Способ получения отражающей поверхности рефлектора зеркальной антенны и устройство для его осуществления

 

Использование: для изготовления рефлекторов зеркальных антенн. Сущность изобретения: при изготовлении рефлектора (1) поверхность заготовки разбивают вдоль образующей на участки. Режущему инструменту на каждом участке придают движение по дуге окружности в плоскости, проходящей через продольную ось заготовки, и радиальное перемещение относительно центра этой окружности. Параметры окружности определяют из условия равенства длин дуг этой окружности и теоретической кривой, определяющей профиль рефлектора на этом участке. Дано выражение для определения величины радиального перемещения, которое компенсирует отклонение дуги окружности от теоретической кривой рефлектора. Приведено выполнение поворотной фрезерной головки, обеспечивающее необходимые перемещения режущего инструмента. Дано соотношение для определения параметров кинематической цепи. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для изготовления рефлекторов зеркальных антенн.

Известен способ получения тел вращения с изменяемой кривизной поверхности, который заключается в аппроксимации образующей кривой прямолинейными отрезками [1] Этот способ находит применение при изготовлении цельных отражающих поверхностей различных типов для рефлекторов зеркальных антенн на станках с числовым программным управлением. Однако указанный способ не позволяет получать качественную поверхность, в частности параболоидов вращения, из-за погрешностей аппроксимации, погрешностей позиционирования инструмента по большому числу опорных точек, а также дискретного изменения угла наклона прямолинейных участков. Последнее приводит также к ухудшению чистоты поверхности в зонах опорных точек.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения отражающей поверхности рефлектора и устройство для его осуществления [2] принятые за прототип. В соответствии со способом-прототипом рабочей кромке вращающегося режущего инструмента задают перемещение в осевой плоскости относительно вращающейся заготовки по дуге окружности, центр которой находится на фокальной оси рефлектора. Этот способ реализуется достаточно просто.

Устройство-прототип для обработки отражающей поверхности рефлекторов содержит поворотный стол для закрепления заготовки рефлектора зеркальной антенны и установленную над поворотным столом поворотную фрезерную головку со шпинделем и режущим инструментом.

Поверхность рефлектора, обработанная таким способом и на этом устройстве, имеет более высокую точность и чистоту. Однако данный способ и устройство для его осуществления позволяют получить отражающую поверхность только сферического типа. В то же время повышение технических характеристик зеркальных антенн делает необходимым выполнение отражающей поверхности рефлектора не только сферического, но и других типов. А это требует повышения точности изготовления отражающей поверхности рефлектора.

Цель изобретения состоит в повышении точности поверхности рефлектора.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения отражающей поверхности рефлектора зеркальной антенны, при котором вращают заготовку рефлектора зеркальной антенны относительно ее продольной оси, вращают режущий инструмент относительно собственной оси и перемещают его по дуге окружности в плоскости, проходящей через продольную ось заготовки рефлектора зеркальной антенны, согласно изобретению, разбивают поверхность заготовки вдоль образующей на i участков, перемещают режущий инструмент по дуге окружности в плоскости, проходящей через продольную ось заготовки рефлектора зеркальной антенны, последовательно на каждом i-ом участке, причем параметры окружности определяют из условия равенства длин дуг этой окружности и теоретической кривой, например параболы, определяющей профиль рефлектора зеркальной антенны на этом участке, режущему инструменту на каждом i-ом участке придают относительно центра окружности радиальное перемещение, определяемое из выражения: где Δ_1i, Δ_2i максимальные значения величины недореза и подрезания теоретического профиля рефлектора на i-ом участке при перемещении режущего инструмента по дуге окружности, определяемой из условия равенства длин дуг этой окружности и теоретической кривой; Сi коэффициент, значение которого находится в пределах от 0 до 0,4; ϕ угол, который изменяется в пределах от 0 до 2π.

Поставленная цель достигается также тем, что в устройстве для получения отражающей поверхности рефлектора зеркальной антенны, содержащем поворотный стол для закрепления заготовки рефлектора зеркальной антенны, установленную над поворотным столом поворотную фрезерную головку со шпинделем и режущим инструментом, согласно изобретению, режущий инструмент установлен с возможностью радиального перемещения, для чего поворотная фрезерная головка снабжена направляющей, в которой с возможностью радиального перемещения установлен ползун с направляющей, в которой с возможностью радиального перемещения установлен шпиндель с режущим инструментом, зубчатый сектор, соосный оси подвеса поворотной фрезерной головки, жестко соединен с этой осью и кинематически связан с ползуном посредством установленных в поворотной фрезерной головке редукторов и винтовой пары, а также размещенных между редукторами пары некруглых, например эллиптических, зубчатых колес, кулисного и реечного механизмов, в которых кулиса и рейка жестко связаны между собой, при этом передаточное отношение первого редуктора между некруглыми колесами и зубчатым сектором равно i_нс= 2π/β_i, где β_i центральный угол, соответствующий дуге i-го участка, а параметры кинематической цепи между этим редуктором и ползуном определяются соотношением где μ величина радиального перемещения инструмента;
l длина кривошипа кулисного механизма;
P шаг передачи винтовой пары;
D диаметр начальной окружности зубчатого колеса реечного механизма;
i_PB передаточное отношение второго редуктора;
C эксцентриситет некруглых зубчатых колес;
v угол поворота ведущего некруглого зубчатого колеса.

Именно заявленное конструктивное выполнение поворотной фрезерной головки с указанной кинематической связью между осью ее подвеса и шпинделем с режущим инструментом обеспечивает, согласно способу, сложное перемещение режущего инструмента и достижение цели изобретения. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом и аналогами позволяет установить, что они неизвестны из уровня техники и, значит, соответствуют критерию "новизна".

Анализ заявляемых технических решений показывает, что они имеют изобретательский уровень, так как для специалиста явным образом не следуют из уровня техники.

Изобретения являются промышленно применимыми, так как могут быть использованы для промышленного производства антенной техники при изготовлении рефлекторов зеркальных антенн.

Сущность изобретений поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема обработки отражающей поверхности рефлектора; на фиг.2 схема расчета погрешности обработки при перемещении режущего инструмента по дуге окружности; на фиг. 3 графики радиального перемещения инструмента и погрешности обработки при перемещении режущего инструмента по дуге окружности; на фиг.4
кинематическая схема устройства для обработки отражающей поверхности рефлектора.

Для обработки отражающей поверхности а (фиг.1) рефлектора 1 зеркальной антенны производят разбивку теоретической поверхности б (фиг.2), заданной в осевой плоскости функцией y f(x), вдоль образующей на несколько участков. Для каждого i-го участка, ограниченного точками А и Б, определяют параметры окружности координаты центра т. O_i(X_oi, Y_oi) и величину радиуса R_i по дуге которой производится основное переносное перемещение рабочей кромки режущего инструмента 2, по зависимостям:
x_oi= (x_A+x_Б)/2-R_icos(β_i/2)sin γ_i;
y_oi= (y_A+y_Б)/2-R_icos(β_i/2)cos γ_i;
R_i= L_i/β_i;
,
где X_A, X_Б, Y_A, Y_Б координаты точек А и Б теоретической кривой;
L_i длина дуги теоретического профиля на i-м участке

y' первая производная функция y;
l_i длина хорды между точками А и Б

γ_i угол наклона хорды АБ к оси Х
γ_i= arctg[(y_Б-y_A)/(x_Б-x_A)].
Погрешность обработки при указанных начальных условиях (перемещение инструмента по дуге окружности) определяется по величине отклонения Δ_i (фиг. 2) дуги окружности b_i на i-ом участке от теоретического б профиля по зависимости
Δ_i= S_i-R_i
где S_i расстояние от точки С теоретического профиля i-го участка с координатами (X_ci, Y_ci) до точки О_i

График начальной погрешности обработки Δ_i на i-ом участке представлен на фиг. 3. Экстремальные точки этого графика определяют максимальные значения величины недореза Δ_1i и подрезания Δ_2i теоретического профиля дугой окружности.

Затем по зависимости для ΔR_i в соответствии с характером графика Δ_i и максимальными значениями недореза Δ_1i и подрезания Δ_2i определяется значение коэффициента С_i с тем, чтобы значения функции ΔR_i отличались от значений функции Δ_i не более, чем на заданную величину погрешности (отклонение действительного профиля а рефлектора от теоретического б). При этом учитывается, что верхние знаки перед коэффициентом С_i смещают экстремальные точки функции ΔR_i ближе к точкам А и Б, а нижние знаки ближе к середине участка. Значение коэффициента C_i для рассматриваемого i-го участка является постоянным.

Найденная расчетами функция ΔR_i представлена на фиг.3 и определяет дополнительное радиальное перемещение рабочей кромки инструмента на i-ом участке обработки рефлектора. Это перемещение компенсирует начальную погрешность Δ_i. Значение коэффициента C_i в пределах от 0 до 0,4 принято потому, что они позволяют получить максимальное приближение функции ΔR_i к функции (- (-Δ_i)).

Общая погрешность обработки рефлектора предлагаемым способом определяется величиной отклонения Δ_Σi действительного профиля a_i от теоретического б по зависимости:
Δ_Σi= S_i-(R_i+ΔR_i)= Δ_i-ΔR_i.
После определения параметров обработки заготовке рефлектора 1 может быть придано вращение вокруг фокальной оси (по ней проходит ось y), а режущей кромке вращающегося инструмента 2 (например, фрезы) перемещение в осевой плоскости вокруг центра О_i радиусом (R_i+ΔR_i) в растворе угла β_i. После обработки одного участка может производиться настройка для обработки следующего участка и его обработка.

Устройство (фиг.4) для получения отражающей поверхности рефлектора 1 зеркальной антенны посредством режущего инструмента 2 содержит поворотный стол 3, на котором размещается заготовка рефлектора, и установленную над стволом поворотную фрезерную головку 4 со шпинделем 5 и инструментом 2. Фрезерная головка 4 установлена на стойке станины (на рисунке не показано) с помощью оси подвеса 6 и ползунов 7 и 8. Ползуны 7 и 8 имеют возможность перемещения в вертикальном и горизонтальном направлениях, изменяя положение точки подвеса фрезерной головки, а ось подвеса 6 позволяет фрезерной головке поворачиваться относительно нее.

Поворотная фрезерная головка выполнена в виде корпуса 9 с направляющими 10 и установленного в них ползуна 11. В направляющих 12 ползуна 11 установлен шпиндель 5 с возможностью перемещения вдоль ползуна 11 посредством связывающей их винтовой пары 13 (механизм привода этой пары не показан). Направляющие 10 и 12 обеспечивают возможность радиального перемещения режущего инструмента 2.

Соосно с осью подвеса 6 поворотной фрезерной головки жестко соединен зубчатый сектор 14, который также жестко соединен с ползуном 7.

Зубчатый сектор 14 кинематически связан с ползуном 11. Эта связь выполнена из установленных в корпусе 9 поворотной фрезерной головки 4 редуктора 15 с зубчатым колесом 16, редуктора 17 и винтовой пары 18, а также размещенных между редукторами пары некруглых, например эллиптических, зубчатых колес 19, 20, кулисного и реечного механизмов.

Кулисный механизм состоит из кулисы 21, кривошипа 22 и ползуна 23. Реечный механизм состоит из зубчатой рейки 24 и зубчатого колеса 25. Кулиса 21 имеет возможность перемещения в направляющих 10 корпуса 9. Зубчатая рейка 24 жестко связана с кулисой 21.

Передаточное отношение редуктора 15 с колесом 16 определяется из условия поворота колеса 19 на угол 2π и перекатывания колеса 16 по зубчатому сектору 14 на угол b_i Это отношение равно
i_нс= 2π/β_i.
Параметры кинематической передачи между эллиптическим колесом 19 и винтовой парой 18 определяются из условия поворота колес 19, 20 и кривошипа 22 на угол 2 2π, обеспечения необходимой амплитуды радиального перемещения инструмента 2 и смещения экстремальных значений амплитуды его колебаний ближе к точкам А и Б или середине участка обработки. Эти параметры определяются в соответствии с указанной выше зависимостью для m. При этом l определяет длину кривошипа 22, Р шаг винтовой пары 18, D диаметр начальной окружности зубчатого колеса 25, i_PB передаточное отношение редуктора 17, С - эксцентриситет некруглых (эллиптических) зубчатых колес 19 и 20, v - текущий угол поворота колеса 10.

Для каждого участка обработки выполняются соотношения

При этом учитывается, что верхние знаки перед коэффициентом С определяют ускоренное движение колеса 20 на начальном и конечном этапах его взаимодействия с колесом 19 (изображено на фиг.4), а нижние знаки - замедленное движение (положение колес 19, 20 должно быть повернуто на 180^o относительно показанного на фиг.4). Также учитывается соответствующее этому смещение экстремальных значений μ(ΔR_i) к точкам А и Б в первом случае и к середине участка во втором случае. Величина коэффициента С может быть принята постоянной для обработки полного профиля рефлектора, что может быть технологически целесообразным из-за исключения смены некруглых зубчатых колес при переходе от одного участка обработки к другому.

Устройство работает следующим образом.

На поворотном столе 3 закрепляют заготовку рефлектора 1. По найденным в соответствии с приведенными выше зависимостями параметрами производят настройку устройства. При этом путем перемещения ползунов 7 и 8 устанавливают место оси подвеса 6, вокруг которой поворачивается поворотная фрезерная головка 4. Затем устанавливают параметры кинематической цепи от зубчатого сектора 14 до винтовой пары 18. Посредством винтовой пары 13 выставляют исходную рабочую длину поворотной фрезерной головки 4 и размещают рабочую кромку инструмента 2 в одну из точек А(Б) обрабатываемого участка.

Для обработки отражающей поверхности рефлектора 1 поворотному столу 3 и некруглому колесу 19 придают вращение вокруг их осей.

Вращение от колеса 19 через редуктор 15 передается на колесо 16, которое, обкатываясь по зубчатому сектору 14, поворачивает фрезерную головку 4 вместе со шпинделем 5 и инструментом 2 на угол β_i.

Вращение от колеса 19 передается также на колесо 20 и связанный с ним кривошип 22. Вращение кривошипа через ползун 23 преобразуется в возвратно-поступательное движение кулисы 21 и рейки 24.

Движение рейки 24 через колесо 25, редуктор 17 и винтовую пару 18 преобразуется в радиальное возвратно-поступательное движение ползуна 11 вдоль направляющих 10 корпуса 9 поворотной фрезерной головки. Вместе с ползуном радиальное возвратно-поступательное движение вдоль поворотной фрезерной головки 4 получает шпиндель 5 с инструментом 2.

Таким образом, режущий инструмент 2, получая переносное перемещение по дуге окружности вместе с поворотной фрезерной головкой 4 и относительное радиальное перемещение вдоль нее, обрабатывает на вращающейся заготовке рефлектора 1 участки отражающей поверхности.

Пример обработки рефлектора.

Характеристика рефлектора: теоретическая форма отражающей поверхности рефлектора параболоид вращения; диаметр рефлектора 2м; фокусное расстояние 0,66 м; материал рефлектора сплав алюминиевый АМц ГОСТ 21631-76.

Чистовое фрезерование осуществляется на карусельно-фрезерном станке 6М23С13, снабженным поворотной фрезерной головкой с указанной системой настройки и перемещения шпинделя с режущим инструментом. В качестве инструмента используется концевая фреза 2223-0506 ГОСТ 20537-75 диаметром 40 мм. Режим обработки: глубина фрезерования 0,2-0,4 мм; подача на один оборот фрезы 1 мм/об; скорость резания 500 м/мин; шероховатость обрабатываемой поверхности 1,25-1,6 мкм.

При обработке отражающей поверхности рефлектора по трем участкам, разделенным опорными точками с координатами по оси абсцисс (Х) 0; 0,35; 0,7; 1,0 м, погрешность получаемого профиля не превышает ±0,015 мм.

Использование предлагаемых способа и устройства позволяет проводить обработку отражающей поверхности рефлекторов, близкую к параболоиду вращения с повышенной точностью и использовать такие рефлекторы в антеннах с частотным диапазоном до 100 ГГц и больше. Изобретение применимо также в машиностроении при обработке изделий, требующих высокой точности воспроизведения криволинейных поверхностей.

Формула изобретения

1. Способ получения отражающей поверхности рефлектора зеркальной антенны, при котором вращают заготовку рефлектора зеркальной антенны относительно ее продольной оси, вращают режущий инструмент относительно собственной оси и перемещают его по дуге окружности в плоскости, проходящей через продольную ось заготовки рефлектора зеркальной антенны, отличающийся тем, что разбивают поверхность заготовки вдоль образующей на i участков, перемещают режущий инструмент по дуге окружности в плоскости, проходящей через продольную ось заготовки рефлектора зеркальной антенны, последовательно на каждом i-м участке, причем параметры окружности определяют из условия равенства длин дуг этой окружности и теоретической кривой, например параболы, определяющей профиль рефлектора зеркальной антенны на этом участке, режущему инструменту на каждом i-м участке придают относительно центра окружности радиальное перемещение, определяемое из выражения

где Δ_1i, Δ_2i максимальные значения величин недореза и подрезания теоретического профиля рефлектора на i-м участке при перемещении режущего инструмента по дуге окружности, определяемой из условия равенства длин дуг этой окружности и теоретической кривой;
C_i коэффициент, значение которого находится в пределах от 0 до 0,4;
ϕ угол, который изменяется в пределах от 0 до 2π;
2. Устройство для получения отражающей поверхности рефлектора зеркальной антенны, содержащее поворотный стол для закрепления заготовки рефлектора зеркальной антенны, установленную над поворотным столом поворотную фрезерную головку со шпинделем и режущим инструментом, отличающееся тем, что режущий инструмент установлен с возможностью радиального перемещения, для чего поворотная фрезерная головка снабжена направляющей, в которой с возможностью радиального перемещения установлен ползун с направляющей, в которой с возможностью радиального перемещения установлен шпиндель с режущим инструментом, зубчатый сектор, соосный оси подвеса поворотной фрезерной головки, жестко соединен с этой осью и кинематически связан с ползуном посредством установленных в поворотной фрезерной головке редукторов и винтовой пары, а также размещенных между редукторами пары некруглых, например, эллиптических, зубчатых колес, кулисного и реечного механизмов, в которых кулиса и рейка жестко связаны между собой, при этом передаточное отношение первого редуктора между некруглыми зубчатыми колесами и зубчатым сектором равно
L_нс= 2π/β_i,
где β_i центральный угол, соответствующий дуге i-го участка,
а параметры кинематической цепи между этим редуктором и ползуном определяются соотношением

где μ величина радиального перемещений режущего инструмента;
l длина кривошипа кулисного механизма;
P шаг передачи винтовой пары;
D- диаметр начальной окружности зубчатого колеса реечного механизма;
i_рв передаточное отношение второго редуктора;
С эксцентриситет некруглых зубчатых колес;
v угол поворота ведущего некруглого зубчатого колеса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4