NSI2000 天線近場測試系統(tǒng)Y 軸故障維修

逯毅星，李威鋒

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009）

0 引言

NSI2000 天線近場測試系統(tǒng)是一套現(xiàn)代化的自動測量設(shè)備，經(jīng)過多年使用，出現(xiàn)掃描探針Y 軸運(yùn)動定位精度下降，以及Y 軸步進(jìn)電機(jī)工作溫升過高導(dǎo)致?lián)p壞等故障，急需修復(fù)。

1 故障現(xiàn)象

（1）設(shè)備Y 軸傳動機(jī)構(gòu)工作時發(fā)出異響，尤其是掃描探針沿Y 軸做由下而上的掃描運(yùn)動時還伴隨著同步帶的振顫。

（2）掃描探針沿Y 軸運(yùn)動時定位精度差。

（3）Y 軸步進(jìn)電機(jī)工作溫度偏高，導(dǎo)致電機(jī)燒壞（Y軸電機(jī)驅(qū)動卡于1 年前燒壞過，已更換）。

2 故障診斷

2.1 設(shè)備工作原理

NSI2000 天線近場測試系統(tǒng)使用NSI2000 測試軟件進(jìn)行人機(jī)交互，通過計算機(jī)GPIB 總線連接HP8720 網(wǎng)絡(luò)分析儀（以下簡稱網(wǎng)分儀），控制發(fā)射天線發(fā)出激勵信號，掃描探針受到激勵信號送回網(wǎng)分儀進(jìn)行處理，結(jié)果經(jīng)GPIB 總線送NSI2000 軟件計算。NSI2000 軟件計算測量結(jié)果后，經(jīng)運(yùn)動控制總線發(fā)出指令，使運(yùn)動控制系統(tǒng)移動到下一指定位置進(jìn)行測量，到位后發(fā)出觸發(fā)信號控制網(wǎng)分儀進(jìn)行信號采集，完成測量閉環(huán)。通過天線和探針不斷地相對移動，將相對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)與幅相數(shù)據(jù)分別記錄并顯示在近場分布圖的橫軸與縱軸上，最終完成對天線的近場測量。

2.2 故障診斷分析

按照先易后難，由簡入繁的原則，需要對可能影響的部位進(jìn)行檢修。先后對測量天線和網(wǎng)分儀進(jìn)行了校正，傳輸電纜和信號接口重新連接固定，減小運(yùn)動時的附加力。經(jīng)過初步檢修后故障未消失，可以初步排除天線測量、負(fù)載和信號干擾等可能性，隨即將故障分析的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動控制系統(tǒng)。運(yùn)動控制系統(tǒng)主要由PC 端、ARC 箱（近場掃描驅(qū)動箱）、步進(jìn)電機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)等4 部分組成。

PC 端通過NSI2000 Antenna Measurement System 軟件下的“Measurments”和“Hardware”窗口分別提供圖形化的測量運(yùn)動控制和運(yùn)動系統(tǒng)的參數(shù)配置調(diào)整功能，如圖1 所示。在測量菜單下提供了單軸點(diǎn)位控制功能，為后續(xù)故障測試提供了便利條件。

圖1 “Measurments”和“Hardware”窗口

ARC 箱由驅(qū)動信號處理輸入、輸出板，伺服電源和伺服模塊等組成。主要完成信號放大、動作連鎖保護(hù)、測量觸發(fā)等功能。

由于NSI2000 運(yùn)動控制系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)具有載荷輕、快速定位和精度要求高的特點(diǎn)。掃描支架采用輕量化設(shè)計，使用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，選用同步帶為傳動元件。步進(jìn)電機(jī)將ARC 箱發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移，再通過同步帶將角位移轉(zhuǎn)換為直線位移，探針沿Y 軸由同步帶牽引移動。

配重滑塊的作用是平衡探針架的重量，不僅能夠保持在靜止?fàn)顟B(tài)下傳動機(jī)構(gòu)的平衡，同時對工作狀態(tài)下Y 軸步進(jìn)電機(jī)的發(fā)熱有重要影響。根據(jù)牛頓第二定律（F=ma），如果配重質(zhì)量偏大則慣性增大，必然使電機(jī)輸出驅(qū)動力增加，導(dǎo)致Y 軸移動時步進(jìn)電機(jī)負(fù)載增加而發(fā)熱；若減小配重質(zhì)量，將導(dǎo)致Y 軸在定位鎖緊時，步進(jìn)電機(jī)需提供較大的制動扭矩，導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱。

現(xiàn)場試運(yùn)行觀察發(fā)現(xiàn)，帶輪和同步帶有輕微磨損現(xiàn)象，驅(qū)動輪側(cè)運(yùn)行噪音較大。懷疑同步帶老化，造成承載層拉長，節(jié)距增大，使驅(qū)動輪與同步帶帶齒干涉，產(chǎn)生噪聲和定位精度誤差。

3 故障維修

3.1 維修前定位精度檢測

由于該設(shè)備對Y 軸定位精度有較高要求（≤0.075 mm），因此在機(jī)構(gòu)維修調(diào)整前，需進(jìn)行定位精度檢測，為后續(xù)裝調(diào)留下原始數(shù)據(jù)。

Y 軸定位精度檢測使用英國雷尼紹XL-80 激光干涉儀進(jìn)行，測量時Y 軸位移通過NSI2000 軟件下[Move axes]命令執(zhí)行。測量結(jié)果通過雷尼紹XCal-View 軟件進(jìn)行分析。掃描探針沿Y軸運(yùn)動的整個測量行程定位精度最大誤差為0.677 1 mm，反向間隙為0.216 7 mm。

3.2 維修與調(diào)試

3.2.1 同步帶選型與替換

從上述測量結(jié)果中可以看出，定位誤差遠(yuǎn)大于0.075 mm的允許值。必須對傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，對磨損的零件進(jìn)行更換才能消除故障。由于該設(shè)備訂購年代較久，國外廠商零備件供應(yīng)無法保證，只能對Y 軸傳動機(jī)構(gòu)的部件進(jìn)行國產(chǎn)化替代。通過測量原裝傳動部件相關(guān)尺寸，尋找尺寸接近的國產(chǎn)備件，最終確定帶輪規(guī)格（表1）和同步帶規(guī)格（表2）。

表1 帶輪規(guī)格

表2 同步帶規(guī)格

由于同步帶是直線位移的傳動元件，它本身是彈性體，對精度有重要影響。在不同力的作用下，會有不同程度的拉伸，不同材料，拉伸量也會不同。選取兩種不同材料的同步帶進(jìn)行對比試驗(yàn)，結(jié)果見表3。經(jīng)過運(yùn)行噪聲、運(yùn)行平穩(wěn)性、重復(fù)定位精度對比，最終選用以氯丁橡膠和玻璃纖維為材料組成的同步帶。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 步進(jìn)電機(jī)故障維修

Y 軸運(yùn)動過程中步進(jìn)電機(jī)溫升過快，升至85 ℃左右。經(jīng)過觀察分析，由于掃描支架的輕量化設(shè)計，Y 軸步進(jìn)電機(jī)是通過4個鋁制長螺桿為支撐，固定在兩級皮帶減速機(jī)構(gòu)上。由于疲勞磨損等原因，其中2 只長螺桿根部斷裂，在轉(zhuǎn)動狀態(tài)下電機(jī)會發(fā)生傾斜，靜止?fàn)顟B(tài)下電機(jī)回位，故障狀態(tài)非常隱蔽。由于轉(zhuǎn)動狀態(tài)下電機(jī)傾斜，傳動軸系相互不平行，致使傳動阻力增大、負(fù)載加重，造成步進(jìn)電機(jī)溫度過高。

首先，加工更換電機(jī)固定螺桿，重新調(diào)整皮帶減速機(jī)構(gòu)張力，排除傳動軸系相互不平行問題。考慮到步進(jìn)電機(jī)長期經(jīng)受高溫運(yùn)行，為保證安全可靠，決定對Y 軸步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行更換。由于該電機(jī)為原廠配套電機(jī)，標(biāo)識不清；通過查線、檢查步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板接口設(shè)置等方法，最終確定電機(jī)接線方法，見表4。

3.2.3 定位精度補(bǔ)償

在機(jī)械機(jī)構(gòu)調(diào)整完成后，針對定位誤差中的線性誤差部分，通過在NSI2000 控制軟件中“Hardware”選項(xiàng)下的參數(shù)，可以調(diào)整Y 軸步進(jìn)電機(jī)控制參數(shù)進(jìn)行位置精度補(bǔ)償。“Out-putscale”是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動1 步時，Y 軸的移動距離，“Backlask”是Y 軸反向間隙，如圖2 和圖3 所示。通過激光干涉儀重復(fù)測量Y 軸的定位精度，使用夾逼法不斷優(yōu)化參數(shù)OutPutscale、Backlash，使誤差曲線逐漸平坦、正反向誤差曲線開口減小。通過比較，選擇定位精度最佳時對應(yīng)的參數(shù)，最終確定：Out-Putscale=0.063 55 mm，Backlash=0。

表4 步進(jìn)電機(jī)接線

4 維修結(jié)果

4.1 定位精度

使用激光干涉儀對維修后Y 軸定位精度進(jìn)行測量。維修后在700 mm 測量行程定位誤差最大0.062 1 mm，反向間隙最大誤差0.019 4 mm。Y 軸傳動機(jī)構(gòu)定位精度、反向誤差，對比維修前提升了一個數(shù)量級。

4.2 電機(jī)溫度

使用紅外測溫儀測量維修后的步進(jìn)電機(jī)在工作狀態(tài)下的溫度。由電機(jī)溫度隨時間變化的曲線可以看出，在前80 min內(nèi)電機(jī)溫度隨時間近似成線性上升，在80 min 之后溫度變化較為緩慢，特別 在 100～140 min 溫度儀上升0.6 ℃。可以認(rèn)定連續(xù)工作2 h 后電機(jī)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，即電機(jī)已達(dá)到在額定工況下運(yùn)行溫度，即最高溫度為53.2 ℃，處于電機(jī)工作溫度允許的范圍內(nèi)（最高溫度80 ℃），維修前電機(jī)溫度是85 ℃，維修效果明顯。

圖2 步進(jìn)電機(jī)配置

圖3 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)