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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)綜述） 第 10 頁
高低角俯仰限制電路
摘要：雷達(dá)俯仰控制是指雷達(dá)根據(jù)工作模式、量程、載機(jī)高度和目標(biāo)距離，自動(dòng)設(shè)置俯仰角度或由操作員設(shè)置俯仰角度。機(jī)載雷達(dá)天線俯仰控制通常只采用手動(dòng)方式，而機(jī)載雷達(dá)的天線俯仰控制有自動(dòng)、手動(dòng)和高度帶設(shè)置三種方式，自動(dòng)控制是指雷達(dá)系統(tǒng)根據(jù)操作員選定的工作模式、量程，自動(dòng)設(shè)置天線俯仰角；手動(dòng)控制是指雷達(dá)操作員可以根據(jù)實(shí)際探測需求，人工設(shè)置天線的俯仰角；高度帶設(shè)置是指根據(jù)載機(jī)高度和目標(biāo)距離，系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置天線俯仰角。自動(dòng)控制天線俯仰運(yùn)動(dòng)，就需要高低角俯仰限制電路來控制。
關(guān)鍵詞：雷達(dá)天線，俯仰控制，限制電路
對于雷達(dá)天線的俯仰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，我們可以借鑒前人的設(shè)計(jì)，通過搜索資料，可以發(fā)現(xiàn)平面連桿機(jī)構(gòu)對其有效，下面簡要分析一下平面連桿機(jī)構(gòu)在雷達(dá)俯仰控制中的應(yīng)用。
現(xiàn)代車載式高機(jī)動(dòng)雷達(dá)天線車具有工作及運(yùn)輸2種狀態(tài)，即在工作時(shí)將天線舉升至一定高度，并將天線陣面翻轉(zhuǎn)至一定的俯仰角度，可以減小地面及車上設(shè)備對天線波束的影響；工作結(jié)束后將天線恢復(fù)到水平狀態(tài)或其它特定角度，整車外形尺寸滿足公路、鐵路運(yùn)輸時(shí)不超高、不超寬的要求。
為滿足高機(jī)動(dòng)雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性高、架設(shè)撤收迅捷的特性要求，需要一種能夠?qū)⑻炀€在2種狀態(tài)間迅速轉(zhuǎn)換的狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)技術(shù)。目前常用的狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)技術(shù)主要有以下2種
1） “舉升轉(zhuǎn)臺(tái) + 俯仰機(jī)構(gòu)”式設(shè)計(jì)。如圖1（a）所示，通常采用機(jī)電液混合伺服傳動(dòng)技術(shù)，轉(zhuǎn)臺(tái)與天線被同時(shí)舉高；
2） “俯仰機(jī)構(gòu) + 推舉天線”式設(shè)計(jì)。如圖1（b）所示，通常采用全機(jī)電伺服傳動(dòng)技術(shù)，天線單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，舉升機(jī)構(gòu)為滑軌結(jié)構(gòu)。
前者舉升高度較高，但機(jī)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)要求高；后者機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相對簡單，但舉升高度有限，因滑軌結(jié)構(gòu)的密封性不足，環(huán)境適應(yīng)性較差，同時(shí)兩者都存在天線偏心大的缺點(diǎn)。
某型雷達(dá)系統(tǒng)要求在工作狀態(tài)時(shí)天線要滿足以下條件：
1） 能夠舉升至一定高度；
2） 有一定的預(yù)仰角；
3） 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)天線偏心量盡可能小；
4） 結(jié)構(gòu)緊湊、控制方便、維護(hù)簡單。
論證表明，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)已無法滿足要求，需要研制一種新的機(jī)構(gòu)形式。文中提出了一種基于平面機(jī)構(gòu)原理的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案，可滿足上述要求。
1 新型機(jī)構(gòu)的原理與結(jié)構(gòu)方案
1.1 機(jī)構(gòu)工作原理
圖 2 為新型機(jī)構(gòu)在運(yùn)輸狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)簡圖。機(jī)構(gòu)中，活動(dòng)構(gòu)件數(shù) n = 6，低副 L =8，高副 H=0，機(jī)構(gòu)自由度為
P =3n－2L－H =2
機(jī)構(gòu)自由度數(shù)與主動(dòng)件數(shù)相等，符合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理。
1.2 新型機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方案
從提高系統(tǒng)的實(shí)用性與可靠性考慮，新型機(jī)構(gòu)采用全機(jī)電伺服傳動(dòng)技術(shù)方案。在具體的工程設(shè)計(jì)中，圖 2 中 6、7為傳統(tǒng)的絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，4，5為單級電動(dòng)缸（作為俯仰機(jī)構(gòu)），2為門架，機(jī)架1為轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)盤。上述部分在轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)下做方位轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖 3 所示。
舉升機(jī)構(gòu)與俯仰機(jī)構(gòu)各為2套，分別同步運(yùn)動(dòng)，既可降低對天線骨架的剛性要求，又可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
1.3 機(jī)構(gòu)工作過程設(shè)計(jì)
天線由運(yùn)輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換為工作狀態(tài)有以下2種運(yùn)動(dòng)方法可選：
1） 分步運(yùn)動(dòng)法。單級電動(dòng)缸首先伸出到位，完成天線的俯仰運(yùn)動(dòng)，然后在絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，門架轉(zhuǎn)動(dòng)到位，完成天線的舉升運(yùn)動(dòng)，分2步完成天線狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
2） 同步運(yùn)動(dòng)法。電動(dòng)缸與絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)啟動(dòng)，然后同時(shí)運(yùn)動(dòng)到位，一步即可完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換。
逆向工作過程即可將天線由工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為運(yùn)輸狀態(tài)。
方法 1） 控制簡單，但轉(zhuǎn)換過程中偏心現(xiàn)象較為明顯； 方法 2） 重心控制較好，但由于同時(shí)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件較多，機(jī)構(gòu)同步性要求較高，伺服控制難度較大。
考慮到機(jī)構(gòu)的可靠性與控制的簡便性，最終確定采用分步運(yùn)動(dòng)控制方法，并將中間狀態(tài)作為天線維修狀態(tài)。天線工作狀態(tài)如圖 4 所示。
2 機(jī)構(gòu)載荷分析
依據(jù)分步運(yùn)動(dòng)方案，利用“多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件 ADAMS”分析運(yùn)動(dòng)過程中俯仰機(jī)構(gòu)與舉升機(jī)構(gòu)的載荷情況。
仿真工況分析：在實(shí)際工作中，在天線的重量分布不均勻以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)同步性的差異等因素的影響下，2套俯仰、舉升機(jī)構(gòu)在受力上會(huì)有所不同。但在分析時(shí)按受力相同、同步運(yùn)動(dòng)的理想工況考慮，分析結(jié)果如圖5 所示。
圖中紅色實(shí)線為俯仰機(jī)構(gòu)單套載荷變化曲線，藍(lán)色虛線為舉升機(jī)構(gòu)單套載荷變化曲線。從圖5中可以看出單套舉升機(jī)構(gòu)最大載荷為
Fmax1=18 kN
單套俯仰機(jī)構(gòu)最大載荷為
Fmax2=31 kN
3 舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
舉升機(jī)構(gòu)采用普通的絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式。絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過螺旋傳動(dòng)副（滑動(dòng)或滾動(dòng)螺旋副）的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為絲杠的直線運(yùn)動(dòng)，并利用伺服電機(jī)的閉環(huán)控制特性，實(shí)現(xiàn)對推力、速度和位置的精密控制。圖6為普通絲杠舉升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。絲杠暴露在外，可為絲杠加裝防護(hù)罩，以增強(qiáng)絲杠的環(huán)境適應(yīng)性。
3．1 設(shè)計(jì)計(jì)算
考慮到機(jī)構(gòu)的自鎖要求，舉升機(jī)構(gòu)使用梯形絲杠副結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)絲杠的剛強(qiáng)度要求，初選梯形絲杠參數(shù)為
公稱直徑 d =60 mm
導(dǎo)程 S =9 mm
根據(jù)上節(jié)分析結(jié)果，舉升機(jī)構(gòu)最大載荷為 18 kN，絲杠副的驅(qū)動(dòng)力矩為
絲杠中徑： d2= 55.5 mm
導(dǎo)程角： γ=2.96°
當(dāng)量摩擦角：ρv=5.91°
效率：
安全系數(shù)按 1． 5 倍考慮，則單套舉升機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力矩設(shè)計(jì)參考值約為 130 N·m
舉升機(jī)構(gòu)總行程約為 430 mm，運(yùn)動(dòng)時(shí)間不大于1 min，則梯形螺母的最低轉(zhuǎn)速為
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，驅(qū)動(dòng)電機(jī)初選 1.5 kW 交流伺服電機(jī)，其額定力矩為 4.77 N·