高低角俯仰限制电路的设计设计说明

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1、高低角俯仰限制电路的设计1 绪论1.1课题的背景及目的 雷达发展至今，已经在军事领域占有举足轻重的地位，雷达系统是利用调制信号和定向天线将电磁能量发射到指定空域搜索目标，目标再将接收到的部分能量（雷达回波）反射回来，由雷达接收机进行处理后，抽取出目标的距离、速度、角位置以及具有其他识别特征的目标信息。雷达俯仰控制是指雷达根据工作模式、量程、载机高度和目标距离，自动设置俯仰角度或由操作员设置俯仰角度。机载雷达天线俯仰控制通常只采用手动方式，而机载雷达的天线俯仰控制有自动、手动和高度带设置三种方式，自动控制是指雷达系统根据操作员选定的工作模式、量程，自动设置天线俯仰角；手动控制是指雷达操作员可以根

2、据实际探测需求，人工设置天线的俯仰角；高度带设置是指根据载机高度和目标距离，系统自动设置天线俯仰角。本课题是研究炮瞄雷达天线高低角工作范围为-1595度，当转到接近最高和最低极限位置时，该电路自动去掉天线驱动电机上的控制电压，并使天线很快被制动，防止机械和电机过荷损坏，起到保护作用。1.2 国内外发展状况雷达发展至今已有一百多年的历史。1864年英国物理学家麦克斯韦（J.C.axwell）提出“电磁场理论”，并预见了电磁波的存在。1903年德国人克里斯琴.威尔斯姆耶（Christian Hulsmeyer）研制出原始的船用防撞雷达并获得专利权，这拉开了世人研制雷达的序幕。1922年美国海军研究

3、实验室（Naval Research Lab.）的A.H泰勒和L.C扬用一部波长为5米的连续波实验装置探测到了一只木船。由于当时无有效的隔离方法，只能把收发 机分置，这实际上是一种双基地雷达。1937年由罗伯特.沃森.瓦特设计的第一部可使用雷达“Chain Home”在英国建成，英国正式部署了作战雷达网“链条”。雷达分为地基、机载、空载、舰载雷达，也可以根据雷达的工作频段、天线类型、所用波形等不同特征分类。雷达还可以根据其任务或功能分为：气象雷达、截获搜索雷达、跟踪雷达、边跟边扫雷达、火控雷达、预警雷达、超视距雷达、地形跟随雷达、地形回避雷达等。相控阵雷达使用相控阵天线，因此常被称为多功能雷达

4、。雷达最常见的分类方法是根据其所用波形或工作频率，按波形可分为连续波（CW）或脉冲(PR)雷达。连续波雷达能连续发射电磁能量，有独立的发射天线和接收天线。非调制连续波雷达可以精确地测量目标的径向速度（多谱勒频移）和角位置，但不能得到目标的距离数据，因此这种雷达的主要用途是对目标速度的搜索和跟踪以及导弹制导。脉冲雷达的波形为调制脉冲串。根据脉冲重复频率的高低又可将脉冲雷达分为低、中、高PRF雷达。低PRF雷达主要用于测距，它对目标的速度（多谱勒频移）不敏感。高PRF雷达主要用于测量目标的速度。如果使用不同的调制方式，连续波雷达和脉冲雷达都可以测量目标的距离和径向速度。我国现役的雷达天线俯仰控制比

5、较简单, 一般通过方位/ 俯仰控制开关控制天线在方位方向转动,然后采用手动或自动装置对天线进行上仰或下俯。在当今随着科技的迅猛发展，人们对雷达设备精准度要求的不断提高，雷达俯仰机构的设计问题必将引起人们的广泛关注，也必将得以进一步的发展。当前人们对雷达天线高低角俯仰机构的设计也有很多种，像有电机来作为动力源来带动雷达天线的俯仰机构的运动，也有用液压系统来控制雷达天线的俯仰机构的运动，当然还有其他的一些方法。对高低角俯仰限制电路的研究分析，发现前人的设计思路主要有脉冲电路，也有用单片机来控制的。1.3 课题研究内容及要求本文综合国内外雷达俯仰机构的设计，通过调研搜集资料，并运用所学知识，设计一种

6、机械控制电路。要求雷达天线高低角工作范围为-1595度，当转到接近最高和最低极限位置时，该电路自动去掉天线驱动电机上的控制电压，并使天线很快被制动，防止机械和电机过荷损坏，起到保护作用。2 雷达俯仰机构的设计参考 本设计对雷达天线俯仰机构不做重点设计，但是也应该有一个设计思路，本文研究了前人的设计思路，对其进行了简单的分析。 现代车载式高机动雷达天线车具有工作及运输2种状态，即在工作时将天线举升至一定高度，并将天线阵面翻转至一定的俯仰角度，可以减小地面及车上设备对天线波束的影响；工作结束后将天线恢复到水平状态或其它特定角度，整车外形尺寸满足公路、铁路运输时不超高、不超宽的要求。 为满足高机动雷

7、达的机动性高、架设撤收迅捷的特性要求，需要一种能够将天线在2种状态间迅速转换的状态转换机构技术。目前常用的状态转换机构技术主要有以下2种1） “举升转台 + 俯仰机构”式设计。如图1（a）所示，通常采用机电液混合伺服传动技术，转台与天线被同时举高；2） “俯仰机构 + 推举天线”式设计。如图1（b）所示，通常采用全机电伺服传动技术，天线单独运动，举升机构为滑轨结构。 前者举升高度较高，但机构复杂，维护要求高；后者机构设计相对简单，但举升高度有限，因滑轨结构的密封性不足，环境适应性较差，同时两者都存在天线偏心大的缺点。某型雷达系统要求在工作状态时天线要满足以下条件：1） 能够举升至一定高度；2）

8、 有一定的预仰角；3） 转动时天线偏心量尽可能小；4） 结构紧凑、控制方便、维护简单。论证表明，传统的转换机构已无法满足要求，需要研制一种新的机构形式。文中提出了一种基于平面机构原理的传动机构方案，可满足上述要求。2.1新型机构的原理与结构方案机构工作原理图 2 为新型机构在运输状态下的运动简图。机构中，活动构件数 n=6，低副 L=8，高副 H=0，机构自由度为 P=3n2LH=2机构自由度数与主动件数相等，符合机构运动原理。 2.1. 2新型机构结构方案从提高系统的实用性与可靠性考虑，新型机构采用全机电伺服传动技术方案。在具体的工程设计中，图2中 6、7 为传统的丝杠传动机构，4、5 为单

9、级电动缸（作为俯仰机构） ，2 为门架，机架1为转台的转盘。上述部分在转台的驱动下做方位转动，如图 3 所示。 举升机构与俯仰机构各为2套，分别同步运动，既可降低对天线骨架的刚性要求，又可提高系统稳定性。2.13机构工作过程设计 天线由运输状态转换为工作状态有以下 2 种运动方法可选： 1） 分步运动法。单级电动缸首先伸出到位，完成天线的俯仰运动，然后在丝杠传动机构的驱动下，门架转动到位，完成天线的举升运动，分 2 步完成天线状态的转换。2） 同步运动法。电动缸与丝杠传动机构同时启动，然后同时运动到位，一步即可完成状态转换。逆向工作过程即可将天线由工作状态转换为运输状态。 方法 1） 控制简单

10、，但转换过程中偏心现象较为明显； 方法 2） 重心控制较好，但由于同时运动的构件较多，机构同步性要求较高，伺服控制难度较大。考虑到机构的可靠性与控制的简便性，最终确定采用分步运动控制方法，并将中间状态作为天线维修状态。天线工作状态如图 4 所示。 2.2机构载荷分析 依据分步运动方案，利用“多体动力学仿真分析软件 ADAMS”分析运动过程中俯仰机构与举升机构的载荷情况。 仿真工况分析：在实际工作中，在天线的重量分布不均匀以及机构运动同步性的差异等因素的影响下，2套俯仰、举升机构在受力上会有所不同。但在分析时按受力相同、同步运动的理想工况考虑，分析结果如图5 所示。 图中红色实线为俯仰机构单套载

11、荷变化曲线，蓝色虚线为举升机构单套载荷变化曲线。从图 5 中可以看出单套举升机构最大载荷为 Fmax1=18 kN 单套俯仰机构最大载荷为 Fmax2=31 kN2.3举升机构设计 举升机构采用普通的丝杠传动机构形式。丝杠传动机构是将电机的旋转运动通过螺旋传动副（滑动或滚动螺旋副）的机械运动转换为丝杠的直线运动，并利用伺服电机的闭环控制特性，实现对推力、速度和位置的精密控制。图6为普通丝杠举升机构结构示意图。丝杠暴露在外，可为丝杠加装防护罩，以增强丝杠的环境适应性。 2.31设计计算 考虑到机构的自锁要求，举升机构使用梯形丝杠副结构形式，根据丝杠的刚强度要求，初选梯形丝杠参数为 公称直径 d=

12、60 mm 导程 S=9 mm根据上节分析结果，举升机构最大载荷为18 kN，丝杠副的驱动力矩为 丝杠中径： d2=55.5 mm 导程角： =2.96 当量摩擦角：v=5.91 效率：安全系数按1.5 倍考虑，则单套举升机构的驱动力矩设计参考值约为130 Nm举升机构总行程约为430 mm，运动时间不大于1min，则梯形螺母的最低转速为 根据以上计算结果，驱动电机初选1.5 kW 交流伺服电机，其额定力矩为4.77 Nm，额定转速为3000 r / min。由电机额定转速及螺母最大转速可以得出传动链总速比最大值为，减速机速比选为，则末级齿轮速副比最大值为，初步确定末级齿轮副速比为 im= 1

13、。2.3.2设计校核从输出力矩角度进行校核，按电机额定输出计算，末级（螺母） 输出力矩为从输出转速（即工作时间） 角度进行校核，按电机额定输出计算，末级（螺母） 输出转速为 故上述设计满足驱动力矩及工作时间要求。2.4俯仰机构设计 俯仰机构采用单级伺服电动缸机构。伺服电动缸在传统的丝杠传动机构的基础上改而来，其传动原理与传统丝杠传动机构相同。二者的区别在于电动缸是将丝杠的旋转运动转换为螺母的直线运动。 与普通丝杠传动机构相比，电动缸有效行程、效率都低于前者，重量也不占优势。但其防护性能更佳，环境适应性较强，维护简单。电动缸结构如图 7 所示。 2.4.1设计计算出于与举升机构相同的考虑，俯仰机

14、构使用梯形丝杠副结构，初选与举升机构同规格的梯形丝杠，其参数为 公称直径： d =60 mm 导程： p =9 mm根据第 3 节的分析，俯仰机构载荷最大值为 31 kN，则丝杠的驱动力矩 T = 1496 Nm（计算过程与3.1节相同）。 安全系数按1.5倍考虑，则单套俯仰机构的设计驱动力矩为2244 Nm 。俯仰机构总行程约为1000 mm ，运动时间不大于 2 min，则梯形丝杠的最低转速： 根据以上计算结果 ，驱动电机初选2 .2 kW 交流伺服电机，额定输出扭矩 7 .0 N m，额定转速为3000 r/min。由电机额定转速及丝杠最低转速可以得出传动链总速比最大为,减速机速比选为,则末级齿轮副速比最大值为,初步确定末级齿轮副速比 im= 1。 设计校核从输出力矩角度进行校核，末级输出力矩为 ；从输出转速角度进行校核，末级输出转速为 ，故上述设计满足驱动力矩及工作时间要求。2.5机构动态稳定性设计俯仰举升机构属于平面四连杆机构，存在较多的装配间隙，机构的动态稳定性不足。可采取如下措施提高机构的动态稳定性：1） 门架与转盘间设计机械限位。门架举升到位后，举升机构对门架施加预紧力，将门架、举升机构及转盘在预紧力的作用下连接形成刚性支撑结构。2） 对俯仰机构部分设计辅助撑