逯毅星，李威鋒

（中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009）

0 引言

NSI2000 天線近場測試系統(tǒng)是一套現(xiàn)代化的自動測量設備，經過多年使用，出現(xiàn)掃描探針Y 軸運動定位精度下降，以及Y 軸步進電機工作溫升過高導致?lián)p壞等故障，急需修復。

1 故障現(xiàn)象

（1）設備Y 軸傳動機構工作時發(fā)出異響，尤其是掃描探針沿Y 軸做由下而上的掃描運動時還伴隨著同步帶的振顫。

（2）掃描探針沿Y 軸運動時定位精度差。

（3）Y 軸步進電機工作溫度偏高，導致電機燒壞（Y軸電機驅動卡于1 年前燒壞過，已更換）。

2 故障診斷

2.1 設備工作原理

NSI2000 天線近場測試系統(tǒng)使用NSI2000 測試軟件進行人機交互，通過計算機GPIB 總線連接HP8720 網絡分析儀（以下簡稱網分儀），控制發(fā)射天線發(fā)出激勵信號，掃描探針受到激勵信號送回網分儀進行處理，結果經GPIB 總線送NSI2000 軟件計算。NSI2000 軟件計算測量結果后，經運動控制總線發(fā)出指令，使運動控制系統(tǒng)移動到下一指定位置進行測量，到位后發(fā)出觸發(fā)信號控制網分儀進行信號采集，完成測量閉環(huán)。通過天線和探針不斷地相對移動，將相對應的位置數(shù)據與幅相數(shù)據分別記錄并顯示在近場分布圖的橫軸與縱軸上，最終完成對天線的近場測量。

2.2 故障診斷分析

按照先易后難，由簡入繁的原則，需要對可能影響的部位進行檢修。先后對測量天線和網分儀進行了校正，傳輸電纜和信號接口重新連接固定，減小運動時的附加力。經過初步檢修后故障未消失，可以初步排除天線測量、負載和信號干擾等可能性，隨即將故障分析的重點轉向運動控制系統(tǒng)。運動控制系統(tǒng)主要由PC 端、ARC 箱（近場掃描驅動箱）、步進電機和傳動機構等4 部分組成。

PC 端通過NSI2000 Antenna Measurement System 軟件下的“Measurments”和“Hardware”窗口分別提供圖形化的測量運動控制和運動系統(tǒng)的參數(shù)配置調整功能，如圖1 所示。在測量菜單下提供了單軸點位控制功能，為后續(xù)故障測試提供了便利條件。

圖1 “Measurments”和“Hardware”窗口

ARC 箱由驅動信號處理輸入、輸出板，伺服電源和伺服模塊等組成。主要完成信號放大、動作連鎖保護、測量觸發(fā)等功能。

由于NSI2000 運動控制系統(tǒng)傳動機構具有載荷輕、快速定位和精度要求高的特點。掃描支架采用輕量化設計，使用步進電機作為執(zhí)行元件，選用同步帶為傳動元件。步進電機將ARC 箱發(fā)出的脈沖信號轉化為角位移，再通過同步帶將角位移轉換為直線位移，探針沿Y 軸由同步帶牽引移動。

配重滑塊的作用是平衡探針架的重量，不僅能夠保持在靜止狀態(tài)下傳動機構的平衡，同時對工作狀態(tài)下Y 軸步進電機的發(fā)熱有重要影響。根據牛頓第二定律（F=ma），如果配重質量偏大則慣性增大，必然使電機輸出驅動力增加，導致Y 軸移動時步進電機負載增加而發(fā)熱；若減小配重質量，將導致Y 軸在定位鎖緊時，步進電機需提供較大的制動扭矩，導致電機發(fā)熱。

現(xiàn)場試運行觀察發(fā)現(xiàn)，帶輪和同步帶有輕微磨損現(xiàn)象，驅動輪側運行噪音較大。懷疑同步帶老化，造成承載層拉長，節(jié)距增大，使驅動輪與同步帶帶齒干涉，產生噪聲和定位精度誤差。

3 故障維修

3.1 維修前定位精度檢測

由于該設備對Y 軸定位精度有較高要求（≤0.075 mm），因此在機構維修調整前，需進行定位精度檢測，為后續(xù)裝調留下原始數(shù)據。

Y 軸定位精度檢測使用英國雷尼紹XL-80 激光干涉儀進行，測量時Y 軸位移通過NSI2000 軟件下[Move axes]命令執(zhí)行。測量結果通過雷尼紹XCal-View 軟件進行分析。掃描探針沿Y軸運動的整個測量行程定位精度最大誤差為0.677 1 mm，反向間隙為0.216 7 mm。

3.2 維修與調試

3.2.1 同步帶選型與替換

從上述測量結果中可以看出，定位誤差遠大于0.075 mm的允許值。必須對傳動機構進行調整，對磨損的零件進行更換才能消除故障。由于該設備訂購年代較久，國外廠商零備件供應無法保證，只能對Y 軸傳動機構的部件進行國產化替代。通過測量原裝傳動部件相關尺寸，尋找尺寸接近的國產備件，最終確定帶輪規(guī)格（表1）和同步帶規(guī)格（表2）。

表1 帶輪規(guī)格

表2 同步帶規(guī)格

由于同步帶是直線位移的傳動元件，它本身是彈性體，對精度有重要影響。在不同力的作用下，會有不同程度的拉伸，不同材料，拉伸量也會不同。選取兩種不同材料的同步帶進行對比試驗，結果見表3。經過運行噪聲、運行平穩(wěn)性、重復定位精度對比，最終選用以氯丁橡膠和玻璃纖維為材料組成的同步帶。

表3 試驗結果

3.2.2 步進電機故障維修

Y 軸運動過程中步進電機溫升過快，升至85 ℃左右。經過觀察分析，由于掃描支架的輕量化設計，Y 軸步進電機是通過4個鋁制長螺桿為支撐，固定在兩級皮帶減速機構上。由于疲勞磨損等原因，其中2 只長螺桿根部斷裂，在轉動狀態(tài)下電機會發(fā)生傾斜，靜止狀態(tài)下電機回位，故障狀態(tài)非常隱蔽。由于轉動狀態(tài)下電機傾斜，傳動軸系相互不平行，致使傳動阻力增大、負載加重，造成步進電機溫度過高。

首先，加工更換電機固定螺桿，重新調整皮帶減速機構張力，排除傳動軸系相互不平行問題?？紤]到步進電機長期經受高溫運行，為保證安全可靠，決定對Y 軸步進電機進行更換。由于該電機為原廠配套電機，標識不清；通過查線、檢查步進電機驅動板接口設置等方法，最終確定電機接線方法，見表4。

3.2.3 定位精度補償

在機械機構調整完成后，針對定位誤差中的線性誤差部分，通過在NSI2000 控制軟件中“Hardware”選項下的參數(shù)，可以調整Y 軸步進電機控制參數(shù)進行位置精度補償?！癘ut-putscale”是步進電機轉動1 步時，Y 軸的移動距離，“Backlask”是Y 軸反向間隙，如圖2 和圖3 所示。通過激光干涉儀重復測量Y 軸的定位精度，使用夾逼法不斷優(yōu)化參數(shù)OutPutscale、Backlash，使誤差曲線逐漸平坦、正反向誤差曲線開口減小。通過比較，選擇定位精度最佳時對應的參數(shù)，最終確定：Out-Putscale=0.063 55 mm，Backlash=0。

表4 步進電機接線

4 維修結果

4.1 定位精度

使用激光干涉儀對維修后Y 軸定位精度進行測量。維修后在700 mm 測量行程定位誤差最大0.062 1 mm，反向間隙最大誤差0.019 4 mm。Y 軸傳動機構定位精度、反向誤差，對比維修前提升了一個數(shù)量級。

4.2 電機溫度

使用紅外測溫儀測量維修后的步進電機在工作狀態(tài)下的溫度。由電機溫度隨時間變化的曲線可以看出，在前80 min內電機溫度隨時間近似成線性上升，在80 min 之后溫度變化較為緩慢，特別 在 100～140 min 溫度儀上升0.6 ℃。可以認定連續(xù)工作2 h 后電機達到熱平衡狀態(tài)，即電機已達到在額定工況下運行溫度，即最高溫度為53.2 ℃，處于電機工作溫度允許的范圍內（最高溫度80 ℃），維修前電機溫度是85 ℃，維修效果明顯。

圖2 步進電機配置

圖3 步進電機參數(shù)