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        新型單反射面緊縮場(chǎng)數(shù)控饋源支架系統(tǒng)

        2014-12-31 12:08:32譚龍慶羅紅宇李東升
        機(jī)械工程與自動(dòng)化 2014年2期
        關(guān)鍵詞:拋物面饋源高精度

        譚龍慶,羅紅宇,李東升

        (北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,北京 100191)

        0 引言

        緊縮場(chǎng)[1]采用精密反射器,將點(diǎn)源產(chǎn)生的球面波在近距離內(nèi)變換為平面波,從而滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試要求[2],可用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、坦克等的雷達(dá)散射截面(RCS)、機(jī)載天線性能及衛(wèi)星整星測(cè)試,尤其應(yīng)對(duì)隱身戰(zhàn)斗機(jī)的隱身性能檢測(cè)和高性能雷達(dá)等重要環(huán)節(jié)。

        單反射面緊縮場(chǎng)作為常用緊縮場(chǎng)設(shè)計(jì)方案,其主要由暗室、吸波材料、高精度旋轉(zhuǎn)拋物面反射器、高精度轉(zhuǎn)臺(tái)、低反射支架和饋源系統(tǒng)等組成。根據(jù)單反射面緊縮場(chǎng)的工作原理,饋源相位中心必須應(yīng)精確定位在高精度反射面的旋轉(zhuǎn)拋物面焦點(diǎn)處,且饋源按指定偏饋角放置。隨著緊縮場(chǎng)測(cè)試頻率不斷提高和靜區(qū)尺寸的不斷擴(kuò)大,對(duì)饋源定位精度要求越來(lái)越高,饋源支架對(duì)緊縮場(chǎng)靜區(qū)電性能的影響逐漸增加[3]。

        在北京航空航天大學(xué)研制的某緊縮場(chǎng)系統(tǒng)中,饋源系統(tǒng)具有單饋源(單一饋源且相位中心位于旋轉(zhuǎn)拋物面焦點(diǎn))和雙饋源(兩饋源相位中心對(duì)稱位于旋轉(zhuǎn)拋物面焦點(diǎn)兩側(cè))兩種工作模式,并且需要頻繁更換饋源的水平極化狀態(tài)和垂直極化狀態(tài)。使用雙饋源時(shí)不同頻段的饋源要求兩饋源間距不同,還需要饋源實(shí)現(xiàn)定速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。目前國(guó)外林肯實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)研制出全自動(dòng)饋源支架,可實(shí)現(xiàn)饋源自動(dòng)切換和饋源極化狀態(tài)的自動(dòng)切換等功能[4]。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,在更換饋源、改變饋源極化狀態(tài)、調(diào)整饋源間距等操作時(shí),饋源相位中心應(yīng)始終位于旋轉(zhuǎn)拋物面焦點(diǎn)位置或?qū)ΨQ位于焦點(diǎn)兩側(cè),同時(shí)可精確反饋饋源旋轉(zhuǎn)角度信息,因此需研制一種新型的數(shù)控饋源支架,以提高饋源相位中心定位精度,進(jìn)而保證緊縮場(chǎng)整體電氣性能,以滿足其高剛度、高強(qiáng)度、饋源定位高精度和饋源位置調(diào)整靈活及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等設(shè)計(jì)需求,同時(shí)減少支架自重和自身截面散射。本文針對(duì)以上需求,對(duì)數(shù)控饋源支架系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

        1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        1.1 總體設(shè)計(jì)

        饋源支架總體結(jié)構(gòu)由下層底座、饋源支架主體、饋源偏饋角調(diào)整機(jī)構(gòu)和饋源旋轉(zhuǎn)單元組成,如圖1所示。下層底座與地面通過(guò)地腳螺栓固定,可以調(diào)節(jié)饋源支架整體的高度以及下層底座與饋源支架主體安裝面的水平。下層底座與饋源支架主體通過(guò)螺栓鎖緊固定,四周設(shè)計(jì)有調(diào)整機(jī)構(gòu),方便精確調(diào)整饋源支架主體的位置,以實(shí)現(xiàn)饋源相位中心的定位。利用可拆式饋源偏饋角調(diào)整機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)在保證饋源相位中心位置不變的情況下對(duì)饋源偏饋角的調(diào)節(jié)。饋源支架主體安裝有高精度線性滑軌。饋源旋轉(zhuǎn)單元主要由饋源安裝法蘭、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)單元安裝板組成,三者通過(guò)螺釘緊固相連,并安裝在饋源支架主體的導(dǎo)軌滑塊上,實(shí)現(xiàn)沿導(dǎo)軌橫向移動(dòng),如圖2所示。饋源旋轉(zhuǎn)單元可根據(jù)使用需求調(diào)節(jié)間距,實(shí)現(xiàn)單饋源的相位中心定位在旋轉(zhuǎn)拋物面焦點(diǎn)位置或雙饋源的相位中心定位在焦點(diǎn)的兩側(cè)。綜合考慮定位精度、傳動(dòng)效率和機(jī)構(gòu)體積等因素,旋轉(zhuǎn)平臺(tái)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu),由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。配合微波同軸旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),可實(shí)現(xiàn)微波線纜不受力、不纏繞、不打結(jié),以避免影響微波信號(hào)。為了減少自身截面散射,除在饋源附近按一定要求布置吸波材料外,還專門設(shè)計(jì)了擋板,以便粘附吸波材料。

        1.2 饋源偏饋角調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

        在完成饋源相位中心定位后,需要在保持饋源相位中心不變的情況下,對(duì)偏饋角進(jìn)行精確調(diào)整。在饋源支架的安裝側(cè)板上設(shè)計(jì)以饋源相位中心為圓心的圓弧滑動(dòng)軌道,并將安裝饋源的安裝架通過(guò)滾動(dòng)軸承嵌入軌道中。利用絲杠機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精確調(diào)整,調(diào)整過(guò)程平穩(wěn)、整體結(jié)構(gòu)受力均勻。調(diào)整完成并利用螺栓鎖死饋源支架后,可以將調(diào)整機(jī)構(gòu)拆下,增大饋源支架后部的操作空間,也降低了饋源支架的自身截面反射??刹鹗狡伣钦{(diào)整機(jī)構(gòu)如圖3所示。

        圖1 饋源支架機(jī)械系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

        圖2 旋轉(zhuǎn)單元結(jié)構(gòu)

        圖3 可拆式偏饋角調(diào)整機(jī)構(gòu)

        1.3 饋源支架機(jī)械系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)

        完成饋源支架的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后,利用三維設(shè)計(jì)軟件建立其三維模型,并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析,保證運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)各零件不干涉,并對(duì)部分承力構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核,采用SolidWorks軟件中的Simulation插件進(jìn)行靜力分析以保證工作負(fù)載下其定位精度滿足使用要求。以饋源旋轉(zhuǎn)單元安裝板為例,經(jīng)過(guò)尺寸和材料優(yōu)化后,在重量相對(duì)整體不銹鋼板降低80%的情況下,安裝板的強(qiáng)度和剛度都滿足設(shè)計(jì)要求,其分析結(jié)果如圖4所示。

        通過(guò)建立簡(jiǎn)化的饋源支架模型,有限元分析得到其在工作載荷下的靜力變形為0.01mm,由此可知饋源相位中心定位誤差主要來(lái)源于饋源支架的裝配誤差,饋源支架設(shè)計(jì)滿足使用要求。

        圖4 饋源安裝板靜力分析結(jié)果

        2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        饋源支架運(yùn)動(dòng)控制采用成熟的PLC控制系統(tǒng),利用NC(Numerical Control)運(yùn)動(dòng)控制模塊和PTP(Point to Point)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng),以保證饋源在實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中運(yùn)行平穩(wěn)、響應(yīng)迅速。為方便使用,在提供現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏控制操作的同時(shí),為PLC控制系統(tǒng)增加EIP(Ethernet/IP)通信模塊,以實(shí)現(xiàn)基于工業(yè)以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制,方便在控制室通過(guò)遠(yuǎn)程控制軟件實(shí)現(xiàn)饋源旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制,并將饋源支架的運(yùn)動(dòng)控制集成到緊縮場(chǎng)綜合測(cè)試平臺(tái)中。

        2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        饋源旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制即伺服電機(jī)速度和位置控制,利用高性能PLC控制系統(tǒng)附加NC控制模塊實(shí)現(xiàn)。饋源旋轉(zhuǎn)原點(diǎn)位置的建立利用接近開(kāi)關(guān)信號(hào)和旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償值完成,當(dāng)饋源繞其軸線旋轉(zhuǎn)到指定位置后會(huì)觸發(fā)接近開(kāi)關(guān),采集該信號(hào)后,饋源會(huì)減速繼續(xù)旋轉(zhuǎn),當(dāng)采集到編碼器的Z相信號(hào)后停止,并設(shè)定該位置為饋源零點(diǎn)位置。遠(yuǎn)程通訊利用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn),具有穩(wěn)定可靠、通訊距離長(zhǎng)、通訊速率高、抗干擾性好等特點(diǎn)??刂葡到y(tǒng)硬件構(gòu)成如圖5所示。

        圖5 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

        2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        饋源支架軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用服務(wù)器/客戶端模式,將PLC作為底層運(yùn)動(dòng)控制核心,通過(guò)觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互并完成所有控制操作,遠(yuǎn)程控制軟件利用工業(yè)以太網(wǎng)連接PLC的EIP模塊接口,作為PLC的客戶端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

        PLC控制程序采用梯形圖編寫(xiě),以模塊化編程方式,根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)控制和功能分成8個(gè)子基本模塊,并以此為基礎(chǔ),根據(jù)使用要求編寫(xiě)實(shí)際應(yīng)用控制程序。PLC程序模塊分組如圖6所示。

        圖6 PLC程序模塊分組

        在控制程序中,利用自鎖和互鎖結(jié)構(gòu)保證控制系統(tǒng)正確完成運(yùn)動(dòng)指令并自動(dòng)排除誤操作。雙軸同步運(yùn)動(dòng)利用PLC的2ms定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn),每2ms運(yùn)行一次中斷程序,根據(jù)1號(hào)軸的編碼器反饋值變化增量控制2號(hào)軸運(yùn)動(dòng)。由于饋源支架使用的伺服電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間在5ms左右,使用2ms定時(shí)中斷完全滿足同步控制要求。

        為方便測(cè)量操作,編寫(xiě)了一套基于C#高級(jí)編程語(yǔ)言、WPF界面開(kāi)發(fā)技術(shù)和歐姆龍公司的FinsGateway通訊驅(qū)動(dòng)的遠(yuǎn)程控制軟件,利用工業(yè)以太網(wǎng),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制饋源支架。遠(yuǎn)程控制界面如圖7所示。

        圖7 遠(yuǎn)程控制界面

        3 系統(tǒng)裝調(diào)

        根據(jù)饋源在緊縮場(chǎng)系統(tǒng)中的使用需求,對(duì)饋源支架的性能指標(biāo)做了如下要求:饋源中心定位精度為±0.1mm;饋源旋轉(zhuǎn)跳動(dòng)精度為±0.1mm;饋源旋轉(zhuǎn)角度精度為±0.1°。

        現(xiàn)場(chǎng)安裝饋源支架時(shí),借助激光跟蹤儀實(shí)現(xiàn)對(duì)饋源相位中心的高精度定位,單饋源模式饋源相位中心實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)值如圖8所示,其中旋轉(zhuǎn)拋物面的焦點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)。以導(dǎo)軌為測(cè)量基礎(chǔ)測(cè)量饋源安裝法蘭盤的旋轉(zhuǎn)跳動(dòng)誤差,實(shí)際測(cè)量值為±0.05mm,滿足設(shè)計(jì)要求。

        圖8 單饋源相位中心位置坐標(biāo)

        4 結(jié)論

        本文研制的高精度、高可靠性、自動(dòng)化的新型數(shù)控饋源支架系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):開(kāi)發(fā)了可拆式偏饋角調(diào)整機(jī)構(gòu),并利用滾動(dòng)軸承降低摩擦力,方便調(diào)節(jié);增加了饋源高精度旋轉(zhuǎn)功能,實(shí)現(xiàn)測(cè)量中單極化饋源極化方式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換及饋源連續(xù)旋轉(zhuǎn)功能;提供了現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程兩種控制方式,方便使用。

        經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)裝調(diào)精度測(cè)試及實(shí)際使用效果表明,本文研制的新型數(shù)控饋源支架的定位精度和運(yùn)動(dòng)精度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)和使用要求,其不僅保證了饋源相位中心位置的準(zhǔn)確性,還提高了緊縮場(chǎng)測(cè)試效率,增加了測(cè)試方式。

        [1]Olver A D.Compact antenna test ranges[G]//Proceeding of the Seventh International Conference on Antennas and Propagation.[s.l.]:[s.n.],1991:99-108.

        [2]何國(guó)瑜.電磁散射的計(jì)算和測(cè)量[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

        [3]全紹輝.一個(gè)高性能單反射面緊縮場(chǎng)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2003,29(9):767-769.

        [4]Micheal W Shields,Alan J Fenn.A new compact range facility for antenna and radar target measurements[J].Lincoln Laboratory Journal,2007,16:382-390.

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