 力學(xué)分析云圖

方位支座在底面施加固定約束，在方位軸承面上施加固定力載荷813.6N，添加重力加速度為9.8m/s2，得到方位支座的應(yīng)變和應(yīng)力，如圖2所示，最大應(yīng)變約為0.032mm，最大應(yīng)力約為10.2MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮動(dòng)態(tài)因素的影響，振動(dòng)分析愈顯重要。振動(dòng)要解決的問(wèn)題主要有兩個(gè)：一是尋求結(jié)構(gòu)的固有頻率和主振型；二是分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性。結(jié)構(gòu)的固有頻率和主振型只與結(jié)構(gòu)的剛度特性和質(zhì)量分布有關(guān)[5]。本文采用NX軟件對(duì)機(jī)載天線座進(jìn)行模態(tài)分析，得出其固有頻率和振型，如表3、圖3所示，其符合設(shè)計(jì)要求。

表3 機(jī)載天線座的模態(tài)分析數(shù)據(jù)

圖3 一階二階陣型圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了機(jī)載天線座設(shè)計(jì)中的一般要求，然后根據(jù)該天線座具體性能指標(biāo)，進(jìn)行天線座整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且進(jìn)行載荷分析和軸系誤差分析。最后對(duì)典型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了力學(xué)分析和天線座模態(tài)分析，其數(shù)值均滿足設(shè)計(jì)要求，取得了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。