基于布局设计的曲面天线部装工装

山西能源学院□郜 敏

1 研究背景及意义

天线主要用于接收和发射无线电信号，可以分为曲面天线和平板天线。曲面天线主要采用一次或二次反射接收信号，平板天线则直接接收信号。在设计天线时，通常需考虑如下问题：确定反射面型式；确定反射体主力骨架的型式和具体的结构；确定天线本身的材料以及制造加工工艺方案；通过分析天线所承受的载荷，确定天线的结构强度和刚度等；通过对反射面表面精度进行论证，可确定天线表面精度检测方案；还可确定天线的架设和运输方案等。

天线主要由背架、反射面、副面撑杆以及中心体组成。天线部装即连接在背架上弦结点上的小装配体。由于天线主要由薄壁面板和长短筋板组成的特殊薄壁结构，其结构的装配也由长短筋板和相关连接件的装配。天线的结构装配是最终的制造环节，其起着极其重要的作用，是目前国内外研究的重点之一，是一项高技术、多学科的系统工程。

本文主要研究基于布局设计的曲面天线工装。布局问题其实质就是将要布局的物体合理分配在一个空间内，其由布局空间、布局物体、布局物之间的相关系组成的。国内外对这方面研究比较多，例如北京交通大学李刚借助于并行模拟退火算法，对机电产品进行合理的布局设计。北京航空航天大学任文杰通过智能布局算法设计一套布局系统，其目的在于对结构进行精确分析与计算。

2 研究内容

天线部装主要由基本属性信息、装配层次信息、装配关系信息、工程语义信息等组成。其中基本属性信息指的是零件层、特征层、几何层等。装配层次信息指的是装配零件从属关系、装配次序和层次、装配零部件区分等信息。装配关系信息指的是零件位姿信息、定位连接关系信息等。工程语义信息指的是部装零件分类、零件物理属性及处理要求、工艺要求等信息。

本文基于曲面天线部装工装的三维模型，研究装配工装布局设计问题。通过分析部装结构形式及内部零部件之间的相互关系，可获得尺寸信息、装配信息、零部件分类信息等。

首先，通过识别定位筋板长度，确定定位筋板的定位位置、定位域以及定位数等；其次，确定工装零件，实现自动化装配，且当零件是非标件时，需获取非标件的设计信息。

3 曲面天线工装布局设计

（1） 定位方式

本文研究的曲面天线装配体包含点线面信息、孔、轴、坐标系等特征信息。曲面天线工装布局设计指的是布局空间、布局物体以及布局物之间的相互关系。其中布局空间指的是曲面天线模型的长、宽和高。布局物体指的是将天线部装位置进行固定的装配工装零件，包含定位件、垫块、过渡件等。布局物体之间的相互关系指的是通过不同的排列组合关系产生的不同的布局形态。

本文是基于3-2-1定位方式衍生出的N-2-1定位，其原理是第一基准面有N个定位点，第二基准面有两个定位点，第三基准面有一个定位点。基于曲面天线部装的实际情况，天线筋板薄壁元件定位点为N个。以定位长筋板为例来说，采用销孔定位与筋板侧面工艺孔配合定位，在此基础上再增加辅助定位。

（2）天线部装装夹方案

针对天线部装装夹夹紧方案有如下要求：保持原有工件的位置；选取合适的夹紧力；具有相对简单的结构；易于维修等。本文针对薄壁件进行研究，其具有自己的特性，厚度远大于轮廓尺寸，所以需选择合适的夹紧力大小和方向。综上考虑，本文选择C形夹进行天线部装的固定，可将筋板与角型件、筋板与定位件进行夹紧。

（3）天线部装布局空间求解

天线部装布局空间设计的主要依据是天线本身结构以及其放置姿态。本文采用天线部装建模时的姿态，在此姿态下，其零部件处于竖直状态，且部装处于展开的状态，其状态下仅受重力，可以获得较大的布局空间。

（4）工装零部件选取

定位层、过渡层、支撑层、基础层组成天线零件。其中定位层指的是定位件和垫块的组合，过渡层指的是过渡件的组合，支撑层指的是型架及其垫块的组合，基础层指的是基础件的组合。定位位置属于不同筋板且处于同一方向位置的区域称为 “域”，天线部装可以有多个 “域”，不同域之间工装零件的选取结果不同。

（5）工装自动装配

零部件自动化装配有以下两个类型：1）基于参照基准面的自动化装配，即建立第三方基准参照坐标系；2）基于二维布局图的自动装配，即在布局图中确定元件之间的装配。

本文采用的是基于参照基准面的自动化装配，即在零件适当位置创建坐标系特征，基于坐标系对齐方式实现元件自动装配。根据元件的配合特征创建坐标系，一方面在确保元件在装配时，元件的装配关系不会因为元件上装配特征处位置的关系而变化；另一方面，根据装配需要在建立坐标系时，要在装配关系的特征处建立坐标系，且坐标系在元件上的位置会随着该处配合特征的变化而变化。

（6）过渡板设计

针对天线部装进行装配时，需用过渡板进行不同位置工装连接。由于工装设计包括五个部分，即定位件、垫块、过渡件、型架和基础件等。当定位元件比较多时，需用过渡件进行连接。过渡件的设计参数包括长、宽、高等。

4 总结

本文通过分析研究天线部装定位夹紧方式，确定天线部装定位位置关系，确定筋板定位数。通过利用部装工装设计信息以及布局空间计算结果，计算选取出每一定位位置工装零件。选取坐标系对齐方式作为工装自动装配方式，实现工装件的自动装配。