大型天线主反射面位姿调整机构设计

贾彦辉，李建军

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

0 引言

随着现在电子技术、无线电通信、计算机技术的迅猛发展。射电天文技术方法得到长足的进步。作为射电天文主要探测工具的大型射电望远镜，依靠大接收面积、高方向性的天线，了解有关天体的物理特性等。大型天线由于受重力变形及安装误差的影响，主反射面的位置和姿态安装精度存在一定的误差，从而影响了天线的接收性能。

传统的天线主反射面位姿调整机构常用有手动调整机构和电动调整机构两种，手动调整多为调整螺杆，电动调整机构多为在调整螺杆的基础上增加小型驱动电机实现。由于传动天线的主反射面分块数量有限，且变形较小，需要调整机构的调整量也小，因此，传动的调整机构即可以满足使用要求。

大型射电天线由于主反射面直径大、自重大、调整量大、且需多数主反射面板可实现同时调整等要求，故大型射电天线的主反射面位姿调整机构需要具备高刚度、结构紧凑、精度高、可实现同步调整、调整范围相对较大等性能，此时传统的主反射面位姿调整机构已不能满足使用要求。

1 位姿调整机构结构设计

为了克服主反射面不可动的大型天线的主反射面位姿调整和误差补偿方面的缺陷，提供一种在天线工作状态时主反射面位姿的调整机构，以补偿因重力变形和安装误差等因素导致的天线性能的变化和指向偏差，使其具有高的指向精度、环境适应性以及长期工作的可靠性，提高大型天线设备的信号接收性能。

该大型天线主反射面的位姿调整机构，主要包括吊环、箱体组合、滚珠丝杠、套筒组合和滑块组合，如图1所示。

图1 位姿调整机构的结构组成

其中吊环配装在滚珠丝杠的一端，滚珠丝杠穿过箱体组合位于套筒组合内的另一端端部配装有滑块组合；套筒组合的一端为固定端，套筒组合的另一端固装在箱体组合上；在套筒组合的对称两面的中心处分别沿其长度方向加工有导向槽，滑块组合与套筒组合中的导向槽共同实现导向；箱体组合内设置有滚珠丝杠的旋转驱动机构。

所述的旋转驱动机构包括蜗杆、涡轮、圆锥滚子轴承和平键；套装在滚珠丝杠上的丝杠螺母两端通过圆锥滚子轴承与箱体组合实现配装和固定；涡轮套装在丝杠螺母上，两者的连接通过平键实现固定配合；蜗杆安装在箱体组合内部，两端通过圆锥滚子轴承与箱体组合进行配装。

其中套筒组合两端分别安装有限位开关与滑块组合共同作用实现位姿调整机构的调整行程控制；套筒组合的中间处安装有零位开关，与滑块组合共同作用实现单回程内的误差消除。

2 滚珠丝杠设计

滚珠丝杠作为该调整机构的主要传动部件，其设计步骤如下。

2.1 初算导程

滚珠丝杠的导程为：

式中，vmax为丝杠副最大移动速度（有效行程／调整时间），nmax为丝杠副最大相对转速（电机转速／减速比）。查产品样本手册，选取Ph＝10mm

2.2 初选滚珠丝杠底径

根据设计输入，滚珠丝杠承受的最大力值为Famax＝25000N，并考虑一定的安全系数，由相关产品样本手册，初选丝杠轴底径为d1＝75mm。

2.3 丝杠轴最高转速

2.4 螺母选择

滚珠丝杠的螺母，根据钢球的循环方式可分为：弯管式、循环器式、端盖式。其中，弯管式最为典型，结构简单，承载能力大，不受导程的限制，故选择弯管式循环方式，通过使用弯管让钢球进行循环，钢球从丝杠轴的沟槽中被掬取进入弯管后，再回到沟槽中，作无限循环运动。

滚珠丝杠副预紧方式有增大钢球直径、变位导程和调整垫片等，结合滚珠丝杠副不同预紧方式各自特点，拟采用双螺母，在2个螺母中间插入调整垫片以施加预压，此种方式丝杠副承载能力大、运转平稳，适合于调整机构所用滚珠丝杠副负载大、定位精度要求高的情况。

2.5 初选型号

根据上述分析，并查阅相关厂家产品手册，拟选THK精密滚珠丝杠，公称型号为BNFN 8010－5，其基本参数如表1所示。

表1 公称型号基本参数

2.6 静态安全系数的计算

根据使用条件，对于计算载荷有必要考虑其静态安全系数。由基本额定静负荷和轴向载

即说明对应所选滚珠丝杠，其静态安全系数为11.3，静态轴向负荷没有问题。

2.7 工作寿命的计算

根据基本额定动负荷及轴向负荷，计算滚珠丝杠的额定寿命（总转数）如下：荷，计算滚珠丝杠静态安全系数如下：

式中，fw为负荷系数，由vmax＝0.022≤0.25m／s，知工作情况属于微小振动、冲击，故fw＝1～1.2，取fw＝1.05；Fa为丝杠所承载轴向负荷，按正常工作时各分支所受最大力选取，即Fa＝fn＝15338N。

工作寿命时间为

式中，N为每分钟转数，n为每分钟往返次数，ls为行程长度。

由上可知，所选BNFN 8010－5型丝杠能满足寿命时间4000h要求。

3 结束语

该大型天线主反射面的位姿调整机构采用的的滚珠丝杠副传动机构，结构刚度大、承载能力强、响应速度快、具有很高的传动精度和可靠性，通过借助蜗轮蜗杆的自锁特性来避免滚珠丝杠副的逆转，用以保证主反射面调整工作的稳定，能够实现天线主反射面的位姿调整和精度控制，补偿因重力变形和安装误差等因素导致的天线性能和指向的变化，并能适应多频段馈源工作的要求，全天候保证天线工作于最佳状态。

［1］ 成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［2］ 吴凤高.天线座结构设计［M］.西安：西北电讯工程学院出版社，1986.

［3］ 王宇哲.大型射电望远镜多馈源切换机构的设计［J］.无线电工程，2010，40（5）：52－64.