新型天線掃描架的設(shè)計

俞茂超，石永安，梁永紅

（西安黃河機電有限公司設(shè)計研究所，西安 710043）

天線掃描架作為微波暗室測試的關(guān)鍵設(shè)備，主要用來支撐和改變天線掃描架探頭的位置，以便于天線掃描架探頭對準被測設(shè)備，在微波實驗室測試任務(wù)中扮演著重要的角色。目前天線掃描架的運動方式，分為水平掃描和垂直掃描，就是一個反復(fù)經(jīng)歷慢速啟動、加速升速、高速運行、減速和低速停止的過程，即所謂的梯形運動形式，這樣一方面可保證運動速度，另一方面保證運動的平穩(wěn)性，有利于實現(xiàn)控制定位精度。

隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，天線掃描架也得到較好的發(fā)展。遠程天線掃描架是新一代自動化測量設(shè)備，用于輻射源的自動定位測試，可以完成自動升降和自動俯仰的兩軸運動，可滿足遠程測試和本地測試工作，可對指定空間的設(shè)備進行自動化測試，應(yīng)用前景廣泛。

1 遠程天線掃描架的設(shè)計要求

（1）自動升降有效行程：2000mm；誤差小于±1mm；

（2）自動俯仰有效行程：-50°～50°，誤差小于±0.5°；

（3）控制方式：遠程控制和本地控制，信號傳輸方式：光纖（500米）；

（4）具有升降和俯仰位置軟件保護功能，同時具備硬件限位保護和機械限位保護功能；

（5）升降和俯仰運動速度分為高、中、低三種速度，可以在運動過程中通過軟件界面中相應(yīng)按鈕任意切換；

（6）運動應(yīng)緩慢啟動，快速運行，緩慢停止，運動應(yīng)平穩(wěn)無震蕩；軟件界面中有緊急停止功能；

（7）運動高度和俯仰角位置應(yīng)實時顯示在軟件界面中，軟件界面有天線塔運動示意圖，在運動過程中應(yīng)能模擬實際運動狀況。能在軟件見面中手動引導(dǎo)到任意位置（高度位置或角度位置）；

（8）在結(jié)構(gòu)設(shè)計中盡量采用非金屬材料，減少大面積使用金屬材料。

2 天線掃描架組成及終端軟件界面設(shè)計

2.1 天線掃描架組成

天線掃描架主要由基座、控制箱、變速箱、升降同步帶、俯仰同步帶、立柱、俯仰齒輪齒條組件、升降滑套組件、同步帶張緊裝置、配重、光電轉(zhuǎn)換模塊、光纖、本地手持控制盒、激光筆、喇叭天線等組成，如圖1所示。

圖1 天線掃描架設(shè)計效果圖

該天線掃描架為升降+俯仰型天線掃描架，升降和俯仰兩個動作必須單獨進行。為了便于轉(zhuǎn)場測試，基座采用推車的形式；控制箱內(nèi)部包含電源、繼電器、RS232光電轉(zhuǎn)換模塊、主機控制模塊、交流伺服驅(qū)動器等；變速箱作為天線掃描架的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器，主要包括伺服電機、減速器、齒輪組、運動轉(zhuǎn)換電磁離合器、升降光電碼盤、失電制動器、俯仰光電碼盤、俯仰數(shù)據(jù)通斷電磁離合器、同步帶輪等。同步帶采用高強度尼龍夾層同步齒形帶；立柱采用高強度玻璃槽鋼；俯仰齒輪齒條組件和升降滑套大部分零件采用高強度尼龍加工，在主要受力位置增加金屬零件。在天線掃描架設(shè)計過程中，考慮到金屬材料對測試結(jié)果的影響，控制箱以上部分盡量采用高強度非金屬材料，在主要受力部位材料金屬零件。

2.2 終端軟件設(shè)計

天線掃描架終端軟件控制界面采用Delphi軟件制作，如圖2所示。

圖2 控制軟件界面效果圖

終端軟件主界面劃分為動態(tài)圖形顯示區(qū)、測量設(shè)置分區(qū)、測量顯示和執(zhí)行分區(qū)。

動態(tài)圖形顯示區(qū)在顯示界面的左側(cè)，工作時實時顯示掃描架探測頭的位置。

測量設(shè)置分區(qū)主要有手動控制、自動控制、標校、通訊檢查按鈕，位于右上側(cè)。

測量設(shè)置分區(qū)提供兩種方式輸入，快速引導(dǎo)和手動引導(dǎo)?？焖僖龑?dǎo)只需輸入天線的目標位置，按下運行按鈕后系統(tǒng)將根據(jù)要求將天線快速帶動到目標位置。手動引導(dǎo)需要選擇天線的運動速度（速度有高、中、低三種），同時需要按下高度下方相應(yīng)按鈕（有上升和下降）和按下俯仰角度下方的相應(yīng)按鈕（有上升和下降），系統(tǒng)會實時的將天線帶動到目標位置，要停止運動可在此按下所按按鈕。

該終端軟件設(shè)有俯仰角度極限與升降高度極限，同時設(shè)置緊急停止功能。

3 變速箱設(shè)計

3.1 傳動原理設(shè)計

天線掃描架一般有旋轉(zhuǎn)、升降和橫移三個動作，常見的有2軸平移或3軸平移天線掃描架。根據(jù)設(shè)計要求，結(jié)合實際測試工作的情況，采用一個伺服電機通過變速箱輸出升降和俯仰兩個運動。變速箱的傳動原理如圖3所示。

圖3中，2-減速器速比i=80，3-小齒輪齒數(shù)為Z1，Z1=30，4-轉(zhuǎn)換齒輪齒數(shù)為Z2=80。從電機到11-俯仰輸出軸的減速比為213.33，從電機到10-升降輸出軸的減速比為213.33。

圖3 變速箱傳動原理圖

從上述計算分析可以得出，當(dāng)5-電磁離合器在吸合狀態(tài)時，1-伺服電機傳遞到升降輸出軸和俯仰輸出軸的轉(zhuǎn)動速度相等。圖3中變速箱中的齒輪采用了6級齒輪精度，其中減速器采用了高精度行星減速器，齒隙小于5弧分，保證了變速箱的傳動精度。

3.2 天線升降原理

圖3中，通過依次完成5-運動轉(zhuǎn)換電磁離合器通電吸合、9-俯仰數(shù)據(jù)通斷電磁離合器斷電脫開和7-失電制動器通電脫開一系列動作完成后，1-伺服電機驅(qū)動2-減速器一系列齒輪后，最后通過10-升降輸出軸和11-俯仰輸出軸同步轉(zhuǎn)動，在升降輸出軸和11-俯仰輸出軸上安裝同規(guī)格的同步帶輪，由兩個同步帶輪的轉(zhuǎn)動通過齒形帶的直線運動，在同步帶上轉(zhuǎn)接升降滑套，進而實現(xiàn)了天線掃描架的升降運動，為了實時測量升降的位置信息，在變速箱中通過4-轉(zhuǎn)換齒輪傳動將直線運動測量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動測量，采用的升降光電碼盤為16位多圈絕對值光電碼盤，可以將升降運動的位置信息通過多圈編碼器記錄下來，實時反饋到主機控制模塊，形成位置閉環(huán)控制。由于伺服驅(qū)動器本身具有很高的電機轉(zhuǎn)速控制精度，實測速比高達6000，因此位置環(huán)在同步齒形帶不變形的條件下，可以實現(xiàn)很高的控制精度。由于此時9-俯仰數(shù)據(jù)電磁離合器斷電脫開，8-俯仰光電碼盤不計數(shù)，天線俯仰位置保持不變。天線掃描架立柱內(nèi)部安裝升降極限位置限位開關(guān)。文中自動升降和自動俯仰所采用的同步齒形帶，采用手動張緊機構(gòu)調(diào)節(jié)同步帶張緊程度，可有效保證自動升降和自動俯仰的位置精度。

3.3 天線俯仰原理

圖3中，通過依次完成7-失電制動器斷電吸合、5-運動轉(zhuǎn)換電磁離合器斷電脫開、9-俯仰數(shù)據(jù)電磁離合器通電吸合一系列動作完成后，伺服電機1驅(qū)動減速器2帶動一系列齒輪后，通過帶動11-俯仰輸出軸連接同步帶輪帶動同步齒形帶，將同步齒形帶轉(zhuǎn)接齒條，在天線俯仰裝置上有一個齒輪和齒條嚙合，進而將齒條的直線運動轉(zhuǎn)換為齒輪的旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)天線掃描架的俯仰運動，俯仰位置的實時測量與升降位置的實時測量原理相同。由于此時5-運動轉(zhuǎn)換電磁離合器斷電脫開，6-升降光電碼盤不計數(shù)，天線高度位置不變。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

圖4 控制系統(tǒng)組成框圖

控制系統(tǒng)主要由主機控制模塊、交流伺服驅(qū)動器、四個繼電器、兩個電磁離合器和兩個光電編碼器組成，其組成框圖如圖4。其中主機控制模塊是控制系統(tǒng)的核心部件，主要由單片機AT89C51、CPLD、高速串行通訊模塊、接口芯片作為主控電路，由CPLD產(chǎn)生所有內(nèi)部所需采樣脈沖、地址譯碼、D/T變換等。驅(qū)動器采用臺灣臺達的ASDA-A2系列全數(shù)字驅(qū)動模塊，電機采用ECMA系列交流伺服電機，功率400W，額定轉(zhuǎn)速3000rpm。

主機控制模塊通過RS232光電轉(zhuǎn)換器接收上位機的控制指令，通過SSI接口采集升降光電編碼器和俯仰光電編碼器位置信息，形成位置閉環(huán)控制，驅(qū)動器和電機形成電流環(huán)和速度環(huán)閉環(huán)控制，控制模型如圖5所示。單片機接收高速串行通訊指令或狀態(tài)控制信號，通過繼電器和電磁離合器切換輸出同步帶輪，形成升降位置閉合回路或俯仰位置閉合回路。單片機實時采集升降光電碼盤和俯仰光電碼盤數(shù)據(jù)，再通過控制算法生成控制誤差，經(jīng)CPLD對控制誤差進行D/T變換，形成頻率可變的控制誤差，輸入到伺服驅(qū)動器進行伺服系統(tǒng)速度環(huán)和電流環(huán)控制，伺服驅(qū)動器按照調(diào)試好的PID整定參數(shù)進行控制運算，驅(qū)動電機按照給定的方式平穩(wěn)、可靠的運行。該系統(tǒng)同時具有失電保護、過載保護、急停等多種保護措施，提升了系統(tǒng)運行的安全性。

圖5 控制模型圖

天線掃描架具有遠程控制和本地控制兩種方式。本地控制中只需將手持盒電纜插頭連接到控制箱插座上，通電后可以通過手持盒操作天線掃描架，可以天線掃描架的升降和俯仰進行手動點動控制和連續(xù)控制，以方便人員對被測件進行安裝拆卸及手動調(diào)整。

遠程控制時，測試人員通過上位機按照圖2所示控制界面進行標校、手動或自動控制，上位機指令通過光纖傳送到天線掃描架控制系統(tǒng)，由控制模塊按照通訊協(xié)議控制天線掃描架的升降和俯仰運動，以實現(xiàn)人員在無輻射環(huán)境下的遠程控制。

5 天線掃描架性能測試

圖6為天線掃描架的樣機實物圖，按照天線掃描架設(shè)計指標要求，對其進行了試驗工作。

圖6 天線掃描架實物圖

在測試實驗中，對天線掃描架樣機各個指標進行測試分析，測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果表

由表1數(shù)據(jù)可知，該遠程天線掃描架的各項指標滿足設(shè)計要求，可以為滿足用戶的測試工作。

6 結(jié)束語

本文研究的天線掃描架是通過一個伺服電機通過變速箱輸出升降和俯仰兩個運動的方式，同時通過光電碼盤實時測量升降和俯仰的位置信息。該變速箱設(shè)計思想新穎，可以應(yīng)用于工業(yè)自動化行業(yè)的各個領(lǐng)域。

天線掃描架，結(jié)構(gòu)緊湊，大部分材料采用非金屬材料，外部連接線纜整齊，控制箱以上沒有一根連接電纜和元器件，盡量減少金屬材料和控制線對測試結(jié)果的影響。經(jīng)過實際使用，該型天線架可滿足實際測試工作。

目前，在實際測試工作時，需要操作人員在試驗前做一些準備工作，為了進一步提高該天線掃描架的自動化程度，在未來設(shè)計中增加一個方位旋轉(zhuǎn)運動和天線自動極化機構(gòu)，這樣可以滿足空間三維測試工作，提高測試效率。

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