ПЛАНАРНЫЙ СКАНЕР
PLANAR SCANNER

Настоящее изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано в процессе синтеза автоматизированных амплифазометрических комплексов повышенной точности, предназначенных для съема параметров ФАР со сверхнизкими уровнями боковых лепестков в условиях завода-изготовителя.
Известно "Устройство для перемещения измерительного зонда", содержащее горизонтальную направляющую, размещенную на ней тележку с приводом, на которой закреплена вертикальная направляющая с размещенной на ней кареткой с приводом и измерительным зондом и блок управления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности установки измерительного зонда в точках измерения и ускорения процесса измерений крупногабаритной антенны, на верхнем конце вертикальной направляющей установлен введенный электромагнит, на крупногабаритной антенне на уровне электромагнита и с зазором относительно него закреплена введенная опорная полоса, тележка выполнена подпружиненной в направлении движения, а блок управления выполнен в виде датчика отсчета текущих координат измерительного зонда, выход которого соединен с первым входом датчика кодов разметки матрицы, второй вход которого связан с приводом каретки, а выход - с приводом тележки и со входом дешифратора кода упреждения выключения, выход которого связан с входом синхронизатора шага перемещений и с входом демпфирующего усилителя, выход которого связан с входом электромагнита, при этом выход синхронизатора шага перемещений связан с входом формирователя тока фиксации, выход которого связан со вторым входом электромагнита.
Преимущества устройства связаны с возможностью идеального решения проблемы точной фиксации обоих концов вертикальной направляющей планарного сканера в процессе стартстопного перемещения горизонтальной тележки, без потери скорости на участках разгона-торможения.
Однако это лишь часть проблемы, которую приходится решать в процессе синтеза прецизионных пленарных сканеров, предназначенных для съема параметров ФАР со сверхнизкими боковыми лепестками, т.к. фиксируя с помощью электромагнитного демпфера второй конец вертикальной направляющей, обеспечивает лишь жесткое позиционирование базовой плоскости сканирования, оставляя не решенной проблему синтеза требуемой величины неплоскостности перемещения измерительного зонда вдоль вертикальной направляющей в промежутке между двумя защемленными концами.
<mrow><mfrac bevelled="true"><mi>λ</mi><mrow><mn>300</mn></mrow></mfrac></mrow>
Учитывая, что авторами выбрано в качестве прототипа именно устройство, рассмотрим более подробно проблемы обеспечения требуемого уровня точности позиционирования зонда и недостатки данного устройства, именно с этой точки зрения. Так, известно, что в соответствии с ГОСТ 8.309-78 требуемая величина среднеквадратического отклонения установки измерительного зонда относительно идеальной области сканирования не должна превышать величину
, что для коротковолновой части СВЧ диапазона может составлять значения сотых и десятых долей миллиметра. Учитывая реальные геометрические размеры крупноапертурных ФАР, площади раскрывов которых могут составлять многие десятки квадратных метров, проблема обеспечения реализации подобных уровней точности оказывается достаточно технически сложной.
<mrow><mfrac bevelled="true"><mi>λ</mi><mrow><mn>300</mn></mrow></mfrac></mrow>
-6
Реальные требования к уровню неплоскостности установки зонда в расчетных точках матрицы во всей области сканирования могут быть оценены, исходя из рекомендаций, опубликованных в статье "Near field measurements for an ultra-low side-lobe phased array antenna" Procudings of YSAP's рр. 169÷172. По расчетам авторов, интегральные значения среднеквадратической фазовой ошибки всего амплифазометрического измерительного комплекса для ФАР с уровнем боковых лепестков - 40÷45 дБ должны составлять при заданной вероятности определения величину в пределах 1÷2°. Т.е., пользуясь рекомендациями ГОСТ 8.309-78, например, для 3-сантиметрового диапазона требование к неплоскостности в
по сути приведет к тому, что в канал измерения амплитуды и фазы поля, а также в тракте передачи сигнала к измерительному зонду, либо опорного сигнала к амплифазометру, фазовые погрешности должны быть равны нулю, что физически нереально. Известно, что даже наиболее точные современные амплифазометры типа ФК2-33 и др. при динамическом диапазоне изменения измерительного сигнала на уровне 25÷30 дБ и стабильной частоте зондирующего сигнала на уровне 10 и выше с учетом временного дрейфа вносят дополнительную некомпенсированную погрешность измерения на уровне 1,5°÷2°. Даже лучшие тракты передачи СВЧ сигнала к измерительному зонду с учетом ресурсов самокорректировки систематических погрешностей, не обеспечивают снижения дополнительных флуктуирующих фазовых погрешностей на уровне единиц градусов во всей области сканирования. Причем величина случайных дополнительных фазовых набегов мало зависит от типа линии передачи сигнала - коаксиально-кабельная, волноводный пантограф, радио либо оптический канал. Если фазовые погрешности первых двух типов трактов в основном обусловлены механическими либо термодеформациями конструктивных элементов канала, то для вторых проблемой являются элементы переноса фазочастотных параметров зондирующих сигналов из одного диапазона в другой и обратно.
<mrow><mfrac bevelled="true"><mi>λ</mi><mrow><mn>1000</mn></mrow></mfrac></mrow>
Учитывая реально достижимые уровни точности измерений и передачи зондирующих СВЧ сигналов, могут быть сформулированы требования к неплоскостности установки зонда
и менее для ФАР со сверхнизкими уровнями боковых лепестков (УБЛ). Фактически это означает и физические границы применения ГОСТ 8.309-98, требования которого целесообразно использовать в процессе синтеза амплифазометрических комплексов, предназначенных для крупноапертурных ФАР с уровнем боковых лепестков и не ниже - 25÷26 дБ.
Подтверждает такие выводы и статья J. Wange "An examination of the theory and practicles of planep near-field measurements", p. 746÷754 тематического сборника "Antennes and propagation" №6, 1988, Vol 36.
<mrow><mfrac bevelled="true"><mi>λ</mi><mrow><mn>1000</mn></mrow></mfrac></mrow>
Т.о., если вычислить из всей совокупности фазовых ошибок амплифазометрического комплекса лишь проблему снижения уровня неплоскостности до величины
и менее, соотнося ее при этом лишь с отклонениями оси зонда от расчетных точек в процессе перемещения вдоль вертикальной направляющей, можно сузить круг проблем, подлежащих решению в процессе оптимизации конструктивных решений планарного сканера. Подобная гипотеза по сути эквивалентна следующему утверждению: оптимальность конструктивных решений планарного сканера обеспеченных, например, техническими решениями такова, что позволяет практически исключить дополнительные погрешности неплоскостности установки измерительного зонда при движениях по горизонтали, а в расчет принимаются нескомпенсированные ошибки установки при перемещении вертикальной каретки планарного сканера.
Известны следующие методы и технические решения данной проблемы:
1. Ужесточение конструкции и повышение точности изготовления вертикальной направляющей.
Из практики проектирования станков с ЧПУ известно, что точность, жесткость и масса направляющей - однозначно связанные между собой параметры. Т.е. попытка решения задачи путем повышения исходной точности изготовления вертикальной направляющей приводит к существенному повышению массо-габаритных размеров сканера с эквивалентным ростом мощности электроприводов, инерционных нагрузок и одновременным существенным снижением скорости перемещения горизонтальной тележки.
Результатом такого решения является значительное удорожание сканера, повышение металлоемкости с пропорциональным снижением производительности амплифазометрического комплекса, что для активных крупноапертурных ФАР в целом ряде случаев может оказаться неприемлемым из-за возможного дрейфа спецраспределения в раскрыве, формируемого активными диаграммообразующими элементами в процессе измерений.
Известно и второе решение, связанное с оперативным измерением величины неплоскостности установки зонда, например, с помощью лазерного интерферометра с последующей компенсацией расчетным путем погрешности позиционирования.
Подобное конструктивное решение использовано в процессе синтеза амплифазометрического комплекса, с помощью которого настраиваются и обмеряются ФАР системы Aeguis. См. Harmening W.A. "Near-field measurements phased array antenna AN SPY-1", Microwave Journal, Vol. 22, №9.
Особенности кинематики описанного пленарного сканера характеризуются тем, что горизонтальные направляющие, выполненные в виде 2-коленной опоры, вынесены из области сканирования. Вдоль них смещается тележка с закрепленной на ней вертикальной направляющей, вдоль которой перемещается каретка с измерительным зондом. В связи с тем, что вертикальная направляющая представляет собой консольно защемленную балку в нижней точке опоры, ее верхний конец свободно смещается в пространстве, и точность установки зонда в заданную точку в значительной степени обусловлена точностью изготовления горизонтальных направляющих. Для повышения точности планарного сканера используются три независимых лазерных интерферометра, фиксирующих отклонение зонда от расчетных точек матрицы по трем степеням свободы, учитываемые впоследствии аналитически. Данное техническое решение также не свободно от недостатков, основной из которых - необходимость наличия достоверной информации о том самом поле, параметры которого как раз и измеряются амплифазометрическим комплексом, так как для того, чтобы ввести корректные поправки, необходимо использовать методы аппроксимации, базирующиеся на физических моделях изменения поля в окрестностях измеряемой точки.
Учитывая однако, что обмеряются зачастую экспериментальные образцы и ненастроенные ФАР, параметры полей которых могут существенно отличаться от штатных, расчетные поправки, вносимые ЭВМ, компенсирующие отклонения, могут не улучшать исходные точности амплифазометрического комплекса. То есть проверить достоверность достигнутого таким способом эффекта не представляется фактически возможным. В связи с чем решение по измерению реальных значений пространственных координат зонда с помощью системы лазерных интерферометров используются в основном в процессе метрологической аттестации планарных сканеров.
Третье решение - динамическая коррекция текущих координат измерительного зонда при движении по вертикали за счет оперативной компенсации отклонений, фиксируемых дополнительной фотоэлектрической системой, размещенной непосредственно на вертикальной каретке, отслеживающей величину смещения оси лазерного пучка от центра симметрии, генерируемого лазером, закрепленным в основании вертикальной направляющей.
(см. "Optically coupled probe for microwave near-field measurements" M. Kousscan JEE Proceedings, Vol. 131, №1, 1984, pp. 72÷74).
К числу недостатков данного решения следует отнести необходимость синтеза фотоэлектронной системы регистрации отклонений с точностью в тысячную долю мм на длине в 10 и более метров с учетом расходимости сколлимированного луча лазера, конечного разрешения фотодиодных фотоэлектронных матриц, технических проблем реализации малоинерционного координатного линейного привода с прецизионными параметрами при достаточно больших весовых нагрузках вертикальной каретки, создаваемых волноводным пантографом, коаксиально-волноводной линией и сочлененным с ней измерительным зондом, а также дополнительными нагрузками за счет размещения фотоэлектрической системы регистрации отклонений и малоинерционного привода зонда совместно с источниками питания.
Попытки создания замкнутой системы стабилизации оси измерительного зонда относительно оптической гировертикали при приемлемых скоростях вертикального перемещения на уровне 15 см/сек и более, невысокой точности изготовления вертикальной направляющей, гарантирующей величину неплоскостности установки зонда на уровне 0,5÷0,6 мм при длине в 8÷10 м, может приводить к возникновению незатухающих колебаний и запаздыванию отслеживания приводом расчетных точек матрицы.
Подобное решение описано в работе "J. Borowic и др. "A near-field antenna measurements system". "Instrumentation and measurement" №1, 1983, pp. 91÷102.
В связи с вышеизложенным на практике в конструкциях планарных сканеров предпочитают использование физически жестко стабильных связей, гарантирующих достижение заданного уровня точности при приемлемых технико-экономических параметрах, обеспечивающих возможность многократных проверок и метрологического контроля, исключающих возможность дрейфа характеристик в процессе эксплуатации и не зависящих от внешних систем отсчета. На решение именно такой задачи направлено настоящее предложение авторов.
Следует также отметить, что проблема производительности амплифазометрических измерений находится в однозначной связи с достижимыми скоростями перемещения измерительного зонда, поскольку электронные скорости кодирования текущих значений амплитуд и фаз сигнала никаких ограничений на этот параметр не накладывают. Стремление повысить скорость перемещения вертикальной каретки до уровня 20÷50 см/с и массы перемещаемого груза в единицы килограмм при вышеуказанных точностях приводит к компромиссному решению использования опор качения для перемещения вертикальной каретки относительно направляющей вместо традиционно применяемых в точном станкостроении опор скольжения. Однако недостатки опор качения также общеизвестны и связаны с тем, что в процессе работы они приводят к выработке направляющих и поверхностному износу самих опор качения. Процесс усугубляется тем, что синхронно с выработкой происходит поверхностное упрочнение колеи направляющих, что создает серьезные трудности стабилизации точностных параметров планарного сканера в процессе эксплуатации.
Таким образом, учитывая все вышеизложенное, можно прийти к выводам, что без средств эффективной подрегулировки и возможности самоюстировки эксплуатационно-точностные параметры такого сканера невысоки, и только наличие эффективных средств компенсации процессов выработки опорных поверхностей вертикальной направляющей и оперативной юстировки в состоянии реабилитировать удачное конструктивное решение, сочетающее в себе высокие технико-экономические параметры с отличной производительностью. Цель заявляемого устройства - повышение точности и скорости перемещения измерительного зонда в расчетные точки матрицы при движении по вертикали путем оперативной регулировки величины среднеквадратичной неплоскостности во всей области сканирования.
Поставленная цель достигается тем, что планарный сканер, образованный системой горизонтальных направляющих, относительно которых (вдоль оси ОХ) перемещается горизонтальная тележка, подпружиненная в направлении движения, с закрепленной на ней вертикальной направляющей, опирающейся своим верхним концом на опорную полосу, вдоль вертикальной направляющей, механически связанной с ребрами жесткости опорной фермы, смещается вертикальная каретка (вдоль оси OY) с закрепленным на ней измерительным зондом, подключенным к тракту передачи сигнала, при этом вертикальная каретка и горизонтальная тележка механически сочленены с координатным приводом, по входу связанным с датчиком кодов разности матрицы, дополнительно введены вторая и третья вертикальные направляющие, установленные параллельно первой, вдоль линии перпендикулярной области сканирования (оси OZ), каждая из которых соответственно связана по длине с элементами регулировки смещений вдоль оси, механически сочлененные с ребрами жесткости опорной фермы, при этом вертикальная каретка перемещается относительно всех трех вертикальных направляющих, с помощью роликовых опор качения, четыре из которых связаны с опорными поверхностями первой вертикальной направляющей с осями вращения опор качения, параллельными области сканирования, закрепленных по две сверху и снизу вертикальной каретки, расположенных симметрично по отношению к оси первой вертикальной направляющей, пятая и шестая роликовые опоры связаны с опорными поверхностями второй направляющей, взаимное положение которых идентично первой и второй (третьей и четвертой) роликовым опорам и размещены на нижнем конце подвижной кулисы, закрепленной верхним концом на оси, механически сочлененной с вертикальной кареткой, в точке, лежащей на прямой, параллельной оси вертикальной направляющей, седьмая и восьмая роликовые опоры связаны с опорными поверхностями третьей вертикальной направляющей, размещенных в верхней части вертикальной каретки, и расположены симметрично по отношению к оси направляющей, опорные поверхности которой развернуты на 90° по отношению к опорным плоскостям первой и второй вертикальных направляющих, подвижная кулиса с помощью сухаря механически связана с пальцем, расположенным на оси ползуна, перемещающегося перпендикулярно области сканирования относительно паза в вертикальной каретке, измерительный зонд, закрепленный на оси ползуна, оптически связан с датчиком неплоскостности, поле зрения которого совмещено с репером на вертикальной каретке, информационные входы буферного накопителя соответственно связаны с выходами датчика неплоскостности и кодов разметки матрицы, выход буферного накопителя параллельно подключен ко входам вычислителя среднеарифметического кода отклонения индикатора отклонения и первому входу алгебраического сумматора, второй вход которого подключен к выходу вычислителя среднеарифметического отклонения, выход алгебраического сумматора соединен со вторым входом индикатора отклонения, по выходу подключенного к исполнительному механизму, адресные входы буферного накопителя связаны с выходом генератора кодов адреса, своими входами подключенного к выходу вычислителя среднеарифметического отклонения.
Заявляемое устройство содержит ряд новых узлов, а именно: вторую и третью вертикальные направляющие, расположенные параллельно первой, на линии, перпендикулярной области сканирования, каждая из которых по длине связана с помощью элементов регулировки с ребрами жесткости опорной фермы, восемь роликовых опор качения, закрепленных на вертикальной каретке, первые четыре из которых связаны с опорными поверхностями первой вертикальной направляющей, пятая, шестая - со второй вертикальной направляющей, а седьмая, восьмая, развернутые на 90° в горизонтальной плоскости по отношению к пятой, шестой опоре качения, и связаны соответственно с опорными поверхностями третьей направляющей, ползун с закрепленным измерительным зондом, перемещаемый вдоль оси перпендикулярно области сканирования относительно паза вертикальной каретки с помощью подвижной кулисы, на нижнем конце которой закреплены пятая, шестая роликовые опоры, датчик неплоскостности и генератор кодов адреса, связанный с буферным накопителем, вычислителем среднеарифметического отклонения, алгебраический сумматор и индикатор отклонения. Причем их введение в состав устройства в данной совокупности обеспечило достижение положительного эффекта, а именно: повышение точности и скорости перемещения измерительного зонда в расчетной точке матрицы отсчетов параметров поля ФАР, путем оперативной регулировки и оптимизации величины среднеквадратичного отклонения неплоскостности установки зонда в пределах матрицы сканирования. Кроме того, заявляемое устройство позволяет оперативно осуществлять юстировку и доводку пленарного сканера до заданных точностных параметров в процессе метрологической аттестации и эксплуатации.
Указанная совокупность признаков авторам ранее не была известна. Все признаки во взаимосвязи являются существенными для достижения положительного эффекта и соответствуют критерию "существенные отличия".
Функциональная схема и общий вид заявляемого устройства изображены на фиг. 1, а на фиг. 2 - общий вид каретки вертикального перемещения.
Устройство содержит: пару горизонтальных направляющих - 1, относительно которых вдоль оси ОХ смещается горизонтальная тележка - 2, подпружиненная в направлении движения, с закрепленной на ней первой вертикальной направляющей - 3, опирающейся своим верхним концом на опорную полосу - 4. Параллельно первой вертикальной направляющей введены вторая и третья, установленные на одной прямой, перпендикулярно области сканирования (вдоль оси OZ).
Вдоль вертикальных направляющих - 3 (оси OY) смещается вертикальная каретка - 5, содержащая горизонтальный паз, относительно которого перемещается ползун - 6 с закрепленным на нем измерительным зондом - 7, подключенным к тракту передачи сигнала - 8. Первая направляющая непосредственно, а вторая и третья с помощью элементов регулировки направляющих - 9 связаны с ребрами жесткости - 10 по всей длине опорной фермы - 11. Вертикальная каретка - 5 и горизонтальная тележка - 2 механически сочленены с координатным приводом - 12, по входу связанным с выходом датчика кодов разметки матрицы - 13. Вертикальная каретка - 5 с помощью восьми роликовых опор - 14 связана соответственно с опорными поверхностями направляющих - 3. Оси вращения первых четырех роликовых опор параллельны оси ОХ и закреплены по две сверху и снизу вертикальной каретки - 5 и расположены симметрично по отношению к первой вертикальной направляющей.
Пятая и шестая роликовые опоры размещены относительно второй вертикальной направляющей аналогично третьей и четвертой роликовым опорам качения и закреплены на нижнем конце подвижной кулисы - 15, закрепленной верхним концом на оси 16, механически сочлененной с вертикальной кареткой - 5 в точке, лежащей на линии перемещения измерительного зонда - 7.
Седьмая и восьмая роликовые опоры качения вертикальной каретки связаны с опорными поверхностями третьей вертикальной направляющей и размещены в верхней части вертикальной каретки, расположенной симметрично по отношению к оси направляющей, опорные поверхности которой развернуты на 90° по отношению к опорным поверхностям первой и второй вертикальных направляющих. Подвижная кулиса - 15 с помощью сухаря - 17 механически связана с пальцем - 18, расположенным на оси ползуна - 6, перемещающегося перпендикулярно области сканирования относительно горизонтального паза вертикальной каретки - 5.
На оси ползуна закреплен измерительный зонд - 7, перемещающийся синхронно с маятниковым перемещением подвижной кулисы - 15. Датчик неплоскостности - 19 размещен, например, на горизонтальной тележке - 2 и оптически связан с измерительным зондом - 7. При этом поле зрения датчика неплоскостности - 19 совмещено с линией визирования измерительного зонда - 7 (репером, нониусной шкалой на вертикальной каретке). Информационные и адресные входы буферного накопителя - 20 соответственно связаны с выходами датчика кодов разметки матриц - 13, датчиком неплоскостности - 19, и генератора кодов адреса - 24, связанного по входу с выходом вычислителя среднеарифметического отклонения - 22. Выходы буферного накопителя - 20 параллельно подключены ко входам индикатора отклонения - 23, вычислителя среднеарифметического отклонения - 22 и первому входу алгебраического сумматора - 24, второй вход которого связан с выходом вычислителя среднеарифметического отклонения - 22. Выход алгебраического сумматора - 24 с помощью последовательно подключенного индикатора отклонения - 23 связан со входом исполнительного механизма - 25.
Работает заявляемое устройство следующим образом. После завершения монтажа планарного сканера и завершения этапа предварительной юстировки, заключающейся в фиксации исходной области сканирования относительно выбранной системы координат (OX, OY, OZ) с максимально достижимой точностью при данном инструментально-методическом обеспечении, приступают к последующим операциям по точной доводке значения среднеквадратического отклонения величины неплоскостности установки измерительного зонда, обеспечиваемой вышеизложенными конструктивными решениями, составляющими суть принципиальных отличий заявляемого устройства.
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>Z</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>Z</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
В основу исходной гипотезы достижения наивысших параметров точности планарного сканера использовано предложение о том, что при данном типе обмеряемого амплитудно-фазового распределения суммарная точность вычисления интегральных параметров ФАР по результатам измерения в БЗ будет тем выше, чем меньше величина среднеквадратического отклонения установки зонда в расчетных точках матрицы вдоль оси OZ
при движении по всей области сканирования по вертикали, т.е. тип АФР во внимание не принимается. Итак, для достижения поставленной цели заданного уровня значения
при данной скорости перемещения вертикальной каретки и точности изготовления первой вертикальной направляющей путем использования оперативной подъюстировки непосредственно в процессе доводки точностных параметров предлагаются следующие технические решения:
1. Использование роликовых опор качения вместо традиционных опор скольжения вертикальной каретки, связанных с опорными высокоточными поверхностями вертикальных направляющих, причем первые четыре опоры, попарно симметрично закрепленные сверху и снизу вертикальной каретки, относительно продольной оси, исключают возможность смещения каретки вдоль оси O, а седьмая, восьмая, связанные с опорными поверхностями третьей направляющей, развернуты по отношению к первой и второй опоре на 90° и установлены вдоль оси OX, исключают возможность осевого проворота измерительного зонда относительно вертикальной оси. Таким образом, использование одновременно шести роликовых опор, закрепленных на вертикальной каретке, исключает люфты относительно опорных поверхностей вертикальных направляющих в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
2. Использование дополнительной второй направляющей, связанной с ребрами жесткости опорной фермы элементами регулировки в сочетании с механизмом компенсации погрешности установки измерительного зонда, включающей ползун - 6, на котором закреплен измерительный зонд, подвижная кулиса - 15, совершающая маятниковые перемещения в плоскости, параллельной OY, относительно оси - 16, закрепленной на вертикальной каретке - 5; механизм сочленения подвижной кулисы - 15 с ползуном - 6, выполненным в виде сухаря - 17, позволяющих скомпенсировать неточность изготовления первой вертикальной направляющей.
3. Применение элементов оперативной регистрации погрешности установки измерительного зонда, позволяющих оптимизировать процесс доводки и получения заданных точностей за минимальный период времени и ограниченной трудоемкости.
Как показывает опыт, юстировка и доводка планарного сканера включают в себя ряд операций и в конечном итоге обусловлены точностью изготовления всей совокупности элементов, обеспечивающих вертикальное перемещение каретки, т.е. опор, направляющих, привода и собственно вертикальной каретки. Однако, следует также отметить, что интегральная точность планарного сканера при вертикальном перемещении не обязательно гарантирована исходной высокой точностью изготовления всех вышеперечисленных элементов, являющихся лишь предпосылками для этого. Очень многое зависит от качества юстировки и сборки, которые, в свою очередь, определяются квалификацией производственного персонала, качеством методик и точностью оптических инструментов, используемых в процессе юстировки. В результате чего точностные параметры планарного сканера являются обычно компромиссом между стремлением к достижению максимально высоких параметров и реальными возможностями, заложенными в данной конструкции.
Следует, однако, отметить, что известные конструкции планарных сканеров располагают обычно крайне ограниченными возможностями к адаптации и компенсации интегральных погрешностей сборки, и тем более к оперативной подъюстировке, обусловленной необходимостью поддержания точностных параметров на заданном уровне.
Итак, авторами постулируется следующее положение: требуемая точность установки измерительного зонда должна быть обеспечена в расчетных узлах матрицы съема параметров поля, а не по всей длине направляющей; суммарная погрешность амплифазометрического комплекса для съема параметров ФАР должна быть коррелирована с реальными параметрами измеряемой АФР, т.к. вклад ошибок позиционирования зонда в различных точках матрицы в интегральные погрешности комплекса неэквивалентен, например, в зоне максимальных значений параметров поля и на периферии; в распоряжение эксплуатационного персонала должны быть предоставлены средства оперативного поддержания заданного уровня точности сканера согласно расчетным моделям ошибок и точной регистрации реальных параметров.
Процедуры юстировки, достижения заданной точности должны быть оптимизированы в плане минимизации числа регулировок.
Именно такими возможностями располагает заявляемое устройство, гарантирующее возможность получения заданного среднеквадратичного значения неплоскостности установки измерительного зонда при конечной точности изготовления первой вертикальной направляющей. Для этой цели используется специальный паз, горизонтально пересекающий вертикальную каретку, относительно которого смещается ползун - 6, механически сочлененный с подвижной кулисой - 15, и вторая вертикальная направляющая, механически сочлененная с ребрами жесткости опорной фермы - 11, равномерно распределенных вдоль образующей, с помощью элементов регулировки направляющих - 9, профилируемых таким образом, чтобы при перемещении относительно его опорных поверхностей пятой и шестой роликовой опоры нижний конец подвижной кулисы - 15 смещался в сторону, противоположную макронеоднородности первой вертикальной опоры, стимулируя передвижение измерительного зонда строго в плоскости сканирования.
Сама процедура оперативной юстировки и минимизация величины среднеквадратичного отклонения позиционирования зонда вдоль оси OZ осуществляется следующим образом: датчик кодов разметки матрицы - 13 формирует кодовую последовательность, поступающую на вход координатного привода - 12, обеспечивающего перемещение вертикальной каретки - 5 планарного сканера по заданным расчетным точкам матрицы, в которой будет осуществляться измерение АФР ФАР. Переместившись в первую расчетную точку, с помощью датчика неплоскостности - 19, в качестве которого может использоваться, например, цифровой лазерный интерферометр, измеряют погрешность установки измерительного зонда по отношению к идеальным расчетным координатам матрицы сканирования.
Последовательным перемещением измерительного зонда во все расчетные точки матрицы накапливают сумму реально измеренных значений отклонений от расчетных координат установки в буферном накопителе - 20.
Суть всех последующих операций, осуществляемых устройством, обусловлена требованием минимизировать объем юстировочно регулировочных процедур второй направляющей, осуществляемых элементами регулировки - 9, в качестве которых могут эффективно использоваться прецизионные винтовые пары микроперемещений, одноступенчатые червячные редукторы и другие силовые элементы микропрофилирования вертикальной направляющей.
Итак, по завершении строго вертикального проезда каретки - 5 в буферном накопителе - 20 с помощью датчика - 19 будет зафиксирована совокупность кодов, характеризующих достигнутые реальные точности установки измерительного зонда, полученные в результате процедур предварительной юстировки.
На этом этапе измерений пятая, шестая роликовые опоры отстопориваются и механически не связаны с опорными поверхностями второй направляющей.
j
С целью минимизации числа регулировочных процедур проводят следующую обработку результатов измерений; представим каждое значение Z координаты реперной точки измерительного зонда, зафиксированное датчиком - 19 в процессе обхода N точек матрицы по вертикали, в следующем виде:
j
j
Z=С-δ;
j
где Z - текущая координата измерительного зонда, измеренная в принятой системе координат;
C - постоянная составляющая, характеризующая идеальную плоскость сканирования;
j
δ - реально измеренные датчиком линейные координаты измерительного зонда.
Для минимизации среднеквадратичного отклонения неплоскостности установки измерительного зонда при движении по вертикали найдем экстремальное значение функционала следующего вида:
<mrow><mfrac><mi>d</mi><mrow><mi>d</mi><msub><mi>δ</mi><mi>j</mi></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>C</mi><mo>−</mo><msub><mi>δ</mi><mi>j</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mstyle></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>→</mo><mi>min</mi></mrow>
,
Откуда значение C может быть получено в следующей форме:
<mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msub><mi>δ</mi><mi>j</mi></msub></mrow></mstyle></mrow><mi>N</mi></mfrac><mo>;</mo><mtext>                                               [1]</mtext></mrow>
в соответствии с которым может быть определено отклонение от идеальной плоскости, для каждой точки матрицы определяются из следующего соотношения:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>δ</mi><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mi>C</mi><mo>−</mo><msub><mi>δ</mi><mi>j</mi></msub><mtext>                                              [2]</mtext></mrow>
j
То есть, если C характеризует значение координат эталонной плоскости с нулевым отклонением, то Δδ характеризует величину погрешности, подлежащей компенсации с помощью механизма, смонтированного на базе профилируемой второй направляющей, элементов регулировки образующей, включающих подвижную кулису ползуна с измерительным зондом.
j
j
j
Вычисления величины C - параметра идеальной плоскости осуществляется после завершения проезда вертикальной каретки по всем расчетным точкам матрицы в соответствии с накопленными значениями δ, измеренными датчиком - 19 и накопленными в буферном накопителе - 20. С этой целью вычислитель среднеарифметического отклонения - 22 с помощью генератора кодов адреса - 21 сформирует кодовую последовательность адресов, поступающих на адресные входы буферного накопителя, эквивалентные кодам, расчетных точек матрицы, сформированным датчиком кодов разметки матрицы - 13 в процессе измерения значений δ, представляющего из себя по сути обычный двоичный счетчик, осуществляющий пересчет кодов по основанию шага перемещений. Кодовая последовательность извлеченных из буферного накопителя значений δ, поступив на вход вычислителя - 22, последовательно просуммируется, а затем пронормируется параметром матрицы перемещения измерительного зонда по вертикали - N в соответствии с выражением (1). Вычисленное значение C запомнится вычислителем до начала процедур переюстировки.
Сам процесс переюстировки и компенсации исходных погрешностей позиционирования измерительного зонда - 7 относительно плоскости XOY в соответствии с измеренными накопленными значениями осуществляется следующим образом: по командам датчика кодов разметки матриц - 13 координатный привод перемещает вертикальную каретку - 5 в первую расчетную точку матрицы. При этом до начала измерений вторая вертикальная направляющая, выполненная из материала по сечению в 2÷2,5 раза меньше первой, с помощью элементов регулировки - 9 фиксируется в строго вертикальном положении, контролируемом с помощью специальных оптических приборов, например, методом поверки относительно вертикально напряженной струны, и нониусного микроскопа.
j
j
j
j
j
После чего методом предварительной прокатки пятая, шестая роликовые опоры, закрепленные по концам подвижной кулисы - 15, сочленяются с опорными поверхностями второй направляющей. По завершении процесса координатной установки измерительного зонда в первую расчетную точку вдоль образующей вертикальной направляющей эквивалентный код координаты с выхода датчика кодов - 13, поступив на адресный вход буферного накопителя - 20, приведет к извлечению текущего значения δ, измеренного датчиком. С выхода буферного накопителя код δ поступит на первый вход алгебраического сумматора - 24, на второй вход которого поступит параметр расчетной плоскости сканирования - C. Алгебраическая сумма, пропорциональная значению Δδ, с выхода сумматора - 24 поступит на вход индикатора отклонения - 23, отображающего в двоичном десятичном коде величину и знак погрешности отклонения, неплоскостности установки зонда в первой точке матрицы. Следует также отметить, что параллельно с величиной Δδ на вход индикатора поступают коды координат точки, в которой измерено это отклонение, параллельно накопленное в буферном накопителе - 20 по соответствующему адресу. Именно для этой цели введена связь между выходом буферного накопителя - 20 и индикатором отклонения - 23. С выхода индикатора - 23 код Δδ поступит на вход исполнительного механизма - 25, позволяющего осуществлять подрегулировку и компенсацию погрешности установки измерительного зонда. В качестве исполнительного механизм могут использоваться пропорциональные механизмы электромагнитного либо пневмоуправляемого типа.
j
j
Практически подобная процедура осуществляется следующим образом: используя первую винтовую пару элементов регулировки - 9, связанную с соответствующими ребрами жесткости опорной формы, добиваются путем периодической прокатки вертикальной каретки - 5 нулевого отсчета датчика неплоскостности, свидетельствующего о том, что величина и направление микроизгиба второй вертикальной направляющей, обеспеченные подрегулировкой, компенсировали отклонение от идеальной расчетной области сканирования, обусловленное неточностью изготовления первой вертикальной направляющей. Следует отметить, что реальное значение случайной величины неточности изготовления первой направляющей на современном станочном плоскошлифовальном оборудовании, выполненной, например, из материала - стали 40Х круглого сечения диаметром 60÷100 мм, соответственно термообработанной, вертикально опертой, закрепленной относительно жесткой опорной фермы, выполненной в виде пространственной конструкции прямоугольной фермы, при длине 8÷12 м составляет величину порядка 0,6÷0,8 мм. Именно такое Δδ предстоит компенсировать с помощью второй вертикальной направляющей в процессе решения задачи синтеза прецизионного планарного сканера для ФАР со сверхнизкими боковыми лепестками, не пытаясь существенно утяжелить всю конструкцию в целом. Функциональное назначение прямоугольной опорной фермы кроме крепления и жесткой фиксации всех трех направляющих после завершения процесса юстировки - обеспечение доступа оперативному персоналу к вертикальной каретке по всей длине направляющей в процессе юстировки и аттестации сканера, а также крепление радиопоглощающего материала, снижающего величину вторичных переотражений зондирующего сигнала. Реальная конструкция опорной фермы такова, что общее число ребер жесткости - 10 и соответственно связанных с ними элементов регулировки - 9 примерно в 10÷12 раз меньше числа шагов измерений параметров матрицы АФР по вертикали. Если процесс регулировки и юстировки носит итерационный характер, то приходится одним, двумя элементами регулировки осуществлять компенсацию порядка десяти значений Δδ.
j
j
j
j
2
При этом, естественно, стремятся к минимизации всей суммы Δδ для всех точек матрицы, умещающихся в промежутке между двумя ребрами жесткости. Последовательным обходом всех точек матрицы по вертикали, например, по принципу сверху-вниз осуществляют с помощью исполнительных элементов и датчика компенсации накопленных ошибок изготовления первой направляющей, индицируемых соответственно на индикаторе отклонений. В результате выполнения цикла работ завершают первую итерацию подъюстировки. В дальнейшем путем повторного проезда осуществляют фиксацию значений δ - вычисление величины C и определение Δδ, на основе которых получают значения σ(Δδ) - среднеквадратичное отклонение неплоскостности установки измерительного зонда в расчетных точках матрицы и сравнивают реально измеренное значение с заданным.
j
В случае их несоответствия процедуру подъюстировки повторяют по вышеописанной технологии, добиваясь достижения заданного значения. Причиной итерационного характера процесса достижения заданной точности служит сам принцип компенсации погрешности изготовления первой направляющей, связанный с деформацией образующей второй направляющей, обкатываемой роликами кулисного механизма, а именно, из-за ограничения числа элементов регулировки и конечной жесткости второй направляющей на ограниченном участке длины, в связи с чем необходимо искать компромиссы на каждом шаге регулировке, приближающем к заданной точности. Однако основным фактором минимизации общего числа циклов подъюстировочных процедур является принцип вычисления значений Δδ, реализованных в устройстве, гарантирующий минимальность суммы деформаций относительно значения C в каждом очередном цикле. Использование элементов регулировки для третьей направляющей в случае необходимости позволяет компенсировать непараллельность опорных поверхностей первой направляющей, обкатываемой роликовыми опорами качения с двух ее сторон (первой и третьей, второй и четвертой), приводящей к возможности осевого разворота вертикальной каретки. Подобная возможность регулировки обусловлена тем фактором, что элементы обеспечивают изгиб образующей в плоскости, перпендикулярной оси изгиба второй вертикальной направляющей.
2
j
Технико-экономическая апробация предложенного устройства подтвердила его высокую эффективность в плане достижения требуемых значений σ (Δδ), величина которых в начальный период и в процессе эксплуатации экспериментального макета высокоточного планарного сканера и головного образца, реализованного в составе комплекса ИКАР-4, приведенная к дополнительной фазовой погрешности, составила величину 0,3°÷0,5° при области сканирования 8×10 м и скорости перемещения до 30÷50 см/сек при весьма ограниченных затратах на их практическую реализацию.
<mrow><mfrac><mi>λ</mi><mrow><mn>1000</mn></mrow></mfrac></mrow>
Следует отметить, что обеспечение точности на уровне
и более (согласно ГОСТ 8.309-78) не представляет никаких трудностей при использовании предлагаемого конструктивного решения планарного сканера.
Практически реализация заявляемого устройства предполагает использование широко распространенных конструкционных материалов общепромышленного применения, универсального парка станочного оборудования, стандартных приводов и датчиков. Элементы, принимающие участие в обработке результатов измерений, достаточно просто реализуются на базе серийных БИС соответствующего функционального назначения, не требующих детализации.
Вычислитель среднеарифметическою отклонения - микрокалькуляторы микро-ЭВМ, ориентированные на вычисление заданного значения в соответствии с приведенной формулой. Датчик неплоскостности - цифровой лазерный интерферометр.
Технико-экономические и иные преимущества заявляемого устройства связаны с возможностью оперативной юстировки планарного сканера и достижения прецизионных точностей при крайне ограниченных затратах на его реализацию.