大型雷達天線六自由度自動對接平臺設(shè)計*

周 紅，樊 雷，黃 琿

(成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司， 四川 成都 610051)

大型雷達天線六自由度自動對接平臺設(shè)計*

周 紅，樊 雷，黃 琿

(成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司， 四川 成都 610051)

米波雷達具有天線口徑大、質(zhì)量重、需分離運輸?shù)奶攸c，目前天線的拼裝大多采用人工或吊車輔助的方式，耗時長且存在不安全因素。為解決米波雷達天線的快速拼裝難題，本文介紹了一種用于大型機動型雷達天線的六自由度自動對接平臺，對其工作原理、組合機構(gòu)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等的設(shè)計進行了詳細的論述。該平臺已用于某型雷達天線，實現(xiàn)了天線的自動對接拼裝，提高了雷達的機動性。該平臺技術(shù)可為其他大型機動雷達提供設(shè)計參考。

大型雷達天線；六自由度；自動對接平臺

引 言

早在1947年，英國的Gough采用并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計了一種六自由度的輪胎測試機，1965年，Steward設(shè)計了一種含有3個支鏈的六自由度運動平臺[1]，并提出將其應(yīng)用于飛行模擬器，向世界第一次展示了六自由度平臺技術(shù)。隨著多年來該平臺技術(shù)的發(fā)展，該裝置較多應(yīng)用于航天飛行器對接、戰(zhàn)機空中加油、工業(yè)機械臂、振動試驗室及飛行模擬器等設(shè)備上。

六自由度平臺在國內(nèi)已發(fā)展多年，一直是國內(nèi)科研院校傳動及控制技術(shù)領(lǐng)域的熱門技術(shù)。國內(nèi)多所科研院校都已研制出了較為完善的六自由度平臺，燕山大學的黃真、清華大學的汪勁松、北京交通大學的方躍法等先后用不同的方法對六自由度和少自由度并聯(lián)機構(gòu)進行了研究，并取得了重要的成果[1]。國內(nèi)航空航天研制單位基于這些理論成果衍生出多種對接裝置，應(yīng)用在多個領(lǐng)域。

米波雷達由于其作用距離遠，具有反隱身、抗反輻射導(dǎo)彈的能力，近年來得到了廣泛的應(yīng)用。俄羅斯率先開展新型米波雷達的研究，在我國也是近年來國土防空武器領(lǐng)域的研究重點。米波雷達天線通?？趶酱?，質(zhì)量重，運輸時需要分塊或分部分由多輛車進行運輸，到達陣地后大多需要使用吊車或隨車吊進行拼裝，如俄羅斯的天空、首領(lǐng)等大型米波雷達都是采用人工拼裝或吊車輔助拼裝天線，操作復(fù)雜且存在不安全因素。雷達機動性能較差，戰(zhàn)情緊急時無法實現(xiàn)機動布防和撤離，影響了雷達作戰(zhàn)效能的發(fā)揮甚至威脅到雷達的生存。

我國幅員遼闊，地形復(fù)雜，戰(zhàn)略防御區(qū)域分布廣，為提高雷達探測效能和生存能力，雷達機動性非常重要，可通過裝載與運輸設(shè)計大力提高地面雷達的機動性[2]。由于米波雷達的固有特點，相比微波雷達，機動性更難實現(xiàn)。國內(nèi)各雷達承制廠所均將米波雷達的天線快速架撤技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)進行攻關(guān)，發(fā)展米波雷達天線的快速拼接技術(shù)成為當務(wù)之急。將六自由度平臺技術(shù)運用到雷達天線的拼裝上，具有重大意義，但研究還處于初始階段。

文中米波雷達天線陣面寬15 m、高19 m，陣面上集成了發(fā)射、波控、接收等設(shè)備，重量達27 t。陣面采用分塊式設(shè)計，分為中塊和兩個邊塊，分塊可折疊，由半掛車運輸。該雷達要求架設(shè)/撤收時間為1 h/16人，如何快速安全地完成陣面天線的拼裝，是急待解決的難題。文中設(shè)計了一種六自由度的天線對接平臺，安裝在邊塊天線運輸車上，能夠?qū)崿F(xiàn)邊塊天線與中塊天線的自動對接拼裝，詳細敘述了該平臺的設(shè)計及工作原理。

1 對接平臺組成及工作原理

1.1 設(shè)計指標及參數(shù)

1)在Y方向(車長方向)平移500 mm，繞Y軸旋轉(zhuǎn)±10°；

2)在X方向(車寬方向)平移800 mm，繞X軸旋轉(zhuǎn)±3°；

3)在Z方向(車高方向)移動950 mm，繞Z軸旋轉(zhuǎn)±5°；

4)舉升重量≤5 t。

1.2 組成及工作原理

面陣邊塊天線折疊成3層裝在半掛運輸車上(圖1)，邊塊天線由對接平臺承載，平臺整體用螺栓固定在邊塊車的大梁上。為實現(xiàn)邊塊天線與中塊天線的對接，邊塊天線的裝載平臺需要實現(xiàn)六自由度的運動。該對接平臺由組合機構(gòu)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、位置測量及校準裝置組成。

圖1 邊塊車示意圖

雷達運輸?shù)竭_陣地后，由控制系統(tǒng)控制液壓執(zhí)行系統(tǒng)使中塊車調(diào)平，中塊天線展開，然后再控制組合機構(gòu)的六自由度運動，從而帶動固定于組合機構(gòu)上的天線做六自由度運動，在位置測量及校準裝置的引導(dǎo)下，使邊塊天線與中塊天線實現(xiàn)自動對接。

2 平臺組合機構(gòu)設(shè)計[3]

組合機構(gòu)設(shè)計為底座加4層平臺，底座與邊塊天線掛車大梁相連。底座上設(shè)計有4只油缸，可實現(xiàn)邊塊車調(diào)平、組合機構(gòu)繞X、Y軸的轉(zhuǎn)動和沿Z軸方向的移動。底座與第一平臺間設(shè)有平行四邊形機構(gòu)及液壓舉升油缸，可實現(xiàn)車高和車寬方向的位移。第一平臺設(shè)有沿車長方向的滾動直線導(dǎo)軌副和油缸，可實現(xiàn)車長方向的位移。第二平臺設(shè)有沿車寬方向的滾動直線導(dǎo)軌副和油缸，可實現(xiàn)車寬方向的位移。第三平臺設(shè)有滾動軸承和與車寬方向成一定夾角的油缸，可實現(xiàn)繞Z軸的轉(zhuǎn)動。邊塊天線固定在第四平臺上。由于公路運輸高度的限制，對接平臺的高度尺寸需嚴格控制。平臺組合機構(gòu)見圖2，平行四邊形舉升機構(gòu)見圖3。

圖2 平臺組合機構(gòu)示意圖

圖3 平行四邊形舉升機構(gòu)示意圖

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)組成

液壓系統(tǒng)安裝在邊塊車車尾，該系統(tǒng)與裝載中塊天線的主車調(diào)平翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)共用一個液壓源，系統(tǒng)由調(diào)平回路、舉升回路、平推回路、方位旋轉(zhuǎn)回路及單雙向平衡閥、同步閥、單雙向調(diào)速閥、三位四通換向閥等組成。

3.2 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)與主車共用液壓源，采用雙聯(lián)齒輪泵，流量為25 ml/r和4 ml/r，電機功率5.5 kW。其液壓原理如圖4所示。

圖4 對接平臺液壓原理圖

調(diào)平回路由4組完全相同的回路組成，每個回路均由1個三位四通換向閥、液控單向閥、單向調(diào)速閥、背壓閥組成。換向閥用于動作控制，實現(xiàn)上下運動和停止運動；單向調(diào)速閥調(diào)節(jié)油缸運動速度，保證調(diào)平腿在收回時運動平穩(wěn)；背壓閥用于平衡正向負載并調(diào)節(jié)4個支撐腿的載荷。

舉升回路由2只舉升油缸、2個單雙向平衡閥、1個同步閥、1個單雙向調(diào)速閥、1個三位四通換向閥組成，完成平行四邊形機構(gòu)的舉升，單雙向調(diào)速閥可實現(xiàn)舉升動作的雙向調(diào)速。

平推回路包含車寬方向平推回路和車長方向平推回路。車寬向平推回路由2只平推油缸、節(jié)流閥、三位四通換向閥組成，完成平臺沿車寬方向的平移；車長向平推回路組成相同，完成平臺沿車長方向的平移。

方位旋轉(zhuǎn)回路由1只油缸、節(jié)流閥、三位四通換向閥組成，實現(xiàn)平臺繞Z軸的小角度旋轉(zhuǎn)運動。高/低速切換回路由二位換向閥和節(jié)流閥組成，實現(xiàn)天線的高/低速切換。

3.3 系統(tǒng)參數(shù)

該系統(tǒng)與主車共用液壓源，壓力為12 MPa。經(jīng)設(shè)計計算，調(diào)平油缸缸徑80，桿徑55。舉升油缸缸徑90，桿徑63。平推油缸缸徑50，桿徑28?；剞D(zhuǎn)油缸缸徑50，桿徑25。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計[4]

4.1 組成及功能

控制系統(tǒng)由檢測子站、主控分機和遠端控制盒(總站)組成。主控分機安裝在掛車底盤上，檢測子站安裝在天線上，遠端控制盒用電纜與主控分機連接?？刂葡到y(tǒng)組成示意圖見圖5。

圖5 控制系統(tǒng)組成示意圖

檢測子站分為2種，一種稱為檢測模塊，分布于各天線面陣上、主控分機中，主要就近完成所在位置接近開關(guān)、壓力繼電器的狀態(tài)檢測；另一種稱為控制模塊，分布于主控分機中，主要就近完成電磁換向閥的控制。

遠端控制盒通過RS-485串行接口與分布于天線面陣上各個部位的檢測模塊、控制模塊相連，完成所有檢測結(jié)果的收集和動作控制命令的發(fā)出。

系統(tǒng)通過接收接近開關(guān)、壓力繼電器的信號，控制液壓系統(tǒng)的電磁閥，使邊塊天線在X、Y、Z方向上進行六自由度運動，實現(xiàn)邊塊與中塊天線的對接以及對接后的鎖緊。系統(tǒng)還可控制天線的折疊、翻轉(zhuǎn)、調(diào)平等動作，完成快速、安全架設(shè)/撤收天線的功能。

4.2 控制方式

系統(tǒng)采用分布式檢測、集中控制的設(shè)計方式。系統(tǒng)由分布于各處的多個檢測子站和1個總站，以及連接子站和總站的通訊電纜組成。每個子站自身都能獨立工作，也能接收總站的控制命令。

各子站不斷對輸入的檢測信號進行檢測?？傉緞t根據(jù)各子站上報的檢測結(jié)果，對相應(yīng)子站發(fā)出控制命令，各子站與總站之間的通訊采用RS-485標準的半雙工通訊方式，通訊波特率選擇為9 600 bps。為了提高通訊的可靠性，總站與子站之間的所有通訊命令數(shù)據(jù)都需經(jīng)過校驗，子站對總站的任何命令均有回應(yīng)。

遠端控制盒是系統(tǒng)的控制中心，操作者可以通過總站(遠端控制盒)隨時了解整個天線面陣各個被檢測點的狀態(tài)，并可以采用人機交互式單步或自動程控方式完成整個天線折疊、對接、鎖緊等動作。

4.3 控制單元

4.3.1 檢測模塊

檢測模塊放置在天線上，以單片機為檢測核心，其輸入檢測信號與通訊接口均通過光電隔離后再與單片機連接。為了最大程度減化設(shè)計，提高檢測模塊的可靠性，被檢測信號經(jīng)過光電隔離后，直接送入單片機的I/O口。每個檢測模塊設(shè)計為8路檢測通道。

檢測模塊結(jié)構(gòu)外形上設(shè)計為全封閉盒形式，所有輸入輸出接口均通過插座與外部連接。

4.3.2 控制模塊

控制模塊接收遠端控制盒的控制命令，就近完成所控電磁換向閥的控制動作。

控制模塊以單片機為控制核心，輸入檢測信號與通訊接口均通過光電隔離后再與單片機連接。由于電磁換向閥的控制保持電流較大，控制模塊輸出通過一個小型繼電器進行過渡。

控制模塊結(jié)構(gòu)外形上也設(shè)計為全封閉盒形式，所有輸入輸出接口均通過插座與外部連接。

4.3.3 遠端控制盒

遠端控制盒主要由單片機、操作鍵盤、狀態(tài)顯示屏、RS-485串口電路等部分組成。

遠端控制盒的狀態(tài)顯示屏采用液晶顯示屏，以文字和圖形的方式顯示天線面陣上所有被檢測點的當前狀態(tài)。并可顯示當前控制動作所進行的步驟，以及控制操作提示。

遠端控制盒的操作鍵盤上提供“自動/手動”、“折疊/展開”、“停止”、“復(fù)位”、“啟動”等功能按鍵。操作者結(jié)合狀態(tài)顯示屏的內(nèi)容，可以利用遠端控制盒完成對天線折疊、對接、鎖緊等所有動作的控制。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種六自由度自動對接平臺，它采用對接方式完成大型雷達天線中塊與邊塊的自動對接拼裝，與傳統(tǒng)人工拼裝、吊裝方式相比，具有安全、快捷、方便的特點，已用于某型雷達天線，提高了雷達的機動性，使用效果良好。

該平臺技術(shù)可推廣到其他大型雷達天線，也可為其他大型機動雷達的架設(shè)/撤收提供設(shè)計參考。

由于是初次將六自由度技術(shù)用于雷達天線的拼裝，在天線姿態(tài)檢測和距離測量上采用的是水平傳感器和接近開關(guān)，控制精度和智能化有待提高。我們將在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計出控制更精準、智能化程度更高的天線對接平臺，滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭對雷達機動性、智能化的要求。

[1] 朱大昌. 基于并聯(lián)支撐機構(gòu)的車載雷達天線自動調(diào)平系統(tǒng)研究[D]. 北京: 北京交通大學, 2008.

[2] 張潤逵, 成仁心, 張樹雄. 雷達結(jié)構(gòu)與工藝[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

[3] SCLATER N, CHIRONIS N P. 機械設(shè)計實用機構(gòu)與裝置圖冊[M]. 鄒平, 譯. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2007.

[4] 張利平. 液壓控制系統(tǒng)及設(shè)計[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2006.

周 紅(1964-)，女，高級工程師，主要從事雷達總體結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

樊 雷(1979-)，男，高級工程師，主要從事雷達總體結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

黃 琿(1968-)，男，高級工程師，主要從事雷達伺服系統(tǒng)設(shè)計工作。

Design of Automatic Docking Platform with Six Degrees of Freedom for Large Radar Antenna

ZHOU Hong，F(xiàn)AN Lei，HUANG Hui

(JinjiangInformationIndustryCo.,Ltd.ofCEC,Chengdu610051,China)

Meter-wave radar has large antenna and big mass, and needs disassembly for transport. Manual operations or crane aid are usual ways to assemble the antenna, but these ways take much time and have less safety. To realize the fast assembly of this antenna, this paper introduces an automatic docking platform with six degrees of freedom for large mobile radar antenna, and discusses its working principle, combined mechanism, hydraulic system, control system, and so on in detail. The platform has been used in certain radar antenna. It realizes the automatic antenna docking, increasing the radar mobility. The techniques of this platform can provide design reference for other large mobile radars.

large radar antenna; six degrees of freedom; automatic docking platform

2014-06-25

TN820.8

A

1008-5300(2014)05-0025-04