無(wú)線光通信可變發(fā)散角調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)與研究

陳艷芳，利今時(shí)

1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源 517000

2.河源市永訊通信科技有限公司，廣東 河源 517000

0 引言

無(wú)線光通信是一種新的通信方式[1-3]，以光波為載體對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳輸。與無(wú)線電通信、光纖通信等通信方式相比，無(wú)線光通信具有通信帶寬大、保密性高、輻射低、對(duì)電磁設(shè)備無(wú)干擾等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。

在安裝現(xiàn)代通信設(shè)備時(shí)，通常需要安裝發(fā)散角設(shè)備，光束發(fā)散角是用來(lái)衡量光束從束腰向外發(fā)散的速度。在自由空間光通信的應(yīng)用中需要非常低的光束發(fā)散角，但是以往的發(fā)散角設(shè)備缺少自我調(diào)節(jié)角度的功能，盡管有一部分能夠調(diào)節(jié)發(fā)散角的角度，但是達(dá)不到所要求的360°。為了解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種無(wú)線光通信可變發(fā)散角的360°調(diào)節(jié)裝置，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置的可靠性。

1 發(fā)散角整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的無(wú)線光通信可變發(fā)散角整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 發(fā)散角整體結(jié)構(gòu)

圖1 中，該調(diào)節(jié)裝置采用二級(jí)傳動(dòng)，一級(jí)傳動(dòng)通過(guò)同步帶傳動(dòng)，二級(jí)傳動(dòng)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)。結(jié)構(gòu)上包括平臺(tái)、下底座、上底座等多個(gè)零部件。采用一級(jí)傳動(dòng)在平臺(tái)上安裝下底座，并在下底座上通過(guò)軸承1連接聯(lián)動(dòng)軸，通過(guò)聯(lián)動(dòng)軸固定連接上底座。平臺(tái)一側(cè)的電機(jī)1驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸1，轉(zhuǎn)軸1轉(zhuǎn)動(dòng)使帶輪1通過(guò)同步帶驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)軸中部的齒帶輪2，從而使上底座轉(zhuǎn)動(dòng)。上底座帶動(dòng)發(fā)射器實(shí)現(xiàn)圓周性轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)在上底座上方的連接盒和安裝艙內(nèi)通過(guò)電機(jī)2驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸2轉(zhuǎn)動(dòng)，使蝸桿與安裝艙內(nèi)部的圓盤外圈上的蝸輪相互嚙合，由于安裝艙外部的圓盤的外圈通過(guò)連接件連接在發(fā)射器的后方，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤實(shí)現(xiàn)發(fā)射器的上下移動(dòng)，從而在裝置可以在圓周性覆蓋的同時(shí)上下轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到全方位覆蓋，從而達(dá)到360°調(diào)節(jié)的目的。

2 發(fā)散角關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 底部傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

發(fā)散角底部傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。采用同步帶傳動(dòng)，在平臺(tái)上安裝下底座，并在下底座上通過(guò)滾動(dòng)軸承軸承1連接聯(lián)動(dòng)軸，通過(guò)聯(lián)動(dòng)軸固定連接上底座，通過(guò)平臺(tái)一側(cè)的電機(jī)1驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸1，轉(zhuǎn)軸1轉(zhuǎn)動(dòng)使帶輪一通過(guò)同步帶帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)軸中部的帶輪2，從而使上底座轉(zhuǎn)動(dòng)，上底座帶動(dòng)發(fā)射器實(shí)現(xiàn)圓周性轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)射的角度從單一的角度覆蓋變成360°覆蓋。

圖2 底部傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 頂部傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

發(fā)散角頂部傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)剖視圖如圖3所示。

圖3 頂部傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)剖視圖

圖3 中，頂部傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，蝸桿為阿基米德蝸桿，在上底座上方的連接盒和安裝艙內(nèi)通過(guò)電機(jī)2驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸2轉(zhuǎn)動(dòng)，使蝸桿與安裝艙內(nèi)部的圓盤外圈上的蝸輪相互嚙合，由于安裝艙外部的圓盤的外圈通過(guò)連接件連接在發(fā)射器的后方，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤實(shí)現(xiàn)發(fā)射器的上下移動(dòng)，從而在裝置可以圓周性覆蓋的同時(shí)進(jìn)行上下轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到全方位覆蓋的目的。

蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)：因?yàn)闄C(jī)構(gòu)傳動(dòng)力較小，傳動(dòng)比較大，采用右旋單頭蝸桿，傳動(dòng)比取62，根據(jù)傳動(dòng)比計(jì)算公式i=z2/z1，可得蝸輪齒數(shù)為62，模數(shù)為2 mm，分度圓直徑為22.4 mm，直徑系數(shù)為11.2。

3 發(fā)散角控制裝置設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)選型

根據(jù)該裝置的實(shí)際工作要求，考慮以直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過(guò)對(duì)比分析可知，直流電機(jī)在起動(dòng)性能、轉(zhuǎn)速性能及成本上均有較大的優(yōu)勢(shì)，但在位置控制方面性能較差；伺服電機(jī)在位置、速度、轉(zhuǎn)矩等方面性能較好，但價(jià)格昂貴；步進(jìn)電機(jī)具有控制方式簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、位置控制準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)[7]，符合該裝置的控制要求。綜合考慮，選擇步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

3.2 電機(jī)控制方式

步進(jìn)電機(jī)按照驅(qū)動(dòng)類型可分為單相、兩相和多相。單相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單，但抖動(dòng)明顯；多相步進(jìn)電機(jī)精度高、抖動(dòng)小，但控制較復(fù)雜、價(jià)格較貴。因此，選擇市面上最常用的兩相步進(jìn)電機(jī)。以該裝置中1臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為例設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，如圖4所示。PUL端口為電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖輸入端口，每當(dāng)脈沖由低變高時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。DIR端口為單脈沖控制方式時(shí)的方向控制信號(hào)，用于改變電機(jī)轉(zhuǎn)向；OPTO端口為PUL、DIR、ENA的共陽(yáng)極端口；ENA端口為使能/禁止信號(hào)，高電平使能，低電平時(shí)驅(qū)動(dòng)器不能工作，電機(jī)處于自由狀態(tài)。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

該裝置采用共陽(yáng)接法（DM422C步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器OPTP端口接開(kāi)關(guān)電源24 V正極，匯川H1u-1410MTBD輸出端COM0接開(kāi)關(guān)電源24 V負(fù)極）。根據(jù)設(shè)備IO表，PUL為脈沖控制信號(hào)與2K電阻，串聯(lián)后接入?yún)R川PLC輸出端口Y000端，如不串2K電阻步進(jìn)電機(jī)將出現(xiàn)丟步現(xiàn)象；DIR為方向控制停號(hào)接入?yún)R川PLC輸出端Y001端，ENA為使能/禁止停號(hào)，不做接線要求。需注意，匯川PLC輸出端口Y000與COM0，Y001與COM1，Y007、Y010、Y011與COM4各為組合，因此COM0、COM1和COM4均需接入開(kāi)關(guān)電源24 V負(fù)極處。為了節(jié)省電線COM0、COM1和COM4處可采用并聯(lián)接法。

因?yàn)閰R川PLC輸出端Y007、Y010和Y011的公共端COM4與開(kāi)關(guān)電源24 V負(fù)極連接，所以復(fù)位指示燈、停止指示燈與運(yùn)行指示燈的一側(cè)與PLC相連，另一側(cè)與開(kāi)關(guān)電源24 V正極相連形成回路，為了節(jié)省線路與減少工作量可采用并聯(lián)接法，如圖4所示。

匯川PLC的輸入端公共端為S/S端口接DC 24 V負(fù)，因此在按鈕的一端接入PLC的輸入端后，另一端需接入DC 24 V正。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的銘牌確定好A相與B相后，只需將相分別接到步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的相應(yīng)端口，再將DC 24 V正接入V+，DC 24 V負(fù)接入GND即可。

4 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)裝置的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性，總裝后進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。通過(guò)200次的模擬試驗(yàn)，可得該裝置的轉(zhuǎn)角平均誤差為0.3°，僅出現(xiàn)一次故障，符合裝機(jī)要求。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了由電機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸、同步帶傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)等核心部件組成的可變發(fā)散角無(wú)線光通信調(diào)節(jié)裝置。該裝置可實(shí)現(xiàn)360°調(diào)節(jié)，且結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)節(jié)靈活。

（2）實(shí)現(xiàn)了以步進(jìn)電機(jī)為核心的控制電路。該控制電路簡(jiǎn)單可靠。由模擬試驗(yàn)結(jié)果可知，該裝置的精度和可靠性均符合預(yù)期要求。