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現(xiàn)[1]。角位置模擬器主要由控制電路、角位置運動機(jī)構(gòu)、喇叭天線和控制計算機(jī)等組成,借用計算機(jī)遠(yuǎn)程控制功能,設(shè)置好運動目標(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)定的軌跡開始運動[1],實時顯示并記錄目標(biāo)所在的位置、運動方向和運動速度,并把上述參數(shù)傳給產(chǎn)品的總控計算機(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)角位置模擬器總體結(jié)構(gòu)。由方位圓弧伺服移動(即水平移動)部件和俯仰伺服移動(即垂直移動)部件兩部分組成。方位X 運動(水平移動)部分和俯仰Y 運動(垂直移動)部分可拆裝,每部分最大質(zhì)量為100 kg,方便安裝和搬運。
(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,利用慣性運動,使平移小車能夠在圓弧狀區(qū)域內(nèi)自行移動,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)推動滾輪轉(zhuǎn)動,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。在圓弧導(dǎo)軌內(nèi)的小車上,垂直立柱整體做圓周運動,運動半徑約為5.8 m(天線),在垂直立柱上安裝天線支承座,同樣通過帶輪帶動支撐座沿直線導(dǎo)軌上下做Y 方向的直線運動,移動范圍0.8~2.2 m。同時為了實現(xiàn)天線的角度可變,在Z 軸方向設(shè)計了手動旋轉(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)運動;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。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,沿各自導(dǎo)軌進(jìn)行運動直至激發(fā)定制開關(guān),同時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)。
角位置模擬器選用高性能交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動,方位方向的移動采用圓弧導(dǎo)軌加圓弧齒條的驅(qū)動方式。俯仰運動采用鋼絲繩傳動加精密直線導(dǎo)軌的方法來實現(xiàn)喇叭的上下移動,整個俯仰部件安裝于在圓弧導(dǎo)軌上滑動的小車。
(1)外觀設(shè)計。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。首先,初定位角位置模擬器位置,主要是裝夾臺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(在每個基座四個角)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)裝夾臺的高度或者前后位置,直至圓心的定位誤差小于2 mm。
方位運動結(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,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。基座、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機(jī)構(gòu),優(yōu)點如下。①零背隙:滾輪正反轉(zhuǎn)時都不產(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、低灰塵;④優(yōu)化路徑:實現(xiàn)長距離和高速化,可進(jìn)行210 m/min 以上的高速行走。
俯仰運動結(jié)構(gòu)主要由安裝座、直線導(dǎo)軌、支承座、電機(jī)及其驅(qū)動部件、惰輪、主動輪和鋼絲繩等組成。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 的鋁板固定到移動小車上,相互增加剛性,以此來保證垂直方向的剛性。
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工作臺等組成。旋轉(zhuǎn)盤可繞軸手動旋轉(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]。
電氣控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩方面。整個電氣控制系統(tǒng)硬件由總控計算機(jī)、工業(yè)控制計算機(jī)(工控機(jī))、運動控制卡及限位開關(guān)、電機(jī)驅(qū)動單元和伺服電機(jī)組成[3]。伺服電機(jī)與工控機(jī)通過運動控制卡建立聯(lián)系,伺服電機(jī)接收工控機(jī)的運動指令和控制信號,控制信號經(jīng)電機(jī)驅(qū)動單元功率放大后驅(qū)動電機(jī)運動。
如圖1 所示,角位置模擬器工業(yè)控制計算機(jī)通過USB 數(shù)據(jù)線與運動控制卡通信,運動控制卡通過信號電纜將控制信號傳遞給兩軸驅(qū)動器,再經(jīng)過電機(jī)和碼盤信號電纜驅(qū)動電機(jī),并接收碼盤反饋信號。角位置模擬器可通過本地控制,也可由總控計算機(jī)通過RS232串口發(fā)送命令遠(yuǎn)程控制,同時運動控制卡可直接接收測試產(chǎn)品的TTL 電平的同步信號,實現(xiàn)同步控制。
圖1 角位置模擬器控制系統(tǒng)連線圖
角位置模擬器控制系統(tǒng)通過計算機(jī)搭建人機(jī)交互界面,操作者可以通過對計算機(jī)操控實現(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算機(jī)對角位置模擬器控制計算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。經(jīng)測試,計算機(jī)界面能實時顯示目標(biāo)所在的位置、運動方向和運動速度,在方位和俯仰方向上可獨立或同時進(jìn)行單次或往復(fù)運動,其位置和速度可通過計算機(jī)設(shè)置[1],全面實現(xiàn)角位置模擬器的智能化運作。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)行手動操作,X 分為左移和右移,Y 分為上移和下移,同時界面上有尋零操作和實時位置顯示。
(2)單軸自動控制模式??筛鶕?jù)用戶設(shè)定參數(shù),分別對兩軸進(jìn)行控制,運動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)運動模式下,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,軟件會自動取范圍上下限值,同時實時顯示各軸的位置和速度。
(3)聯(lián)動控制模式??筛鶕?jù)用戶設(shè)定參數(shù),實現(xiàn)兩軸同時運動。
(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],含校驗位。
通過運維測試,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。