應(yīng)用于真實(shí)性檢驗(yàn)試驗(yàn)的二維掃描機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

李寧杰 劉 瑞 李 丹 趙志杰 龍 澄

應(yīng)用于真實(shí)性檢驗(yàn)試驗(yàn)的二維掃描機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

李寧杰 劉 瑞 李 丹 趙志杰 龍 澄

（上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109）

為了完成外場(chǎng)真實(shí)性檢驗(yàn)試驗(yàn)天線系統(tǒng)的掃描任務(wù)，設(shè)計(jì)了二維掃描機(jī)構(gòu)。首先確定了機(jī)構(gòu)二維運(yùn)動(dòng)方式，并設(shè)計(jì)了負(fù)載計(jì)算和控制系統(tǒng)。結(jié)果表明，二維掃描機(jī)構(gòu)可以完成俯仰運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的低速平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)和任意位置的精確定位，同時(shí)也能在方位范圍內(nèi)進(jìn)行低速平穩(wěn)回轉(zhuǎn)和任意位置的精確定位，并順利完成了外場(chǎng)真實(shí)性檢驗(yàn)試驗(yàn)，為類似二維掃描機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

掃描機(jī)構(gòu)；負(fù)載計(jì)算；電機(jī)選型；控制系統(tǒng)

1 引言

二維掃描機(jī)構(gòu)及控制器系統(tǒng)為機(jī)電一體化產(chǎn)品，由俯仰驅(qū)動(dòng)軸、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸、支撐機(jī)架和控制系統(tǒng)等組成[1，2]，其中，俯仰驅(qū)動(dòng)軸由伺服電機(jī)[3]、伺服驅(qū)動(dòng)器[4]、精密行星齒輪減速器[5]和伺服電動(dòng)缸[6]等組成；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器和精密行星齒輪減速器等組成。為了完成外場(chǎng)真實(shí)性檢驗(yàn)試驗(yàn)天線系統(tǒng)的掃描任務(wù)，二維掃描機(jī)構(gòu)需具備以下功能：根據(jù)上位機(jī)指令，機(jī)構(gòu)可進(jìn)行俯仰和方位的連續(xù)掃描，掃描角度范圍可設(shè)置；根據(jù)上位機(jī)指令，俯仰方向和方位方向可在指定的角度定位、鎖定；機(jī)構(gòu)按照上位機(jī)的讀取指令實(shí)時(shí)反饋該掃描周期內(nèi)的俯仰和方位掃描角度值；機(jī)構(gòu)的定位和鎖定時(shí)間可設(shè)置，如5s、10s和30s等。

2 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)負(fù)載和性能指標(biāo)要求，確定俯仰運(yùn)動(dòng)控制軸采用電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)、方位運(yùn)動(dòng)控制軸采用伺服電機(jī)加精密行星齒輪減速器驅(qū)動(dòng)方式，同時(shí)根據(jù)負(fù)載的重心和天線承受的風(fēng)力，計(jì)算電動(dòng)缸和回轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)負(fù)載，作為電動(dòng)缸和回轉(zhuǎn)軸的選型依據(jù)。本方案要求較高的定位精度、運(yùn)行平穩(wěn)性和非常高的可靠性，所以俯仰軸的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸和方位軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用松下的交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，三維設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

圖1 二維掃描機(jī)構(gòu)三維模型

2.1 負(fù)載計(jì)算

2.1.1 俯仰軸的負(fù)載計(jì)算

根據(jù)天線的外形結(jié)構(gòu)、重心位置和天線面承受的風(fēng)力，可計(jì)算出電動(dòng)缸所需輸出力，二維掃描機(jī)構(gòu)俯仰方向受力分布如圖2所示。

圖2 二維掃描機(jī)構(gòu)俯仰方向受力分布圖

由受力分布圖可得，電動(dòng)缸的所需輸出力與各個(gè)負(fù)載力的關(guān)系為[7]：

風(fēng)壓產(chǎn)生的力[8]：

2.1.2 旋轉(zhuǎn)軸的負(fù)載計(jì)算

圖3 二維掃描機(jī)方位方向受力分布圖

根據(jù)天線的外形結(jié)構(gòu)、重心位置和天線面承受的風(fēng)力，假設(shè)風(fēng)力分別作用在兩個(gè)天線面的一半的中心，兩個(gè)天線承受的風(fēng)力形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)扭矩，受力分布圖如圖3所示。即：

天線2的迎風(fēng)面積為2=π1.22/4=1.13m2，可得天線2承受風(fēng)力承受的力：

風(fēng)2=2=0.244kN （7）

根據(jù)以上分析計(jì)算，得出電動(dòng)缸的所需最小輸出力要求為25.6kN，方位軸的負(fù)載扭矩最小為175.6Nm。

2.2 俯仰軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型計(jì)算

根據(jù)電動(dòng)缸的指標(biāo)要求，綜合考慮了電動(dòng)缸的使用壽命、運(yùn)行精度和運(yùn)行噪音等因素，初步選定32mm×10mm的滾珠絲桿作為電動(dòng)缸的傳動(dòng)元件。

俯仰=60VR1/（9）

俯仰=60VR1/3000r/min （10）

根據(jù)以上計(jì)算，分析可得伺服電機(jī)主要參數(shù)如下：

輸出扭矩≥1.02Nm

最終選定松下的交流伺服電機(jī)，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 俯仰向交流伺服電機(jī)主要參數(shù)

當(dāng)選定驅(qū)動(dòng)電機(jī)后，可確定電動(dòng)缸的額定速度為：

V=俯仰/601=10mm/s （13）

電動(dòng)缸的最低穩(wěn)定速度為：

min=min/601=0.05mm/s （14）

轉(zhuǎn)換成俯仰軸的運(yùn)動(dòng)角速度為：

俯仰=80V/180=4.4°/s （15）

俯仰=80V/180=0.022°/s （16）

由式（11）可得電動(dòng)缸的輸出力為：

2.3 方位軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型計(jì)算

根據(jù)方位軸的指標(biāo)要求，綜合運(yùn)行精度和運(yùn)行噪音等因素，初步選定伺服電機(jī)+行星齒輪減速器作為方位軸的傳動(dòng)方式。

根據(jù)方位軸的速度要求≥40°/s，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為：

min方位=602min/360=667r/min （19）

表2 方位向交流伺服電機(jī)主要參數(shù)

3 二維掃描機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)

二維掃描機(jī)構(gòu)采用獨(dú)立的PLC控制系統(tǒng)[10]，控制系統(tǒng)配置觸摸屏，控制指令的設(shè)定、修改、操作和顯示均在觸摸屏上進(jìn)行。如圖4所示，控制系統(tǒng)采用AC220V的交流供電，控制器、觸摸屏和電氣元件均集成在控制箱內(nèi)，通過航插和電纜與俯仰軸和方位軸的驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)連接。控制系統(tǒng)配置有手動(dòng)操作和自動(dòng)操作兩種模式，可分別對(duì)俯仰軸和方位軸進(jìn)行手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)操作和按照事先設(shè)定好的步距、角度和停止時(shí)間，自動(dòng)完成整個(gè)運(yùn)行過程。各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)均可以在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，控制系統(tǒng)具備多種安全保護(hù)功能，對(duì)于過載、過熱、超速和超行程等均有報(bào)警和保護(hù)措施，確保二維掃描機(jī)構(gòu)的使用安全。

圖4 控制系統(tǒng)原理圖

4 二維掃描機(jī)構(gòu)調(diào)校與試驗(yàn)

由于外場(chǎng)真實(shí)性檢驗(yàn)試驗(yàn)要求精度較高，試驗(yàn)樣機(jī)組裝完成后，需對(duì)二維掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)行校零和自身精度測(cè)量。天線安裝在天線安裝架上，天線安裝架與二維掃描機(jī)構(gòu)螺接，為更好地測(cè)量二維掃描機(jī)構(gòu)的精度，通過測(cè)量天線安裝架的位置精度來表示二維掃描機(jī)構(gòu)的精度。利用激光跟蹤儀校零二維掃描機(jī)構(gòu)，找到了二維掃描機(jī)構(gòu)的方位零點(diǎn)和俯仰零點(diǎn)，同時(shí)測(cè)量了二維掃描機(jī)構(gòu)的重復(fù)精度，結(jié)果如表3所示。通過表3可以看出，二維掃描機(jī)構(gòu)的方位和俯仰零點(diǎn)誤差均小于0.1o，定位精度誤差小于0.1o，重復(fù)精度小于0.1o，滿足外場(chǎng)真實(shí)性檢驗(yàn)試驗(yàn)使用要求。

表3 二維掃描機(jī)構(gòu)精度測(cè)量值 (o)

2020年10月，試驗(yàn)樣機(jī)在湖邊進(jìn)行了外場(chǎng)試驗(yàn)，如圖5所示，通過控制系統(tǒng)控制，二維掃描機(jī)構(gòu)帶動(dòng)天線系統(tǒng)完成了連續(xù)掃描、定點(diǎn)掃描、俯仰掃描等任務(wù)，得到了有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成了真實(shí)性檢驗(yàn)任務(wù)。

圖5 二維掃描機(jī)構(gòu)測(cè)量及實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)束語

針對(duì)外場(chǎng)真實(shí)性檢驗(yàn)試驗(yàn)的天線掃描任務(wù)，完成了二維掃描機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過俯仰方向、方位方向的負(fù)載計(jì)算完成了電機(jī)的選型，同時(shí)設(shè)計(jì)完成了二維掃描機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)根據(jù)上位機(jī)指令可進(jìn)行俯仰和方位的連續(xù)掃描，可在指定的角度定位、鎖定；并實(shí)時(shí)反饋該掃描周期內(nèi)的俯仰和方位掃描角度值，順利完成了外場(chǎng)真實(shí)性檢驗(yàn)試驗(yàn)。未來，隨著外場(chǎng)試驗(yàn)的增多和系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，此二維掃描機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可以應(yīng)用于更多的掃描機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 曹德華. 一種快速二維掃描機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究[J].紅外技術(shù)，2018，40(3)：241～245，268

2 李寧杰，劉瑞，邙曉斌，等. 土壤水探測(cè)天線掃描機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及精度測(cè)量方法[J].航天制造技術(shù)，2019(6)：19～23

3 Yamada H. AnalysisofaReluctanceServoMotor[J]. ThetransactionsoftheInstituteofElectricalEngineersofJapan.B,1985,105(8)：25～30

4 瑤瑤，仲崇權(quán).伺服驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速控制技術(shù)[J].電氣傳動(dòng)，2014，44(3)：21～26

5 錢博.兩級(jí)行星減速器動(dòng)力學(xué)特性研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2014

6 孫鳳銘.電動(dòng)缸伺服測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京：南京理工大學(xué)，2017

7 金江，袁繼峰，葛文璇，等.理論力學(xué)[M]. 南京：東南大學(xué)出版社：2019

8 Kopp GA, Surry D, Chen K. Windloadsonasolararray[J]. WindandStructures,2002,5(5)：56～62

9 范國偉，韓玉停，史彥.同步電機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社：2014

10 彭珍瑞，周志文. 電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社：2017

Design of Two-dimensional Scanning Mechanism for Authenticity Verification Experiments

Li Ningjie Liu Rui Li Dan Zhao Zhijie Long Deng

(Shanghai Institute of Aerospace Electronic Communication Equipment, Shanghai 201109)

In order to complete the scanning task of the field authenticity test antenna system, a two-dimensional scanning mechanism is designed. Firstly, the two-dimensional motion mode of the mechanism is determined, and the load calculation and control system design are carried out. The results show that the two-dimensional scanning mechanism can achieve low-speed and smooth motion in the range of pitch motion and accurate positioning at any position. At the same time, it can rotate smoothly at low speed and locate accurately at any position in the azimuth range. And successfully completed the field authenticity test. It provides a reference for the design of similar two-dimensional scanning mechanism.

scanning mechanism；load calculation；motor selection；control system

S152.7

A

國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目（D010101）。

李寧杰（1989），碩士，機(jī)械工程專業(yè)；研究方向：載荷總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2021-03-18