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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 26 頁
1 緒論
1.1課題的背景及目的
雷達發(fā)展至今，已經(jīng)在軍事領(lǐng)域占有舉足輕重的地位，雷達系統(tǒng)是利用調(diào)制信號和定向天線將電磁能量發(fā)射到指定空域搜索目標，目標再將接收到的部分能量（雷達回波）反射回來，由雷達接收機進行處理后，抽取出目標的距離、速度、角位置以及具有其他識別特征的目標信息。
雷達俯仰控制是指雷達根據(jù)工作模式、量程、載機高度和目標距離，自動設(shè)置俯仰角度或由操作員設(shè)置俯仰角度。機載雷達天線俯仰控制通常只采用手動方式，而機載雷達的天線俯仰控制有自動、手動和高度帶設(shè)置三種方式，自動控制是指雷達系統(tǒng)根據(jù)操作員選定的工作模式、量程，自動設(shè)置天線俯仰角；手動控制是指雷達操作員可以根據(jù)實際探測需求，人工設(shè)置天線的俯仰角；高度帶設(shè)置是指根據(jù)載機高度和目標距離，系統(tǒng)自動設(shè)置天線俯仰角。
本課題是研究炮瞄雷達天線高低角工作范圍為-15—95度，當轉(zhuǎn)到接近最高和最低極限位置時，該電路自動去掉天線驅(qū)動電機上的控制電壓，并使天線很快被制動，防止機械和電機過荷損壞，起到保護作用。
1.2 國內(nèi)外發(fā)展狀況
雷達發(fā)展至今已有一百多年的歷史。1864年英國物理學(xué)家麥克斯韋（J.C.axwell）提出“電磁場理論”，并預(yù)見了電磁波的存在。1903年德國人克里斯琴.威爾斯姆耶（Christian Hulsmeyer）研制出原始的船用防撞雷達并獲得專利權(quán)，這拉開了世人研制雷達的序幕。1922年美國海軍研究實驗室（Naval Research Lab.）的A.H泰勒和L.C揚用一部波長為5米的連續(xù)波實驗裝置探測到了一只木船。由于當時無有效的隔離方法，只能把收發(fā) 機分置，這實際上是一種雙基地雷達。1937年由羅伯特.沃森.瓦特設(shè)計的第一部可使用雷達“Chain Home”在英國建成，英國正式部署了作戰(zhàn)雷達網(wǎng)“鏈條”。
雷達分為地基、機載、空載、艦載雷達，也可以根據(jù)雷達的工作頻段、天線類型、所用波形等不同特征分類。雷達還可以根據(jù)其任務(wù)或功能分為：氣象雷達、截獲搜索雷達、跟蹤雷達、邊跟邊掃雷達、火控雷達、預(yù)警雷達、超視距雷達、地形跟隨雷達、地形回避雷達等。相控陣雷達使用相控陣天線，因此常被稱為多功能雷達。雷達最常見的分類方法是根據(jù)其所用波形或工作頻率，按波形可分為連續(xù)波（CW）或脈沖(PR)雷達。連續(xù)波雷達能連續(xù)發(fā)射電磁能量，有獨立的發(fā)射天線和接收天線。非調(diào)制連續(xù)波雷達可以精確地測量目標的徑向速度（多譜勒頻移）和角位置，但不能得到目標的距離數(shù)據(jù)，因此這種雷達的主要用途是對目標速度的搜索和跟蹤以及導(dǎo)彈制導(dǎo)。脈沖雷達的波形為調(diào)制脈沖串。根據(jù)脈沖重復(fù)頻率的高低又可將脈沖雷達分為低、中、高PRF雷達。低PRF雷達主要用于測距，它對目標的速度（多譜勒頻移）不敏感。高PRF雷達主要用于測量目標的速度。如果使用不同的調(diào)制方式，連續(xù)波雷達和脈沖雷達都可以測量目標的距離和徑向速度。
我國現(xiàn)役的雷達天線俯仰控制比較簡單, 一般通過方位/ 俯仰控制開關(guān)控制天線在方位方向轉(zhuǎn)動,然后采用手動或自動裝置對天線進行上仰或下俯。
在當今隨著科技的迅猛發(fā)展，人們對雷達設(shè)備精準度要求的不斷提高，雷達俯仰機構(gòu)的設(shè)計問題必將引起人們的廣泛關(guān)注，也必將得以進一步的發(fā)展。
當前人們對雷達天線高低角俯仰機構(gòu)的設(shè)計也有很多種，像有電機來作為動力源來帶動雷達天線的俯仰機構(gòu)的運動，也有用液壓系統(tǒng)來控制雷達天線的俯仰機構(gòu)的運動，當然還有其他的一些方法。
對高低角俯仰限制電路的研究分析，發(fā)現(xiàn)前人的設(shè)計思路主要有脈沖電路，也有用單片機來控制的。
1.3 課題研究內(nèi)容及要求
本文綜合國內(nèi)外雷達俯仰機構(gòu)的設(shè)計，通過調(diào)研搜集資料，并運用所學(xué)知識，設(shè)計一種機械控制電路。要求雷達天線高低角工作范圍為-15—95度，當轉(zhuǎn)到接近最高和最低極限位置時，該電路自動去掉天線驅(qū)動電機上的控制電壓，并使天線很快被制動，防止機械和電機過荷損壞，起到保護作用。
2 雷達俯仰機構(gòu)的設(shè)計參考
本設(shè)計對雷達天線俯仰機構(gòu)不做重點設(shè)計，但是也應(yīng)該有一個設(shè)計思路，本文研究了前人的設(shè)計思路，對其進行了簡單的分析。
現(xiàn)代車載式高機動雷達天線車具有工作及運輸2種狀態(tài)，即在工作時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、鐵路運輸時不超高、不超寬的要求。
為滿足高機動雷達的機動性高、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)換機構(gòu)技術(shù)。目前常用的狀態(tài)轉(zhuǎn)換機構(gòu)技術(shù)主要有以下2種
1） “舉升轉(zhuǎn)臺 + 俯仰機構(gòu)”式設(shè)計。如圖1（a）所示，通常采用機電液混合伺服傳動技術(shù)，轉(zhuǎn)臺與天線被同時舉高；
2） “俯仰機構(gòu) + 推舉天線”式設(shè)計。如圖1（b）所示，通常采用全機電伺服傳動技術(shù)，天線單獨運動，舉升機構(gòu)為滑軌結(jié)構(gòu)。
前者舉升高度較高，但機構(gòu)復(fù)雜，維護要求高；后者機構(gòu)設(shè)計相對簡單，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，同時兩者都存在天線偏心大的缺點。
某型雷達系統(tǒng)要求在工作狀態(tài)時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)動時天線偏心量盡可能??；
4） 結(jié)構(gòu)緊湊、控制方便、維護簡單。
論證表明，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換機構(gòu)已無法滿足要求，需要研制一種新的機構(gòu)形式。文中提出了一種基于平面機構(gòu)原理的傳動機構(gòu)方案，可滿足上述要求。
2.1 新型機構(gòu)的原理與結(jié)構(gòu)方案
2.1.1機構(gòu)工作原理
圖 2 為新型機構(gòu)在運輸狀態(tài)下的運動簡圖。機構(gòu)中，活動構(gòu)件數(shù) n=6，低副 L=8，高副 H=0，機構(gòu)自由度為
P=3n－2L－H=2
機構(gòu)自由度數(shù)與主動件數(shù)相等，符合機構(gòu)運動原理。
2.1. 2 新型機構(gòu)結(jié)構(gòu)方案
從提高系統(tǒng)的實用性與可靠性考慮，新型機構(gòu)采用全機電伺服傳動技術(shù)方案。在具體的工程設(shè)計中，圖2中 6、7 為傳統(tǒng)的絲杠傳動機構(gòu)，4、5 為單級電動缸（作為俯仰機構(gòu)） ，2 為門架，機架1為轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)盤。上述部分在轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動下做方位轉(zhuǎn)動，如圖 3 所示。
舉升機構(gòu)與俯仰機構(gòu)各為2套，分別同步運動，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。
2.1．3 機構(gòu)工作過程設(shè)計
天線由運輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換為工作狀態(tài)有以下 2 種運動方法可選：
1） 分步運動法。單級電動缸首先伸出到位，完成天線的俯仰運動，然后在絲杠傳動機構(gòu)的驅(qū)動下，門架轉(zhuǎn)動到位，完成天線的舉升運動，分 2 步完成天線狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
2） 同步運動法。電動缸與絲杠傳動機構(gòu)同時啟動，然后同時運動到位，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，但由于同時運動的構(gòu)件較多，機構(gòu)同步性要求較高，伺服控制難度較大。
考慮到機構(gòu)的可靠性與控制的簡便性，最終確定采用分步運動控制方法，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。
2.2 機構(gòu)載荷分析
依據(jù)分步運動方案，利用“多體動力學(xué)仿真分析軟件 ADAMS”分析運動過程中俯仰機構(gòu)與舉升機構(gòu)的載荷情況。
仿真工況分析：在實際工作中，在天線的重量分布不均勻以及機構(gòu)運動同步性的差異等因素的影響下，2套俯仰、舉升機構(gòu)在受力上會有所不同。但在分析時按受力相同、同步運動的理想工況考慮，分析結(jié)果如圖5 所示。
圖中紅色實線為俯仰機構(gòu)單套載荷變化曲線，藍色虛線為舉升機構(gòu)單套載荷變化曲線。從圖 5 中可以看出單套舉升機構(gòu)最大載荷為
Fmax1=18 kN
單套俯仰機構(gòu)最大載荷為
Fmax2=31 kN
2.3 舉升機構(gòu)設(shè)計
舉升機構(gòu)采用普通的絲杠傳動機構(gòu)形式。絲杠傳動機構(gòu)是將電機的旋轉(zhuǎn)運動通過螺旋傳動副（滑動或滾動螺旋副）的機械運動轉(zhuǎn)換為絲杠的直線運動，并利用伺服電機的閉環(huán)控制特性，實現(xiàn)對推力、速度和位置的精密控制。圖6為普通絲杠舉升機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。絲杠暴露在外，可為絲杠加裝防護罩，以增強絲杠的環(huán)境適應(yīng)性。
2.3．1 設(shè)計計算
考慮到機構(gòu)的自鎖要求，舉升機構(gòu)使用梯形絲杠副結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)絲杠的剛強度要求，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，舉升機構(gòu)最大載荷為18 kN，絲杠副的驅(qū)動力矩為
絲杠中徑： d2= 55.5 mm
導(dǎo)程角： γ=2.96°
當量摩擦角：ρv=5.91°
效率：
安全系數(shù)按1.5 倍考慮，則單套舉升機構(gòu)的驅(qū)動力矩設(shè)計參考值約為130 N·m
舉升機構(gòu)總行程約為430 mm，運動時間不大于1min，則梯形螺母的最低轉(zhuǎn)速為
根據(jù)以上計算結(jié)果，驅(qū)動電機初選1.5 kW 交流伺服電機，其額定力矩為4.77 N·