劉 龍，周文佳

（1 南京艾文森電子科技有限公司，211106，江蘇南京；2 南京城市職業(yè)學(xué)院，211200，江蘇南京）

無線電定位接收系統(tǒng)是一種利用在自由空間傳播的電磁波探測目標(biāo)并定位的電子設(shè)備，包括雷達(dá)、導(dǎo)航和全球定位系統(tǒng)等。主要任務(wù)是對目標(biāo)發(fā)射電磁波并接收其目標(biāo)回波信號，由此獲得目標(biāo)到定點(diǎn)位置的速度、距離、方位等定位參數(shù)信息反饋。

目標(biāo)回波信號一般采用模擬器進(jìn)行模擬，模擬器接收射頻基準(zhǔn)信號，通過測頻、變頻、基帶處理等形成反映目標(biāo)速度變化的回波信號。而目標(biāo)的角度變化則一般通過角位置模擬器實(shí)現(xiàn)[1]。角位置模擬器主要由控制電路、角位置運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、喇叭天線和控制計(jì)算機(jī)等組成，借用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制功能，設(shè)置好運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡，利用同步功能，在遠(yuǎn)程控制模式下發(fā)出同步信號，角位置模擬器按照設(shè)定的軌跡開始運(yùn)動(dòng)[1]，實(shí)時(shí)顯示并記錄目標(biāo)所在的位置、運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度，并把上述參數(shù)傳給產(chǎn)品的總控計(jì)算機(jī)。

目前，角位置模擬器主要有陣列式和機(jī)械式兩種。陣列式角位置模擬器主要采用天線射頻仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)角位置的模擬[2]，具有全天候、操作方便、嚴(yán)謹(jǐn)性強(qiáng)、保密性能好等優(yōu)勢，由于研發(fā)成本預(yù)算較高，一般多用于軍事設(shè)備或高端電子設(shè)備等。目前，機(jī)械式角位置模擬器在設(shè)計(jì)上較為精簡、制作成本不高，主要應(yīng)用于無線電定位系統(tǒng)測試工作。

本文介紹的系機(jī)械式角位置目標(biāo)模擬器，采用了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，研發(fā)成本較低，研制工期較短，可以滿足無線電接收系統(tǒng)定位反饋功能的測試需求。

1 角位置目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)架構(gòu)

1.1 角位置模擬器總體結(jié)構(gòu)

（1）角位置模擬器總體結(jié)構(gòu)。由方位圓弧伺服移動(dòng)（即水平移動(dòng)）部件和俯仰伺服移動(dòng)（即垂直移動(dòng)）部件兩部分組成。方位X 運(yùn)動(dòng)（水平移動(dòng)）部分和俯仰Y 運(yùn)動(dòng)（垂直移動(dòng)）部分可拆裝，每部分最大質(zhì)量為100 kg，方便安裝和搬運(yùn)。

（2）角位置模擬器目標(biāo)軌跡。以半徑約為6 m 的圓弧作為中心區(qū)域，在暗室的地面安裝由支撐柱支撐起的基座，在基座上安裝一根類似圓弧狀、精密度較高的導(dǎo)軌，利用慣性運(yùn)動(dòng)，使平移小車能夠在圓弧狀區(qū)域內(nèi)自行移動(dòng)，借用螺栓將導(dǎo)軌與底座連接。在基座內(nèi)部，靠近圓弧的側(cè)方位方向，安裝類圓弧狀的大齒輪，通過減速，伺服電機(jī)推動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使得電機(jī)和平移小車達(dá)到螺釘鎖死狀態(tài)，完成平移小車在圓弧上一次的自主移動(dòng)。在圓弧導(dǎo)軌內(nèi)的小車上，垂直立柱整體做圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)半徑約為5.8 m（天線），在垂直立柱上安裝天線支承座，同樣通過帶輪帶動(dòng)支撐座沿直線導(dǎo)軌上下做Y 方向的直線運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)范圍0.8～2.2 m。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)天線的角度可變，在Z 軸方向設(shè)計(jì)了手動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可進(jìn)行極化調(diào)整。

經(jīng)測試，為了保障整體結(jié)構(gòu)的剛度，在長期使用后結(jié)構(gòu)不發(fā)生由殘余應(yīng)力引起的變形，設(shè)計(jì)中在支撐座和基座均配置加強(qiáng)筋，保證角位置模擬器柱面精度長期穩(wěn)定有效。

（3）走線路徑流程。①所有電機(jī)、反饋電纜及客戶天線射頻電纜順支撐柱而上穿過拖鏈托盤上的孔進(jìn)入拖鏈，拖鏈豎起來用，可在拖鏈盤內(nèi)運(yùn)動(dòng)；②方位電機(jī)、反饋電纜從拖鏈出來沿左路線進(jìn)入方位電機(jī)；③俯仰電機(jī)、反饋電纜從拖鏈出來沿右路線進(jìn)入俯仰電機(jī)；④客戶天線射頻電纜從拖鏈出來沿左下路線自然垂落。

（4）機(jī)械零位與電器零位的設(shè)計(jì)。在方位及俯仰的中心處都裝有定制開關(guān)，當(dāng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行尋零時(shí)，沿各自導(dǎo)軌進(jìn)行運(yùn)動(dòng)直至激發(fā)定制開關(guān)，同時(shí)通過屏蔽電纜給控制卡+5 V 電壓信號，軟件即把當(dāng)前的位置記為零位。在方位和俯仰操控區(qū)裝有帶刻度的標(biāo)尺，方便校準(zhǔn)。

1.2 裝配工藝

角位置模擬器選用高性能交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，方位方向的移動(dòng)采用圓弧導(dǎo)軌加圓弧齒條的驅(qū)動(dòng)方式。俯仰運(yùn)動(dòng)采用鋼絲繩傳動(dòng)加精密直線導(dǎo)軌的方法來實(shí)現(xiàn)喇叭的上下移動(dòng)，整個(gè)俯仰部件安裝于在圓弧導(dǎo)軌上滑動(dòng)的小車。

（1）外觀設(shè)計(jì)。角位置目標(biāo)模擬器底座先按零件的基本外形尺寸鑄造，形成毛坯；然后把底座連接在一起，在大型加工機(jī)床上，進(jìn)行主基準(zhǔn)、副基準(zhǔn)及重要配合面等的精加工，一次裝夾成型，保證一定的同軸度及平面度。底座的主基準(zhǔn)底座內(nèi)圓面為導(dǎo)軌外圓配合面，副基準(zhǔn)底座外圓面為齒條內(nèi)圓配合面。

（2）安裝原理。底座、齒條、導(dǎo)軌的拼接處錯(cuò)開，以增強(qiáng)剛性及使底座更好地約束導(dǎo)軌跟齒條的裝配；導(dǎo)軌接頭的拼接和圓弧齒條的拼接，則通過相應(yīng)靠模來校正；底座的連接主要通過底座連接板來固定。

（3）裝配程序。首先，使用靠模校準(zhǔn)主基準(zhǔn)的配合，保證圓弧度；其次，使用連接板銜接底座，鎖緊螺母，給予正壓力通過摩擦力限制底座；再次，調(diào)整螺母，通過螺栓產(chǎn)生的頂起力調(diào)整底座上表面的高低，使兩個(gè)相鄰的底座上表面配合平整；最后，調(diào)整后塞入進(jìn)口精密墊片（間隙片）。上述調(diào)整操作完畢后，鎖死鎖緊螺母及定位螺母。

（4）組裝校核設(shè)計(jì)。首先，初定位角位置模擬器位置，主要是裝夾臺(tái)與角位置模擬器的配合（例如圓心的重合），然后進(jìn)行角位置模擬器裝配；其次，設(shè)備底座的水平可通過鎖緊連接板底部、調(diào)整螺母和精密墊片（在每個(gè)基座四個(gè)角）來進(jìn)行微調(diào)，使用雙向水平儀來校準(zhǔn)；最后，使用電子經(jīng)緯儀進(jìn)行圓心的標(biāo)定及修訂，微調(diào)裝夾臺(tái)的高度或者前后位置，直至圓心的定位誤差小于2 mm。

2 方位X 運(yùn)動(dòng)（水平移動(dòng)）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

方位運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)由支撐柱、基座、圓弧導(dǎo)軌、圓弧齒條、伺服電機(jī)、減速器、拖鏈盤、拖鏈、尋零開關(guān)、電氣限位保護(hù)裝置、機(jī)械限位保護(hù)裝置和立柱安裝支座等幾部分組成。圓弧導(dǎo)軌和圓弧齒條共同安裝于基座上[1]。導(dǎo)軌選用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼精加工后拼接而成，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砭哂辛己玫木C合性能；圓弧齒條選用無間隙齒輪齒條。

為使圓弧導(dǎo)軌與齒條的壽命最大化，基座采用鑄造件，增強(qiáng)剛度；同時(shí)，一次裝夾加工出圓弧導(dǎo)軌及齒條的安裝面及安裝基準(zhǔn)，以保證二者的同心度。在導(dǎo)軌拼接處，采用導(dǎo)軌拼接頭固定結(jié)構(gòu)來加強(qiáng)兩根導(dǎo)軌銜接的穩(wěn)定及平滑?；?、支撐柱和地面則通過墊片結(jié)合儀器來調(diào)整水平。

采用加茂滾輪齒條作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)如下。①零背隙：滾輪正反轉(zhuǎn)時(shí)都不產(chǎn)生齒背間隙；②高精度：進(jìn)給、定位兩種精度接近精密滾珠絲桿；③綠色環(huán)保：低噪音、低振動(dòng)、低灰塵；④優(yōu)化路徑：實(shí)現(xiàn)長距離和高速化，可進(jìn)行210 m/min 以上的高速行走。

3 俯仰Y 運(yùn)動(dòng)（垂直移動(dòng)）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

俯仰運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由安裝座、直線導(dǎo)軌、支承座、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)部件、惰輪、主動(dòng)輪和鋼絲繩等組成。支承座安裝在豎直安裝的直線導(dǎo)軌的滑塊上，兩者通過螺栓連接。直線導(dǎo)軌則通過厚10 mm 的鋁板固定到移動(dòng)小車上，相互增加剛性，以此來保證垂直方向的剛性。

4 Z 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Z 軸結(jié)構(gòu)由測試天線、天線安裝座、旋轉(zhuǎn)盤、固定座、鎖緊螺母及垂直移動(dòng)工作臺(tái)等組成。旋轉(zhuǎn)盤可繞軸手動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為0°～90°，在旋轉(zhuǎn)盤及固定座上刻有相應(yīng)的刻度線，可讀取旋轉(zhuǎn)角度；旋轉(zhuǎn)盤通過機(jī)械的軸孔配合可繞固定座旋轉(zhuǎn)，通過鎖緊螺母可鎖死旋轉(zhuǎn)盤[1]。

5 總體控制方案

5.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩方面。整個(gè)電氣控制系統(tǒng)硬件由總控計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（工控機(jī)）、運(yùn)動(dòng)控制卡及限位開關(guān)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元和伺服電機(jī)組成[3]。伺服電機(jī)與工控機(jī)通過運(yùn)動(dòng)控制卡建立聯(lián)系，伺服電機(jī)接收工控機(jī)的運(yùn)動(dòng)指令和控制信號，控制信號經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元功率放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

如圖1 所示，角位置模擬器工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過USB 數(shù)據(jù)線與運(yùn)動(dòng)控制卡通信，運(yùn)動(dòng)控制卡通過信號電纜將控制信號傳遞給兩軸驅(qū)動(dòng)器，再經(jīng)過電機(jī)和碼盤信號電纜驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并接收碼盤反饋信號。角位置模擬器可通過本地控制，也可由總控計(jì)算機(jī)通過RS232串口發(fā)送命令遠(yuǎn)程控制，同時(shí)運(yùn)動(dòng)控制卡可直接接收測試產(chǎn)品的TTL 電平的同步信號，實(shí)現(xiàn)同步控制。

圖1 角位置模擬器控制系統(tǒng)連線圖

5.2 控制軟件設(shè)計(jì)

角位置模擬器控制系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)搭建人機(jī)交互界面，操作者可以通過對計(jì)算機(jī)操控實(shí)現(xiàn)角位置模擬器的智能化操作，也可以通過串行通信接口由上位計(jì)算機(jī)對角位置模擬器控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。經(jīng)測試，計(jì)算機(jī)界面能實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)所在的位置、運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度，在方位和俯仰方向上可獨(dú)立或同時(shí)進(jìn)行單次或往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其位置和速度可通過計(jì)算機(jī)設(shè)置[1]，全面實(shí)現(xiàn)角位置模擬器的智能化運(yùn)作。軟件功能流程圖如圖2 所示。

圖2 軟件流程圖

軟件主要界面包括：

（1）手動(dòng)控制模式。用戶可根據(jù)界面上的按鈕對X、Y 軸進(jìn)行手動(dòng)操作，X 分為左移和右移，Y 分為上移和下移，同時(shí)界面上有尋零操作和實(shí)時(shí)位置顯示。

（2）單軸自動(dòng)控制模式?？筛鶕?jù)用戶設(shè)定參數(shù)，分別對兩軸進(jìn)行控制，運(yùn)動(dòng)模式主要有單次模式、往復(fù)模式、正弦模式三種。單次和往復(fù)運(yùn)動(dòng)模式下，可輸入兩軸角度、速度；正弦模式下可輸入X 軸幅度、頻率。上述模式下，當(dāng)設(shè)定參數(shù)超過范圍時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)取范圍上下限值，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示各軸的位置和速度。

（3）聯(lián)動(dòng)控制模式。可根據(jù)用戶設(shè)定參數(shù)，實(shí)現(xiàn)兩軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)。

（4）遠(yuǎn)程模式。在遠(yuǎn)程模式下，用戶可執(zhí)行尋零操作，打開通信端口，可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制，通過串口接收上位機(jī)命令，并將各軸位置、速度等參數(shù)傳給上位機(jī)。串口采用全雙工異步傳輸，推薦通信參數(shù)設(shè)置:波特率9 600 bps[4]，含校驗(yàn)位。

6 結(jié)語

通過運(yùn)維測試，已基本達(dá)到客戶需求。研制的角位置目標(biāo)模擬器成本較低，運(yùn)維測試效果比較理想，現(xiàn)已用于科研批量測試，目標(biāo)客戶回饋反映較好。