緊縮場(chǎng)測(cè)試掃描架平面度控制系統(tǒng)研制

寇 鵬 孫祥溪 任 濤 孫 雨

（北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100039）

1 引 言

掃描架是用于測(cè)量緊縮場(chǎng)微波或毫米波平面度的專(zhuān)用設(shè)備。隨著技術(shù)的發(fā)展，緊縮場(chǎng)形成的靜區(qū)范圍更大，頻率更高，這對(duì)測(cè)試掃描架的平面度指標(biāo)提出相應(yīng)更高的要求。而大型掃描架由于結(jié)構(gòu)尺寸大，易受溫度變化、環(huán)境振動(dòng)、重力形變影響產(chǎn)生形變，單純靠機(jī)械加工及裝配工藝已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)高平面度控制的要求。因此，需要采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施來(lái)滿足緊縮場(chǎng)測(cè)試的需求［1］。

已有的掃描架平面度補(bǔ)償方法多采用半實(shí)時(shí)的方式。北京航空航天大學(xué)張厚江等［2］研制的極坐標(biāo)型掃描架先將各測(cè)試點(diǎn)補(bǔ)償值預(yù)存于系統(tǒng)中，測(cè)試過(guò)程中利用小車(chē)微調(diào)機(jī)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償。該方法的缺點(diǎn)在于所有補(bǔ)償點(diǎn)均為前期實(shí)驗(yàn)階段標(biāo)定的預(yù)存值，而實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中受設(shè)備異地搬運(yùn)、長(zhǎng)期使用機(jī)械結(jié)構(gòu)變形等因素的影響，預(yù)存的設(shè)置數(shù)據(jù)則不能一直保證補(bǔ)償數(shù)據(jù)的正確性；北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所曹鐵澤等［3］研制的圓柱形極坐標(biāo)掃描架通過(guò)分別測(cè)試掃描架各測(cè)試點(diǎn)的位置偏差和微波信號(hào)數(shù)據(jù)得到補(bǔ)償量，待測(cè)試完成后通過(guò)軟件方法進(jìn)行補(bǔ)償，該方法的缺點(diǎn)在于補(bǔ)償結(jié)果為二次處理，非實(shí)時(shí)進(jìn)行，測(cè)量效率低，且由于將激光發(fā)射器安裝于設(shè)備本體上，由于設(shè)備底座不穩(wěn)定、測(cè)試過(guò)程中設(shè)備重心變化等因素影響，不能保證激光發(fā)射器掃描平面與緊縮場(chǎng)靜區(qū)的相對(duì)位置不變。

上述半實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法在每次測(cè)試之前，均需先通過(guò)測(cè)試建立誤差修正表，再進(jìn)行補(bǔ)償。效率相對(duì)較低且不能避免掃描架在測(cè)試過(guò)程中因環(huán)境等因素影響帶來(lái)的誤差。為保證測(cè)試效率以及測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文針對(duì)自研的掃描區(qū)域?yàn)棣?m的大型極化掃描架，設(shè)計(jì)了一種掃描架平面度實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)。

2 掃描架平面度實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 補(bǔ)償系統(tǒng)組成

掃描架平面度實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)主要由激光平面發(fā)射器、位置敏感探測(cè)器PSD、控制器和伺服補(bǔ)償器等組成，系統(tǒng)示意如圖1所示。激光平面發(fā)射器固定于水平地面。伺服補(bǔ)償器固定于平面掃描架的旋臂上，安裝有位置敏感探測(cè)器PSD和天線組件。測(cè)試過(guò)程中伺服補(bǔ)償器跟隨掃描架一起運(yùn)動(dòng)［4，5］。

當(dāng)緊縮場(chǎng)平面掃描架工作時(shí)，激光平面發(fā)射器發(fā)射激光束，通過(guò)自身極化旋轉(zhuǎn)形成垂直于緊縮平面場(chǎng)微波傳播方向的基準(zhǔn)參考平面。位置敏感探測(cè)器PSD接收激光信號(hào)，計(jì)算其感應(yīng)區(qū)零位與基準(zhǔn)參考平面的位置偏差并實(shí)時(shí)反饋給控制器?？刂破魍ㄟ^(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡中的伺服算法生成速度控制指令給驅(qū)動(dòng)器，由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服補(bǔ)償器進(jìn)給補(bǔ)償，使位置敏感探測(cè)器PSD感應(yīng)區(qū)零位與激光基準(zhǔn)參考面重合，從而實(shí)現(xiàn)掃描面平面度誤差動(dòng)態(tài)補(bǔ)償［6］。

圖1 掃描架平面度補(bǔ)償系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of compensation system for planeness of compact range

2.2 伺服補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

伺服補(bǔ)償器是平面度補(bǔ)償?shù)膱?zhí)行單元，主要包括天線進(jìn)給補(bǔ)償模塊、天線極化模塊、靶標(biāo)環(huán)形極化模塊等，如圖2所示。

圖2 伺服補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of servo compensator

天線進(jìn)給補(bǔ)償模塊采用八邊形筒型支撐結(jié)構(gòu)，配合高精度滾珠絲杠副傳動(dòng)，帶動(dòng)平面度測(cè)量設(shè)備及控制設(shè)備一同完成天線平面的平面度補(bǔ)償動(dòng)作。天線極化模塊采用同步帶輪帶動(dòng)雙導(dǎo)程消隙蝸桿的傳動(dòng)方式，并選用單精密交叉滾子軸承作為支撐組件，其上裝有天線組件，根據(jù)測(cè)試需要帶動(dòng)天線組件旋轉(zhuǎn)。靶標(biāo)環(huán)形極化模塊采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，位置敏感探測(cè)器PSD安裝在環(huán)形法蘭面上，在主旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，靶標(biāo)環(huán)形極化模塊同步反向旋轉(zhuǎn)，保證靶標(biāo)的感應(yīng)接收面正對(duì)于激光發(fā)生器，以避免激光平面的感應(yīng)盲區(qū)。

2.3 平面度補(bǔ)償原理

掃描架平面度實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)采用精確位置的控制方式，平面誤差補(bǔ)償控制框圖如圖3所示。補(bǔ)償系統(tǒng)利用電機(jī)編碼器反饋構(gòu)成速度閉環(huán)，利用光柵反饋構(gòu)成位置閉環(huán)，以期望目標(biāo)位置指令與位置敏感探測(cè)器反饋的位置偏差之差作為補(bǔ)償指令輸入。補(bǔ)償系統(tǒng)期望目標(biāo)位置始終為“0”，即使位置敏感探測(cè)器PSD感應(yīng)區(qū)零位與激光基準(zhǔn)參考面重合。

圖3 平面誤差補(bǔ)償控制框圖Fig.3 Diagram of compensation control block for planeness error

天線組件在掃描架旋臂上運(yùn)動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的位置偏差信號(hào)是隨機(jī)的小位移變化。位置敏感探測(cè)器PSD每20ms傳回一次位置偏差。掃描架平面度實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)需能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確、快速的響應(yīng)輸入信號(hào)，對(duì)掃描平面度進(jìn)行補(bǔ)償。

掃描架平面度實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)以運(yùn)動(dòng)控制卡為核心控制器，實(shí)現(xiàn)PID+速度/加速度前饋+NOTCH濾波的控制環(huán)算法［7］，如圖4所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)控制卡控制環(huán)算法示意圖Fig.4 Diagram of control loop algorithm of control card

圖4中，KP為比例增益；KD為微分增益；Kvff為速度前饋增益；KI為積分增益；IM為積分模式；Kaff為加速度前饋增益；n1，n2，d1，d2為NOTCH濾波相關(guān)參數(shù)。

本實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)僅采用PID+速度/加速度前饋算法，暫不考慮NOTCH濾波，則可推導(dǎo)出實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

式中：P（z）——位置偏差反饋；Y（z）——光柵位置反饋。

實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)通過(guò)引入速度前饋增益，可以有效減小系統(tǒng)的跟隨誤差；引入加速度前饋增益，可以有效消除系統(tǒng)在加減速時(shí)的跟隨誤差。從而提高補(bǔ)償系統(tǒng)的響應(yīng)速度和位置控制精度，保證掃描面平面度精度［8］。

3 實(shí)時(shí)補(bǔ)償測(cè)試

掃描架具有半徑式掃描和直徑式掃描兩種形式，在直線掃描臂上配置雙法蘭以適應(yīng)不同使用方式。半徑式安裝時(shí)，可滿足行程3100mm的要求，直徑式安裝時(shí)可滿足行程2200mm（最大可至3100mm）的要求。如圖5所示，掃描架采用半徑安裝方式，進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償性能測(cè)試。

掃描架結(jié)構(gòu)安裝完成后，開(kāi)啟激光平面發(fā)射器，形成基準(zhǔn)參考平面。運(yùn)行掃描架控制系統(tǒng)人機(jī)界面，切換至掃描架補(bǔ)償測(cè)試界面，如圖6所示。與位置敏感探測(cè)器PSD建立通訊，實(shí)時(shí)讀取位置敏感探測(cè)器PSD感應(yīng)區(qū)零位與基準(zhǔn)參考平面的位置偏差，對(duì)掃描架平面度進(jìn)行補(bǔ)償。

圖5 掃描架半徑式安裝實(shí)物圖Fig.5 Radial installation of scanner

圖6 補(bǔ)償系統(tǒng)控制界面Fig.6 The interface of compensation system

本文利用激光跟蹤儀分別對(duì)掃描架掃描平面的不同點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算各點(diǎn)距基準(zhǔn)平面的位置偏差和沿來(lái)波方向掃描臂的直線度。補(bǔ)償前后各測(cè)試點(diǎn)距基準(zhǔn)平面位置偏差及沿來(lái)波方向掃描臂的直線度對(duì)比情況如圖7和圖8所示。

經(jīng)專(zhuān)業(yè)計(jì)量機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)后，掃描架沿來(lái)波方向掃描臂直線度優(yōu)于0．058mm。掃描面平面度RMS值為0．048mm。檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖7 平面度補(bǔ)償數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.7 Comparison chat of planeness compensation data

圖8 直線度補(bǔ)償前后數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.8 Comparison chat of straightness compensation data

表1 掃描架平面度指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Test indicators of scanner planeness

4 結(jié)束語(yǔ)

掃描架掃描形成的測(cè)試平面的平面度是緊縮場(chǎng)平面掃描架的關(guān)鍵指標(biāo)。本文以自研的掃描區(qū)域φ6m大型極化掃描架為試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套掃描架平面度實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)，用位置敏感探測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)掃描架平面度誤差，并通過(guò)伺服補(bǔ)償器完成掃描架平面度補(bǔ)償。測(cè)試結(jié)果表明，該平面度實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確完成掃描平面度的補(bǔ)償，并將掃描架平面度誤差控制在0．048mm以內(nèi)。該實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)已多次成功應(yīng)用于緊縮場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)測(cè)試。

［1］胡春華,樊銳,陳五一．緊縮平面場(chǎng)掃描架系統(tǒng)研制［J］．北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，28（1）：122-124．

［2］張厚江，樊銳，陳五一．高精度緊縮場(chǎng)掃描架的研制［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005，9：111-113．

［3］曹鐵澤，孫安斌，王繼虎．基于圓柱筒支撐緊縮場(chǎng)極坐標(biāo)測(cè)試掃描系統(tǒng)的研制［J］．新技術(shù)新儀器，2014，34（4）：11-13．

［4］吳翔，何鑫，寇鵬，等．一種大型緊縮場(chǎng)極坐標(biāo)測(cè)試掃描架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2017，37（5）：1-9．

［5］馬永光，楊金濤，何鑫，等．緊縮場(chǎng)靜區(qū)平面波相位特征高精度測(cè)量［C］．2015年全國(guó)天線年會(huì)論文集（下冊(cè)）：1067-1070．

［6］焦洪杰，陳五一，王春潔．大型緊縮場(chǎng)測(cè)試掃描架誤差分析探討．北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006．11（24）：18-21．

［7］田崇興，李錫文，胡照．基于PMAC的模糊自整定PID算法的研究［J］．機(jī)械與電子，2010（10）：60-63．

［8］趙保亞．基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)PID參數(shù)調(diào)節(jié)研究［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007．10（10）：146-148．