高低角俯仰限制電路的設計
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黃河科技學院畢業(yè)設計(文獻綜述) 第 10 頁 高低角俯仰限制電路摘要:雷達俯仰控制是指雷達根據(jù)工作模式、量程、載機高度和目標距離,自動設置俯仰角度或由操作員設置俯仰角度。機載雷達天線俯仰控制通常只采用手動方式,而機載雷達的天線俯仰控制有自動、手動和高度帶設置三種方式,自動控制是指雷達系統(tǒng)根據(jù)操作員選定的工作模式、量程,自動設置天線俯仰角;手動控制是指雷達操作員可以根據(jù)實際探測需求,人工設置天線的俯仰角;高度帶設置是指根據(jù)載機高度和目標距離,系統(tǒng)自動設置天線俯仰角。自動控制天線俯仰運動,就需要高低角俯仰限制電路來控制。關鍵詞:雷達天線,俯仰控制,限制電路 對于雷達天線的俯仰機構的設計,我們可以借鑒前人的設計,通過搜索資料,可以發(fā)現(xiàn)平面連桿機構對其有效,下面簡要分析一下平面連桿機構在雷達俯仰控制中的應用。 現(xiàn)代車載式高機動雷達天線車具有工作及運輸2種狀態(tài),即在工作時將天線舉升至一定高度,并將天線陣面翻轉至一定的俯仰角度,可以減小地面及車上設備對天線波束的影響;工作結束后將天線恢復到水平狀態(tài)或其它特定角度,整車外形尺寸滿足公路、鐵路運輸時不超高、不超寬的要求。為滿足高機動雷達的機動性高、架設撤收迅捷的特性要求,需要一種能夠將天線在2種狀態(tài)間迅速轉換的狀態(tài)轉換機構技術。目前常用的狀態(tài)轉換機構技術主要有以下2種1) “舉升轉臺 + 俯仰機構”式設計。如圖1(a)所示,通常采用機電液混合伺服傳動技術,轉臺與天線被同時舉高;2) “俯仰機構 + 推舉天線”式設計。如圖1(b)所示,通常采用全機電伺服傳動技術,天線單獨運動,舉升機構為滑軌結構。 前者舉升高度較高,但機構復雜,維護要求高;后者機構設計相對簡單,但舉升高度有限,因滑軌結構的密封性不足,環(huán)境適應性較差,同時兩者都存在天線偏心大的缺點。某型雷達系統(tǒng)要求在工作狀態(tài)時天線要滿足以下條件:1) 能夠舉升至一定高度;2) 有一定的預仰角;3) 轉動時天線偏心量盡可能??;4) 結構緊湊、控制方便、維護簡單。論證表明,傳統(tǒng)的轉換機構已無法滿足要求,需要研制一種新的機構形式。文中提出了一種基于平面機構原理的傳動機構方案,可滿足上述要求。1新型機構的原理與結構方案1.1機構工作原理圖 2 為新型機構在運輸狀態(tài)下的運動簡圖。機構中,活動構件數(shù) n = 6,低副 L =8,高副 H=0,機構自由度為 P =3n2LH =2機構自由度數(shù)與主動件數(shù)相等,符合機構運動原理。 1.2 新型機構結構方案 從提高系統(tǒng)的實用性與可靠性考慮,新型機構采用全機電伺服傳動技術方案。在具體的工程設計中,圖 2 中 6、7為傳統(tǒng)的絲杠傳動機構,4,5為單級電動缸(作為俯仰機構),2為門架,機架1為轉臺的轉盤。上述部分在轉臺的驅動下做方位轉動,如圖 3 所示。 舉升機構與俯仰機構各為2套,分別同步運動,既可降低對天線骨架的剛性要求,又可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。1.3 機構工作過程設計 天線由運輸狀態(tài)轉換為工作狀態(tài)有以下2種運動方法可選: 1) 分步運動法。單級電動缸首先伸出到位,完成天線的俯仰運動,然后在絲杠傳動機構的驅動下,門架轉動到位,完成天線的舉升運動,分2步完成天線狀態(tài)的轉換。2) 同步運動法。電動缸與絲杠傳動機構同時啟動,然后同時運動到位,一步即可完成狀態(tài)轉換。逆向工作過程即可將天線由工作狀態(tài)轉換為運輸狀態(tài)。 方法 1) 控制簡單,但轉換過程中偏心現(xiàn)象較為明顯; 方法 2) 重心控制較好,但由于同時運動的構件較多,機構同步性要求較高,伺服控制難度較大。考慮到機構的可靠性與控制的簡便性,最終確定采用分步運動控制方法,并將中間狀態(tài)作為天線維修狀態(tài)。天線工作狀態(tài)如圖 4 所示。 2 機構載荷分析 依據(jù)分步運動方案,利用“多體動力學仿真分析軟件 ADAMS”分析運動過程中俯仰機構與舉升機構的載荷情況。 仿真工況分析:在實際工作中,在天線的重量分布不均勻以及機構運動同步性的差異等因素的影響下,2套俯仰、舉升機構在受力上會有所不同。但在分析時按受力相同、同步運動的理想工況考慮,分析結果如圖5 所示。 圖中紅色實線為俯仰機構單套載荷變化曲線,藍色虛線為舉升機構單套載荷變化曲線。從圖5中可以看出單套舉升機構最大載荷為 Fmax1=18 kN 單套俯仰機構最大載荷為 Fmax2=31 kN3 舉升機構設計 舉升機構采用普通的絲杠傳動機構形式。絲杠傳動機構是將電機的旋轉運動通過螺旋傳動副(滑動或滾動螺旋副)的機械運動轉換為絲杠的直線運動,并利用伺服電機的閉環(huán)控制特性,實現(xiàn)對推力、速度和位置的精密控制。圖6為普通絲杠舉升機構結構示意圖。絲杠暴露在外,可為絲杠加裝防護罩,以增強絲杠的環(huán)境適應性。 31 設計計算 考慮到機構的自鎖要求,舉升機構使用梯形絲杠副結構形式,根據(jù)絲杠的剛強度要求,初選梯形絲杠參數(shù)為 公稱直徑 d =60 mm 導程 S =9 mm根據(jù)上節(jié)分析結果,舉升機構最大載荷為 18 kN,絲杠副的驅動力矩為 絲杠中徑: d2=55.5 mm 導程角: =2.96 當量摩擦角:v=5.91 效率:安全系數(shù)按 1 5 倍考慮,則單套舉升機構的驅動力矩設計參考值約為 130 Nm舉升機構總行程約為 430 mm,運動時間不大于1 min,則梯形螺母的最低轉速為 根據(jù)以上計算結果,驅動電機初選 1.5 kW 交流伺服電機,其額定力矩為 4.77 Nm,額定轉速為3 000 r / min。由電機額定轉速及螺母最大轉速可以得出傳動鏈總速比最大值為,減速機速比選為,則末級齒輪速副比最大值為,初步確定末級齒輪副速比為 im= 1。32 設計校核從輸出力矩角度進行校核,按電機額定輸出計算,末級( 螺母) 輸出力矩為從輸出轉速( 即工作時間) 角度進行校核,按電機額定輸出計算,末級( 螺母) 輸出轉速為 故上述設計滿足驅動力矩及工作時間要求。4俯仰機構設計 俯仰機構采用單級伺服電動缸機構。伺服電動缸在傳統(tǒng)的絲杠傳動機構的基礎上改而來,其傳動原理與傳統(tǒng)絲杠傳動機構相同。二者的區(qū)別在于電動缸是將絲杠的旋轉運動轉換為螺母的直線運動。與普通絲杠傳動機構相比,電動缸有效行程、效率都低于前者,重量也不占優(yōu)勢。但其防護性能更佳,環(huán)境適應性較強,維護簡單。電動缸結構如圖 7 所示。 4 1設計計算出于與舉升機構相同的考慮,俯仰機構使用梯形絲杠副結構,初選與舉升機構同規(guī)格的梯形絲杠,其參數(shù)為 公稱直徑: d =60 mm 導程: p =9 mm根據(jù)第 3 節(jié)的分析,俯仰機構載荷最大值為31kN,則絲杠的驅動力矩 T= 1496 Nm(計算過程與3.1節(jié)相同)。 安全系數(shù)按1.5倍考慮,則單套俯仰機構的設計驅動力矩為2244 Nm 。俯仰機構總行程約為1000 mm ,運動時間不大于2 min,則梯形絲杠的最低轉速: 根據(jù)以上計算結果,驅動電機初選2.2 kW 交流伺服電機,額定輸出扭矩7.0 N m,額定轉速為3000r/min。由電機額定轉速及絲杠最低轉速可以得出傳動鏈總速比最大為,減速機速比選為,則末級齒輪副速比最大值為,初步確定末級齒輪副速比im= 1。42設計校核從輸出力矩角度進行校核,末級輸出力矩為 ;從輸出轉速角度進行校核,末級輸出轉速為 ,故上述設計滿足驅動力矩及工作時間要求。5機構動態(tài)穩(wěn)定性設計俯仰舉升機構屬于平面四連桿機構,存在較多的裝配間隙,機構的動態(tài)穩(wěn)定性不足。可采取如下措施提高機構的動態(tài)穩(wěn)定性:1) 門架與轉盤間設計機械限位。門架舉升到位后,舉升機構對門架施加預緊力,將門架、舉升機構及轉盤在預緊力的作用下連接形成剛性支撐結構。2) 對俯仰機構部分設計輔助撐桿,提高俯仰機構連接的動態(tài)穩(wěn)定性。參考文獻1張潤奎,戚仁欣,張樹雄等.雷達結構與工藝M.電子工業(yè)出版社,2004. 2鄭文緯,吳克堅.機械原理M.高等教育出版社,2001.3黃文虎,邵成勛.多體系統(tǒng)動力學M.中國鐵道出版社,1996.4楊可楨,程光蘊.機械設計基礎M.高等教育出版社,2003.5何立民,單片機應用系統(tǒng)設計J.航空航天大學出版社, 1992.6余水權等,單片機應用系統(tǒng)的功率接口技術M.航空航天大學出版社,1992. 7機械工程手冊編委會,機械工程手冊M.第六卷.機械工業(yè)出版社,1982.8沈興全,吳秀玲,液壓傳動與控制M.國防工業(yè)出版社,2005.9黃江平,705D全自動機動式雷達天線升降裝置設計J.電子機械工程,2001.10丁鷺飛, 耿富錄.雷達原理 M .西安電子科技大學出版社, 1984.11 David K. Barton ,Sergey A. Leonov. Radar Technology Encyclopedia.12龔振邦.電子設備機械設計M.高等教育出版社, 1985.13葉尚輝,李在貴等.天線結構設計J.西北電訊工程學院出版社, 1986.14秦曾煌.電工學電子技術M.高等教育出版社,2004.15童詩白.模擬電子技術基礎M.高等教育出版社,2001.16閻石.數(shù)字電子技術基礎M.高等教育出版社,1998.17董景新,趙長德.控制工程基礎M清華大學出版社,1992.18Richard C.Dorf,Robert H.Bishop.現(xiàn)代控制系統(tǒng)M.謝紅衛(wèi)等譯.高等教育出版社,2001.19(日)緒方勝彥.現(xiàn)代控制工程M.盧伯英等譯.科學出版社,1979.20陳康寧.機械工程控制基礎M.西安交通大學出版社,2002.21李有善.自動控制原理M.國防工業(yè)出版社,1989.22王顯正,陳正航,王旭永.控制理論基礎M.科學出版社,2000.23黃真棠,許紀.機械控制工程M.華南理工大學出版社,1994.24孫恒,陳作模.機械原理M.高等教育出版社,2006.25孟憲源,現(xiàn)代機構手冊M.機械工業(yè)出版社,1994.26梁嵩高,平面連桿機構的計算設計M,高等教育出版社,1993.27詹啟賢,自動機械設計M,中國輕工業(yè)出版社,1994.28丁毓銀,數(shù)字電路邏輯設計M.高等教育出版社,1999.
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