1908_高低角俯仰限制電路的設(shè)計(jì)

1908_高低角俯仰限制電路的設(shè)計(jì),高低,高下,俯仰,限制,電路,設(shè)計(jì) 黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 文 獻(xiàn) 綜 述 ） 第 1 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?，F(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)。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 文 獻(xiàn) 綜 述 ） 第 2 頁 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??；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。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 文 獻(xiàn) 綜 述 ） 第 3 頁 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(jí)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(jí)電動(dòng)缸首先伸出到位，完成天線的俯仰運(yùn)動(dòng)，然后在絲杠黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 文 獻(xiàn) 綜 述 ） 第 4 頁 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?？紤]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黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 文 獻(xiàn) 綜 述 ） 第 5 頁 單套俯仰機(jī)構(gòu)最大載荷為Fmax2=31 kN3 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 黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 文 獻(xiàn) 綜 述 ） 第 6 頁 ??m6.8tg2d????NFT???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： ??%3tg??????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minr8.47930n1???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·m，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r / min。由電機(jī)額定轉(zhuǎn)速及螺母最大轉(zhuǎn)速可以得出傳動(dòng)鏈總速比最大值為 ，減5.624830iz??速機(jī)速比選為 ，則末級(jí)齒輪速副比最大值為 ，初步確定末級(jí)50ij? .1562ijzm???齒輪副速比為 im= 1。3．2 設(shè)計(jì)校核從輸出力矩角度進(jìn)行校核，按電機(jī)額定輸出計(jì)算，末級(jí)（ 螺母） 輸出力矩為m1308.9.0157.4imj ?????NT?從輸出轉(zhuǎn)速（ 即工作時(shí)間） 角度進(jìn)行校核，按電機(jī)額定輸出計(jì)算，末級(jí)（ 螺母） 輸出轉(zhuǎn)速為inr8.47ir60153nm???故上述設(shè)計(jì)滿足驅(qū)動(dòng)力矩及工作時(shí)間要求。4 俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)俯仰機(jī)構(gòu)采用單級(jí)伺服電動(dòng)缸機(jī)構(gòu)。伺服電動(dòng)缸在傳統(tǒng)的絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上改而來，其傳動(dòng)原理與傳統(tǒng)絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相同。二者的區(qū)別在于電動(dòng)缸是將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為螺母的直線運(yùn)動(dòng)。與普通絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，電動(dòng)缸有效行程、效率都低于前者，重量也不占優(yōu)勢。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 文 獻(xiàn) 綜 述 ） 第 7 頁 但其防護(hù)性能更佳，環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，維護(hù)簡單。電動(dòng)缸結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。4． 1 設(shè)計(jì)計(jì)算出于與舉升機(jī)構(gòu)相同的考慮，俯仰機(jī)構(gòu)使用梯形絲杠副結(jié)構(gòu)，初選與舉升機(jī)構(gòu)同規(guī)格的梯形絲杠，其參數(shù)為公稱直徑： d =60 mm導(dǎo)程： p =9 mm根據(jù)第 3 節(jié)的分析，俯仰機(jī)構(gòu)載荷最大值為31kN，則絲杠的驅(qū)動(dòng)力矩 T= 149．6 N·m（計(jì)算過程與3.1節(jié)相同） 。安全系數(shù)按1.5倍考慮，則單套俯仰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)力矩為224．4 N·m 。俯仰機(jī)構(gòu)總行程約為1000 mm ，運(yùn)動(dòng)時(shí)間不大于2 min，則梯形絲杠的最低轉(zhuǎn)速：minr5.910n2???根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，驅(qū)動(dòng)電機(jī)初選2.2 kW 交流伺服電機(jī)，額定輸出扭矩7.0 N· m，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。由電機(jī)額定轉(zhuǎn)速及絲杠最低轉(zhuǎn)速可以得出傳動(dòng)鏈總速比最大為 ,減速54.30iz??機(jī)速比選為 ,則末級(jí)齒輪副速比最大值為 ,初步確定末級(jí)齒輪副50ij? 8.1504ijzm??速比i m= 1。4．2 設(shè)計(jì)校核從輸出力矩角度進(jìn)行校核，末級(jí)輸出力矩為；m4.280.150.7imj ?????NT?從輸出轉(zhuǎn)速角度進(jìn)行校核，末級(jí)輸出轉(zhuǎn)速為黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 文 獻(xiàn) 綜 述 ） 第 8 頁 ，minr5.60153nm???故上述設(shè)計(jì)滿足驅(qū)動(dòng)力矩及工作時(shí)間要求。5 機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)俯仰舉升機(jī)構(gòu)屬于平面四連桿機(jī)構(gòu)，存在較多的裝配間隙，機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性不足?？刹扇∪缦麓胧┨岣邫C(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性：1） 門架與轉(zhuǎn)盤間設(shè)計(jì)機(jī)械限位。門架舉升到位后，舉升機(jī)構(gòu)對門架施加預(yù)緊力，將門架、舉升機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)盤在預(yù)緊力的作用下連接形成剛性支撐結(jié)構(gòu)。2） 對俯仰機(jī)構(gòu)部分設(shè)計(jì)輔助撐桿，提高俯仰機(jī)構(gòu)連接的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 文 獻(xiàn) 綜 述 ） 第 9 頁 參考文獻(xiàn)[1]張潤奎,戚仁欣 ,張樹雄等.雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝[M].電子工業(yè)出版社,2004. 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