1.3厘米接收機(jī)背架調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計*

馬軍，劉奇，曹亮，李健，閆浩

(1.中國科學(xué)院新疆天文臺，新疆 烏魯木齊 830011;2.中國科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008)

接收機(jī)的安裝要求其饋源的相位中心盡可能接近天線主反射面焦點(diǎn)［1］，使反射面反射的電波同相匯聚，若饋源的相位中心偏離反射面的焦點(diǎn)，天線的有效面積要下降;饋源與天線焦點(diǎn)的匹配精度應(yīng)高于1/20λ［2］，精度不高造成效率損失，從而降低接收機(jī)接收的信號質(zhì)量。然而，由于1.3 cm雙極化制冷接收機(jī)工作頻率高，波長僅為1.3 cm，為保證接收機(jī)饋源的移動精度，接收機(jī)背架調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)計顯得尤為重要。由于南山25 m射電望遠(yuǎn)鏡高頻倉內(nèi)已安裝有接收機(jī)升饋系統(tǒng)，饋源可升至天線焦點(diǎn)的大致位置，滿足了對饋源的一維控制;背架調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足饋源在水平和垂直方向上精確移動，從而實(shí)現(xiàn)對接收機(jī)饋源的三維精確控制。

1 背架調(diào)整系統(tǒng)組成

1.3cm雙極化制冷接收機(jī)背架調(diào)整系統(tǒng)由背架、滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)、減速器、驅(qū)動軟件組成。圖1為運(yùn)用三維設(shè)計軟件設(shè)計的背架調(diào)整系統(tǒng)示意圖，通過控制軟件實(shí)現(xiàn)計算機(jī)與電機(jī)的通信，步進(jìn)電機(jī)分別在垂直和水平方向上驅(qū)動滾珠絲杠，進(jìn)而移動背架導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)了終端對接收機(jī)饋源的精確控制。

2 滾珠絲杠及電機(jī)選型設(shè)計

圖1 背架調(diào)整系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of the adjusting system of the back frame

2.1 滾珠絲杠選型分析

通過分析滾珠絲杠的運(yùn)行環(huán)境，可計算出滾珠絲杠能承受的最大軸向負(fù)載:

式中，F(xiàn)max為滾珠絲杠的軸向負(fù)載;u為摩擦系數(shù);m為接收機(jī)與工作臺的最大近似質(zhì)量;g為重力加速度。

基于上述力學(xué)分析選擇Item公司的0.0.414.51型滾珠絲杠，基本參數(shù)見表1，力學(xué)性能曲線如圖2。

考慮到工程實(shí)際，接收機(jī)的微調(diào)要求位移精確，速度慢;由于滾珠絲杠螺距為5 mm，即滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速低于60 rev/min，從滾珠絲杠的力學(xué)性能曲線可以看出，在轉(zhuǎn)速低于200 rev/min時，滾珠絲杠軸向可承受負(fù)載為2000 N，且工作壽命可達(dá)到10000 h。(1)式為計算的最大軸向負(fù)載，很明顯，所選的滾珠絲杠滿足力學(xué)性能要求。

2.2 驅(qū)動電機(jī)選型分析

滾珠絲杠的確定后，驅(qū)動電機(jī)的選型設(shè)計也很重要。驅(qū)動電機(jī)的力學(xué)分析見(2)～(4)式，式中P為滾珠絲杠螺距;S為安全系數(shù);n為減速器的級數(shù)。

圖2 滾珠絲杠的力學(xué)性能曲線Fig.2 Mechanical property of the ball screw

表1 滾珠絲杠的性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of the ball screw

通過力學(xué)分析，選擇Nanotec公司的PD6-N89系列步進(jìn)電機(jī)。PD6-N89系列步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)分辨率高，通過計算，步進(jìn)電機(jī)精度達(dá)到0.001 mm，滿足精度要求。從(4)式可以看出，力學(xué)要求電機(jī)的最大扭矩為1.314 N·m，圖3為所選電機(jī)的力學(xué)性能曲線，從圖中可以看出所選電機(jī)完全滿足設(shè)計要求。

3 系統(tǒng)驅(qū)動模塊設(shè)計

圖4為電機(jī)驅(qū)動模塊測試連接圖，電機(jī)輸出線纜分別為電源線和數(shù)據(jù)線，供電電源為24 V，每個電源并聯(lián)一個10000 uF的電容，起到很好的濾波作用。電機(jī)的數(shù)據(jù)輸出接口為RS485，這就要求實(shí)現(xiàn)RS485到RS232的轉(zhuǎn)換，以便實(shí)現(xiàn)電機(jī)與計算機(jī)進(jìn)行通信，為此設(shè)計了RS485-RS232轉(zhuǎn)換器。

通過實(shí)際測試，實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的串口通信;并設(shè)計了電機(jī)驅(qū)動模塊，包括電源、驅(qū)動電機(jī)、電容、開關(guān)、數(shù)據(jù)I/O接口和電源接口，實(shí)物圖如圖5。

圖5 電機(jī)驅(qū)動模塊實(shí)物圖Fig.5 The diagram of the motor-driving module

4 背架調(diào)整系統(tǒng)控制軟件設(shè)計

4.1 控制軟件需求分析

(1)功能要求:在水平方向和垂直方向上實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制，從而滿足對接收機(jī)的精確控制;

(2)能運(yùn)行于使用Windows2000或WindowsXP操作平臺的各種微型計算機(jī)系統(tǒng);

(3)系統(tǒng)的容錯性:能夠?qū)︱?qū)動軟件運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種異常情況給予提示或加入相應(yīng)的容錯處理;

(4)用戶界面簡單大方，適合觀測人員操作;

(5)正常使用時不應(yīng)出錯，若運(yùn)行時遇到不可恢復(fù)的系統(tǒng)錯誤，必須保證數(shù)據(jù)庫完好無損。

4.2 控制軟件設(shè)計

背架調(diào)整控制軟件在Visual basic 6.0環(huán)境下設(shè)計，通過使用MSComm(Microsoft Communications Control)ActiveX控件可輕松實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的交換［3］，實(shí)現(xiàn)與步進(jìn)電機(jī)串口通信。MSComm是微軟公司提供的Windows下串行通信編程的ActiveX控件，它既可以用來提供簡單的串行端口通信功能，也可以用來創(chuàng)建功能完備、事件驅(qū)動的高級通信工具［4］。為解決串口通信延遲問題，防止通信過程中數(shù)據(jù)丟失，運(yùn)用Timer ActiveX控件，通過Timer控件可實(shí)現(xiàn)每隔50 ms發(fā)送一條指令，從而解決了串口通信過程中的指令丟失。

控制軟件界面如圖6，首先需要選擇通信端口和電機(jī)移動速度;輸入移動距離，點(diǎn)擊“水平方向”或“垂直方向”按鈕即可實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的精確移動，運(yùn)行進(jìn)度條反饋接收機(jī)饋源的運(yùn)行進(jìn)度;“相對坐標(biāo)”和“絕對坐標(biāo)”反饋饋源的移動位置，并設(shè)置接收機(jī)饋源的最大移動范圍，以提高系統(tǒng)的安全系數(shù)。

圖6 驅(qū)動軟件界面Fig.6 The interface of the control software

5 小結(jié)

基于1.3 cm雙極化制冷接收機(jī)的安裝及觀測需求，設(shè)計研制了其背架調(diào)整系統(tǒng)，并編寫背架調(diào)整系統(tǒng)控制軟件，滿足了實(shí)際的工程需要，為射電天文望遠(yuǎn)鏡高頻接收機(jī)的安裝提供支持和建議。

［1］Imbriale W A.深空網(wǎng)大天線技術(shù) ［M］.李海濤，譯.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［2］王綬舘，吳盛殷，崔振興，等.射電天文方法 ［M］.北京:科學(xué)出版社，1988:67.

［3］范逸文，陳立元.Visual Basic與RS 232串行通信控制 ［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［4］喻維鋼.用VB6.0實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對多臺流量計遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控 ［J］.儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量，2002(6):5－8.Yu Weigang.Collecting and controlling the long-distance data of flowerets by using personal computer base on VB6.0 ［J］.Instrument Standardization and Metrology，2002(6):5－8.