雷達(dá)天線翻轉(zhuǎn)架車方案設(shè)計(jì)及研究

胡欣源劉圣強(qiáng)

（1.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南鄭州 450011；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七一三研究所，河南鄭州 450000）

雷達(dá)天線翻轉(zhuǎn)架車方案設(shè)計(jì)及研究

胡欣源1劉圣強(qiáng)2

（1.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南鄭州 450011；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七一三研究所，河南鄭州 450000）

為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線對(duì)不同目標(biāo)的觀測(cè)，設(shè)計(jì)一套翻轉(zhuǎn)架車結(jié)構(gòu)，即采用電動(dòng)缸作為動(dòng)力來源的四桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線0°～90°的翻轉(zhuǎn)。方案一中雷達(dá)重心位置相對(duì)于鉸鏈偏心安裝，在翻轉(zhuǎn)過程中重心會(huì)由一側(cè)到另一側(cè)；方案二中重心位置在翻轉(zhuǎn)過程中始終位于同一側(cè)。通過對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到其數(shù)學(xué)模型和目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用MATLAB函數(shù)進(jìn)行鉸點(diǎn)的優(yōu)化，最終得到一組最優(yōu)鉸點(diǎn)，使電動(dòng)缸的長(zhǎng)度最短、推力最小，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)既減小了裝置尺寸，又降低了對(duì)電動(dòng)缸的配置要求。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；MATLAB分析；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線是收發(fā)無線電信號(hào)的重要設(shè)備，其可以將導(dǎo)行波和電磁波相互轉(zhuǎn)換。天線正常工作時(shí)需要朝著一個(gè)方位收發(fā)信號(hào)，在利用天線進(jìn)行信號(hào)傳輸和轉(zhuǎn)換的過程中，天線座架的作用就要能夠帶動(dòng)天線翻轉(zhuǎn)，并且將天線調(diào)整到一個(gè)合適的角度，因此對(duì)于這個(gè)調(diào)整的角度，不僅要調(diào)節(jié)范圍大，而且要調(diào)節(jié)角度誤差小，在達(dá)到特定位置之后，架臺(tái)必須要鎖定在該位置上，不可松動(dòng)或移位，以免影響天線收發(fā)信號(hào)的效果。在國(guó)內(nèi)，天線架臺(tái)對(duì)于角度的調(diào)整都有一定的局限，并且現(xiàn)在的大部分架臺(tái)都是固定在一個(gè)地點(diǎn)，不能夠靈活地移動(dòng)，因而不能夠在一些復(fù)雜條件下收發(fā)信號(hào)。本文針對(duì)翻轉(zhuǎn)架車的設(shè)計(jì)和分析進(jìn)行綜述［1，2］。

1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思想

方案一的結(jié)構(gòu)圖如圖1（a）所示，天線1固定在翻板上，翻板與立柱相鉸接。2為電動(dòng)缸，通過電控設(shè)備可以進(jìn)行伸長(zhǎng)和縮短，使翻板可以進(jìn)行豎直到水平的0°～90°旋轉(zhuǎn)，使得天線的方向得到調(diào)節(jié)。整個(gè)機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)，原動(dòng)件數(shù)為1，活動(dòng)桿件數(shù)為3，轉(zhuǎn)動(dòng)副為3，移動(dòng)副為1，所以機(jī)構(gòu)的自由度為F=3×3-2×（3+1）=1，自由度數(shù)等于原動(dòng)件數(shù)，此機(jī)構(gòu)具有確切的運(yùn)動(dòng)。同理，方案二的結(jié)構(gòu)圖如圖1（b）所示，在電動(dòng)缸的驅(qū)動(dòng)下，翻板能夠在豎直到水平面90°范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)為1，機(jī)構(gòu)具有確切的運(yùn)動(dòng)［3］。

圖1方案結(jié)構(gòu)圖

2 對(duì)兩種方案的優(yōu)化

2.1 對(duì)方案一進(jìn)行優(yōu)化求解

方案一的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，假設(shè)A點(diǎn)和D點(diǎn)在同一水平面上，另圖中|AD|=l1，|BC|=l2，|BE|=l3，|CD|=l4，則：

圖2 方案一結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.1.1 對(duì)方案一進(jìn)行受力分析。受力模型如圖3所示，取C點(diǎn)為分析點(diǎn)，以BC桿為分析對(duì)象，列平衡方程如下：

2.1.2 優(yōu)化模型

2.1.2.1優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)式（1）～（6），得出：

則以所受負(fù)載的絕對(duì)值最小為優(yōu)化目標(biāo)，即FAB的二次冪為優(yōu)化目標(biāo)［4］。

2.1.2.2設(shè)計(jì)變量。從圖2原理簡(jiǎn)圖中可知，以D點(diǎn)為固定點(diǎn)，若l1、l2、l3、l4和角度a確定，則鉸點(diǎn)A、B、C、E的位置則固定。在天線翻轉(zhuǎn)過程中，角a從0°到90°或者90°到0°變化，不能作為設(shè)計(jì)變量，以l1、l2、l3、l4為優(yōu)化變量。則其向量表達(dá)式為：x=［l1，l2，l3］T=［x1，x2，x3］T。

2.1.2.3優(yōu)化約束條件的確定

①邊界條件。|AD|=l1，0.5≤l1≤1.5；|BC|=l2，0.5≤l2≤1；|BE|=l3，0≤l3≤0.7；|CD|=l4，0.5≤l4≤1.5。以上單位均為m。

②約束條件。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及尋優(yōu)范圍的減小，天線的中心在BC桿上的投影點(diǎn)E應(yīng)處于BC之間，則要求：

軟件部分主要包括光纖連接信息采集、智能光纖托盤與單元控制器的485數(shù)據(jù)傳輸、485數(shù)據(jù)到藍(lán)牙數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換以及手機(jī)端APP設(shè)計(jì)等。本文重點(diǎn)對(duì)光纖連接信息采集進(jìn)行介紹。

當(dāng)天線翻轉(zhuǎn)到90°時(shí)，天線大口徑與地面應(yīng)有一定的安全距離，大口徑半徑為0.75m，翻轉(zhuǎn)到90°時(shí)天線不可以觸及到地面，則要求：

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與控制方案設(shè)計(jì)的要求，本方案選用電缸為驅(qū)動(dòng)，則要求電缸最長(zhǎng)小于電缸最短的2倍，即：max（|AB|）-2×min（|AB|）≤0。

根據(jù)分析可知，在天線翻轉(zhuǎn)為90°時(shí)缸伸長(zhǎng)最大，在天線翻轉(zhuǎn)為0°時(shí)缸伸長(zhǎng)最小，則：

2.1.3 設(shè)計(jì)和仿真。本次優(yōu)化的變量是l1、l2、l3、l4，由于a的變化會(huì)影響優(yōu)化變量的值。通過MATLAB中的一個(gè)循環(huán)語句來篩選出優(yōu)化變量在不同取值時(shí)力最大的一個(gè)a值，再在此時(shí)確定的a角度的情況下，對(duì)4個(gè)優(yōu)化變量用求解非線性多元函數(shù)最小值的matlab函數(shù)fmincon語句進(jìn)行優(yōu)化。通過優(yōu)化可知，在a為0°時(shí)F最大，結(jié)果如表1所示［5］。

表1 方案一優(yōu)化分析結(jié)果

由圖4可知，力在角度a=0°時(shí)為最大643.5N，隨著a的增大逐漸縮小為0，然后方向改變繼續(xù)增大，最后在a= 90°時(shí)變?yōu)?544.8N。

圖4 方案一力隨角度變化

由圖5可知，在a=0度時(shí)電動(dòng)缸的長(zhǎng)度最短為1 250mm，隨著a的角度逐漸增大，電動(dòng)缸的長(zhǎng)度也逐漸增加，最后在a=90°時(shí)，電動(dòng)缸最長(zhǎng)為2 500mm，電動(dòng)缸的行程為1 250mm。

圖5 方案一缸長(zhǎng)度隨角度變化

2.2 對(duì)方案二進(jìn)行優(yōu)化求解

方案二的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示，假設(shè)A點(diǎn)和D點(diǎn)在同一水平面上，圖中|AD|=l1；|BC|=l2；|CD|=l3，CB與天線底邊的夾角為γ。考慮到A點(diǎn)可能在D點(diǎn)右側(cè)也可能在D點(diǎn)的左側(cè)，所以設(shè)A點(diǎn)在D點(diǎn)右側(cè)時(shí)為正值，在D點(diǎn)左側(cè)時(shí)為負(fù)值，則：

圖6 方案二結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖7 方案二受力分析

2.2.2 優(yōu)化模型

2.2.2.1優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)式（7）～（14）得出：

則以所受負(fù)載的絕對(duì)值最小為優(yōu)化目標(biāo)，即FAB的二次冪為優(yōu)化目標(biāo)。

2.2.2.2設(shè)計(jì)變量。從圖6原理簡(jiǎn)圖中可知，在天線翻轉(zhuǎn)過程中，角a從0°到90°或者90°到0°變化，不能作為設(shè)計(jì)變量，以l1、l2、l3為優(yōu)化變量，則其向量表達(dá)式為：x=［l1，l2，l3］T=［x1，x2，x3］T。

2.2.2.3優(yōu)化約束條件的確定

①邊界條件。|AD|=l1，-0.75≤l1≤0.3；|BC|=l2，0.25≤l2≤0.8；|CD|=l3，0.75≤l3≤1.5。單位均為m。

②約束條件。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本方案選用電缸驅(qū)動(dòng)，則電缸最長(zhǎng)小于電缸最短的2倍，即：max（|AB|）-2×min（要（|AB|）≤0。

根據(jù)分析可知，在天線翻轉(zhuǎn)為90分時(shí)缸伸長(zhǎng)最大，在天線翻轉(zhuǎn)為0°時(shí)缸伸長(zhǎng)最小，則：

2.2.3 設(shè)計(jì)仿真。通過優(yōu)化分析得出結(jié)果如表2所示［7］。

表2 方案二優(yōu)化分析結(jié)果

由圖8力隨角度變化知，力在角度a=0°時(shí)為最大294N，隨著a的增大逐漸縮小最后在翻轉(zhuǎn)角度a增加至90°時(shí)電動(dòng)缸的負(fù)載力變?yōu)?。

圖8 方案二力隨角度變化

由圖9可知，在a=0°時(shí)電動(dòng)缸的長(zhǎng)度最短為908mm，隨著a的角度逐漸增大，電動(dòng)缸的長(zhǎng)度也逐漸增加，最后在a=90°時(shí)，電動(dòng)缸最長(zhǎng)為1 662mm，電動(dòng)缸的行程為754mm。

3 方案的對(duì)比選擇

3.1 儀器翻轉(zhuǎn)架在翻轉(zhuǎn)過程中電動(dòng)缸的負(fù)載力

在方案一天線翻轉(zhuǎn)過程中，電動(dòng)缸承受拉壓兩種狀態(tài)的力。當(dāng)a=0°時(shí)，電動(dòng)缸承受一個(gè)最大的壓力為643.5N；當(dāng)a=90°時(shí)，電動(dòng)缸承受一個(gè)最大拉力為544.8N。方案二中電動(dòng)缸在天線翻轉(zhuǎn)的過程中只是受到一個(gè)壓力，天線對(duì)電動(dòng)缸的壓力在翻轉(zhuǎn)角度為a=0°是為最大值294N。在天線翻轉(zhuǎn)過程電動(dòng)缸負(fù)載力這一因素中，方案二更為合理。

圖9 方案二缸長(zhǎng)度隨角度變化

3.2 電動(dòng)缸底部位置與一級(jí)支撐臂之間的距離

方案一的電動(dòng)缸底端與一級(jí)支撐臂的距離為1 498mm。方案二中，電動(dòng)缸和一級(jí)支撐臂的距離為650mm。從設(shè)計(jì)穩(wěn)定性上，選擇方案二。

4 結(jié)論

儀器翻轉(zhuǎn)架車是天線及雷達(dá)裝置的重要組成部分。本次設(shè)計(jì)首先通過提出2種不同的設(shè)計(jì)方案，然后通過MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化分析，進(jìn)行結(jié)果處理，通過對(duì)比確定其中的一種更為合理的設(shè)計(jì)方案。該方案設(shè)計(jì)主要分為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果符合方案要求。本文的設(shè)計(jì)思路為具有相似結(jié)構(gòu)的儀器翻轉(zhuǎn)架車的設(shè)計(jì)和分析提供了參考方法和理論依據(jù)。

［1］文航凌.某新型天線翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化［D］.成都：電子科技大學(xué)，2013.

［2］劉曉.垂直式垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析［D］.大連：大連交通大學(xué)，2013.

［3］王虎，嚴(yán)諾，王磊.一種雷達(dá)天線翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2015（1）：45-47.

［4］張?jiān)鎏烤笆?某雷達(dá)天線舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2009（4）：312-315.

［5］張瑞玨，趙克俊，鄭建超，等.某機(jī)動(dòng)式雷達(dá)天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（11）：51.

［6］戎建豐，戎宏飛.天線支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析［J］.無線電工程，2012（8）：54-58.

［7］楊世文，許小健.MATLAB優(yōu)化工具箱在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2008（5）：1347-1349.

Scheme Design and Research of the Radar Antenna Turning Frame Vehicle

Hu Xinyuan1Liu Shengqiang2
（1.Mechanics Institute，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450011；2.713 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation，Zhengzhou Henan 450000）

In order to observe the different targets of radar antenna,this paper designed a set of turnover frame vehi?cle structure,that is to use the electric cylinder as the power source of the four bar mechanism to achieve the the ra?dar antenna from 0 degrees to 90 degrees flip.Scheme one,the radar center of gravity position relative to the hinge ec?centric installation,the center of gravity would be from one side to the other side during the turning process;Scheme two,the center of gravity position was always on the same side during the turning process.The structure was simpli?fied,the mathematical model and objective function were obtained,and the optimization of the hinge point was ob?tained by using the MATLAB function.The length of the electric cylinder was the shortest and the thrust was mini?mum.By optimizing the design,the size of the device was reduced,and the requirement of the configuration of the electric cylinder was reduced.

tilting mechanism；slewing mechanism；MATLAB analysis；mechanism design

G356.6

A

1003-5168（2016）12-0100-04

2016-11-08

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（132102210096）。

胡欣源（1989-），男，碩士，研究方向：機(jī)械工程。