ОПОРНО-ПОВОРОТНОЕ УСТРОЙСТВО
ROTARY SUPPORT DEVICE

Заявляемое изобретение относится к устройствам для измерения характеристик объектов исследования при изменении двух угловых координат их ориентации в пределах ограниченного угла поворота. Устройство может использоваться в различных частотных диапазонах: радио, оптическом, акустическом и т.п.
Объектом исследования могут являться:
• любые объекты (корабли, самолеты, объекты ракетно-космической техники и т.п.). В этом случае в точке излучения зондирующих сигналов принимают сигналы, отраженные от объекта исследования, оценивают их и определяют его радиолокационные характеристики (РЛХ).
• антенны, способные принять или излучить зондирующий сигнал, оценка которых позволяет определить их радиотехнические (РТХ) характеристики.
В заявляемом изобретении рассмотрены преимущественно опорно-поворотные устройства (ОПУ), предназначенные для измерений в радиочастотном диапазоне, используемые для получения радиолокационных характеристик (РЛХ) объектов исследования.
Для проведения таких исследований создают измерительные комплексы, в которых объект исследования облучается зондирующими сигналами соответствующего частотного диапазона, которые принимаются и оцениваются, например, [1]. Важным элементом таких измерительных комплексов является ОПУ, которое позволяет оценить свойства объекта исследования при изменении его ориентации по одному, двум и более углам относительно зондирующего сигнала.
В общем случае ОПУ должно обеспечить вращение (позиционирование) объекта по трем углам Эйлера:
• азимуту (курсу) - направлению продольной оси объекта в горизонтальной плоскости;
• углу элевации (места) - направлению продольной оси объекта в вертикальной плоскости;
• углу тангажа - вращению вокруг продольной оси объекта.
В данном изобретении будем рассматривать только азимутальные и элевационные позиционеры, поскольку вращение по углу тангажа, как правило, применяется крайне редко.
ОПУ могут снабжаться приводами для углового позиционирования объекта исследования по заданной программе в автоматических или автоматизированных измерительных системах.
ОПУ оцениваются по:
1. Функциональным возможностям - количеству и величинам углов позиционирования объекта исследования.
2. Способности выдержать механические нагрузки объекта исследования на конструкцию ОПУ.
3. Способности при угловом позиционировании сохранить в неизменном положении «центр» объекта, под которым в зависимости от задач и объекта исследования, понимают:
• Фазовый центр антенны (объекта).
• Центр масс объекта исследования.
• Геометрический центр объекта исследования.
И т.п.
4. Степени влияния конструкции ОПУ на результаты измерений характеристик объекта исследования.
Известно [2] трехосевое ОПУ, содержащее позиционеры по трем углам Эйлера.
Недостатком этого и множества подобных ОПУ является то, что в процессе поворота изменяется пространственное положение объекта исследования и его центра. Соответственно изменяются РЛХ, подлежащие измерению. В результате снижается точность измерений.
Известно однокоординатное ОПУ [3], выполненное в виде азимутального позиционера, который содержит каретку и направляющий профиль, выполненный в форме дуги окружности с центром, расположенным в точке вращения объекта исследования. Направляющий профиль и каретка обеспечены возможностью относительного перемещения, на каретке установлен объект исследования.
ОПУ [2] способно поворачивать объект исследования вокруг точки его вращения за счет перемещения направляющего профиля по неподвижной каретке. В качестве объекта исследования предполагается антенна, а точкой вращения является ее фазовый центр.
ОПУ [3] обеспечивает возможность вращения объекта исследования вокруг фазового центра антенны, в котором невозможно установить механические элементы ОПУ;
Недостатками ОПУ [3] являются:
• ограниченные функциональные возможности - связанные с возможностью поворачивать объект только по одному углу и в ограниченном диапазоне;
• низкая механическая прочность конструкции, не пригодная для тяжелых объектов;
• низкая точность, связанная с тем, что конструктивные элементы ОПУ изменяют свое положение при вращении, что непредсказуемо влияет на результаты измерений.
Наиболее близким к заявляемому является ОПУ [4], содержащее азимутальный и элевационный позиционеры, оси вращения которых пересекаются в требуемой точке вращения объекта исследования, элевационный позиционер содержит направляющий профиль и каретку, обеспеченные возможностью относительного перемещения, направляющий профиль имеет форму дуги окружности с центром, расположенном в точке вращения объекта исследования.
Очевидно, что ОПУ [4] предназначено, в основном, для антенных измерений. Принцип позиционирования объектов исследования в ОПУ [4] заключается в перемещении направляющих дуг относительно кулис.
Достоинства ОПУ [4] состоят в том, что оно способно:
• позиционировать объект исследования по двум осям;
• сохранять неизменным положение точки вращения «центр» объекта исследования.
Недостатками ОПУ [4] являются:
• низкие функциональные возможности, связанные с ограниченными углами вращения азимутального позиционера;
• низкая механическая прочность конструкции, не пригодная для тяжелых объектов;
• конструктивные элементы ОПУ изменяют свое положение при вращении, что непредсказуемо влияет на результаты измерений.
Техническими результатами использования заявляемого изобретения являются:
1. Расширенные функциональные возможности, благодаря увеличению возможных углов поворота азимутального позиционера.
2. Увеличенная механическая прочность ОПУ, благодаря конструкции азимутального позиционера
3. Повышение точности измерений, благодаря снижению влияния элементов конструкции ОПУ на результаты измерений.
Для достижения этих результатов опорно-поворотное устройство, содержащее азимутальный и элевационный позиционеры, оси вращения которых пересекаются в требуемой точке вращения объекта исследования, элевационный позиционер содержит направляющий профиль и каретку, обеспеченные возможностью относительного перемещения, направляющий профиль имеет форму дуги окружности с центром, расположенном в точке вращения объекта исследования, выполнено так, что направляющий профиль является, основанием опорно-поворотного устройства, азимутальный позиционер состоит из основания и поворотной платформы способной вращаться вокруг его оси, основание азимутального позиционера неподвижно установлено на каретке, а поворотная платформа соединена штангой с объектом исследования в выбранном месте объекта.
Существенные отличия заявляемого устройства заключаются в следующем.
Направляющий профиль является, основанием опорно-поворотного устройства. Такое решение обеспечивает заданную механическую прочность конструкции.
В прототипе основанием ОПУ являются каретки азимутального и элевационного позиционеров, с консольно перемещающимся в них направляющими профилями. Очевидно, что такая конструкция обладает малой механической прочностью.
Азимутальный позиционер состоит из основания и поворотной платформы способной вращаться вокруг его оси. Такое решение является классическим, широко применяется в различных объектах техники, позволяет вращать объект исследования по азимуту вплоть до 360° при любых нагрузках.
В прототипе блок поворота по углу азимута, выполнен в виде направляющего профиля, перемещаемого в каретке. Такое решение ограничено по углу поворота и обладает низкой механической прочностью.
Основание азимутального позиционера неподвижно установлено на каретке элевационного позиционера. Такое решение в равных условиях отличается повышенной механической прочностью по сравнению с прототипом.
В прототипе также соединены основания (каретки) азимутального и элевационного позиционеров, однако, механическая прочность такой конструкции сомнительна.
Направляющий профиль элевационного позиционера является, основанием опорно-поворотного устройства. Такое решение обеспечивает большую механическую прочность конструкции.
Поворотная платформа азимутального позиционера соединена штангой с объектом исследования. Такое решение позволяет вынести объект исследования из зоны основных элементов ОПУ. В результате штанга оказывается единственным элементом ОПУ оказывающим влияние на результаты измерений.
В прототипе элементы конструкции ОПУ расположены в непосредственной близости от исследуемого объекта, что снижает точность измерений.
Штанга расположена в выбранном месте объекта. Возможность изменения места соединения объекта исследования со штангой позволяет снизить ее влияние на точность измерений.
В прототипе место установки объекта исследования по отношению к ОПУ предопределено.
Общими отличиями и преимуществами заявляемого ОПУ являются:
1. Конструкция заявляемого ОПУ в существенном смысле остается неподвижной по отношению к объекту исследования в ходе поворотов. В худшем случае изменяется положение штанги. В результате появляется возможность снять и сохранить характеристики ОПУ без объекта исследования, а затем учесть их в процессе измерений ОПУ с объектом.
В прототипе направляющие профили ОПУ изменяют свое положение, что приводит к изменению свойств, которые сложно учесть.
2. Снижение влияния ОПУ на точность измерений достигается, в том числе, установкой поглощающих покрытий на его конструктивные элементы. В заявляемом ОПУ такое покрытие устанавливается достаточно просто и, в основном, необходимо лишь для штанги.
В прототипе возможность установки покрытий на направляющие профили связана с серьезными проблемами.
Заявляемое устройство иллюстрируют следующие графические материалы:
ФИГ. 1. ОПУ для измерения характеристик любого объекта.
ФИГ. 2. ОПУ для измерения характеристик антенн,
где:
1. Объект исследования.
2. Точка вращения объекта исследования.
3. Азимутальный позиционер.
4. Основание азимутального позиционера.
5. Поворотная платформа азимутального позиционера.
6. Основание ОПУ.
7. Направляющий профиль элевационного позиционера радиуса R.
8. Каретка элевационного позиционера.
9. Штанга.
9А. Штанга, расположенная по центру тяжести объекта исследования, Фиг. 1.
9В. Штанга, расположенная в произвольном положении, Фиг. 1.
9С. Штанга, удаленная от области измерений, Фиг. 2.
10. Фронт зондирующего сигнала.
Ось вращения азимутального позиционера X.
Ось вращения элевационного позиционера Z.
Рассмотрим возможность реализации заявляемого ОПУ.
Объектами исследования могут являться:
• любые объекты исследования, Фиг. 1;
• антенны, Фиг. 2.
В зависимости от типа объекта исследования 1 и решаемых задач технические характеристики (размер, механические свойства и т.п.), а также конструкция заявляемого ОПУ (например, положение штанги 9) могут изменяться.
5. Точка вращения 2 объекта исследования 1 выбирается, исходя из его типа, задач и способа исследования. В качестве точки вращения 2 могут выбираться:
• центр масс объекта исследования (Фиг. 1);
• фазовый центр антенны (Фиг. 2);
• геометрический центр объекта исследования,
и т.п.
Азимутальный позиционер 3 предназначен для поворота объекта исследования 1 вокруг оси X по соответствующему углу. В качестве позиционера 3 может использоваться любое традиционное решение поворотных устройств.
Основание азимутального позиционера 4 предназначено для обеспечения вращения поворотной платформы 5 и может содержать приводы для управления углом поворота.
Поворотная платформа 5 азимутального позиционера 3 предназначена для азимутального вращения объекта исследования 1 и его крепления к ОПУ. Платформа 5 содержит подшипниковые элементы, обеспечивающие ее безлюфтовое врашение.
Основание ОПУ 6 предназначено для его неподвижной установки.
Направляющий профиль 7 элевационного позиционера в виде дуги окружности радиуса R предназначен для возможности перемещения каретки 8 по заданной траектории - дуге окружности и, соответственно, объекта исследования 1 по углу элевации. Как правило, измерения проводятся при ограниченных углах элевации, поэтому ограниченные возможности заявляемого ОПУ по этому параметру допустимы.
Каретка элевационного позиционера 8 предназначена для перемещения по профилю 7. Каретка содержит конструктивные элементы (опорные, прижимные подшипники и т.п.), обеспечивающие ее безлюфтовое перемещение. Каретка 8 может содержать приводы для управления перемещением.
Неподвижное соединение основания азимутального позиционера 4 на каретке 8 позволяет выполнить их в виде единого блока.
Штанга 9 предназначена для крепления объекта исследования 1 к платформе 5. По существу, в заявляемом ОПУ штанга 9 является единственным элементом конструкции, находящимся в непосредственной близости от объекта исследования 1 и влияющим на точность измерений. Для минимизации этого влияния выбирают положение точек крепления, форму, материал, покрытие и другие параметры. Например, штанга 9 (Фиг. 1) в положении А упирается в центр масс объекта исследования 1 и обеспечивает минимизацию нагрузок на азимутальный позиционер 3. В положении В штанга 9 удалена от центра масс и в меньшей степени влияет на измерения. В положении С (Фиг. 2) штанга максимально удалена от фазового центра антенны.
Рассмотрим работу заявляемого ОПУ.
Для проведения измерений характеристик объекта исследования 1 выбирают конструкцию ОПУ по основным характеристикам:
• размерам;
• механической прочности;
• углам поворота;
• расположению штанги
и т.п.
Устанавливают объект исследования 1 на ОПУ, так, чтобы оси вращения позиционеров проходили через выбранный центр.
Ориентируют ОПУ по заданным углам азимута и элевации. При этом положение цента объекта исследования 1 сохраняется неизменным.
Излучают зондирующие сигналы и принимают с плоским фронтом 10 (для измерений в дальней зоне).
Принимают зондирующие (Фиг. 2) или отраженные (Фиг. 1) сигналы, по которым оценивают характеристики объекта исследования 1.
Изменяют ориентацию объекта исследования 1, используя азимутальный и элевационный позиционеры и повторяют измерения.
Таким образом, заявляемое ОПУ может быть реализовано и обеспечивает:
1. Расширение функциональных возможностей - по величине угла азимутального позиционирования.
2. Повышенную механическую прочность конструкции ОПУ.
3. Повышение точности измерений, благодаря снижению влияния элементов конструкции на результаты измерений характеристик объекта исследования.
Источники информации:
1. https://trimcom.ru/main-page/catalog/tipovye-reshenia-aivk/.
2. Патент RU 2524838.
3. Патент RU 2306642.
4. Патент RU 2234773.