雷達天線翻轉架車方案設計及研究

胡欣源劉圣強

（1.華北水利水電大學機械學院，河南鄭州 450011；2.中國船舶重工集團第七一三研究所，河南鄭州 450000）

雷達天線翻轉架車方案設計及研究

胡欣源1劉圣強2

（1.華北水利水電大學機械學院，河南鄭州 450011；2.中國船舶重工集團第七一三研究所，河南鄭州 450000）

為了實現雷達天線對不同目標的觀測，設計一套翻轉架車結構，即采用電動缸作為動力來源的四桿機構來實現雷達天線0°～90°的翻轉。方案一中雷達重心位置相對于鉸鏈偏心安裝，在翻轉過程中重心會由一側到另一側；方案二中重心位置在翻轉過程中始終位于同一側。通過對該結構進行簡化，得到其數學模型和目標函數，運用MATLAB函數進行鉸點的優化，最終得到一組最優鉸點，使電動缸的長度最短、推力最小，通過優化設計既減小了裝置尺寸，又降低了對電動缸的配置要求。

翻轉機構；回轉機構；MATLAB分析；機構設計

天線是收發無線電信號的重要設備，其可以將導行波和電磁波相互轉換。天線正常工作時需要朝著一個方位收發信號，在利用天線進行信號傳輸和轉換的過程中，天線座架的作用就要能夠帶動天線翻轉，并且將天線調整到一個合適的角度，因此對于這個調整的角度，不僅要調節范圍大，而且要調節角度誤差小，在達到特定位置之后，架臺必須要鎖定在該位置上，不可松動或移位，以免影響天線收發信號的效果。在國內，天線架臺對于角度的調整都有一定的局限，并且現在的大部分架臺都是固定在一個地點，不能夠靈活地移動，因而不能夠在一些復雜條件下收發信號。本文針對翻轉架車的設計和分析進行綜述［1，2］。

1 翻轉機構設計思想

方案一的結構圖如圖1（a）所示，天線1固定在翻板上，翻板與立柱相鉸接。2為電動缸，通過電控設備可以進行伸長和縮短，使翻板可以進行豎直到水平的0°～90°旋轉，使得天線的方向得到調節。整個機構為雙搖桿機構，原動件數為1，活動桿件數為3，轉動副為3，移動副為1，所以機構的自由度為F=3×3-2×（3+1）=1，自由度數等于原動件數，此機構具有確切的運動。同理，方案二的結構圖如圖1（b）所示，在電動缸的驅動下，翻板能夠在豎直到水平面90°范圍內自由轉動，機構的自由度數為1，機構具有確切的運動［3］。

圖1方案結構圖

2 對兩種方案的優化

2.1 對方案一進行優化求解

方案一的結構簡圖如圖2所示，假設A點和D點在同一水平面上，另圖中|AD|=l1，|BC|=l2，|BE|=l3，|CD|=l4，則：

圖2 方案一結構簡圖

2.1.1 對方案一進行受力分析。受力模型如圖3所示，取C點為分析點，以BC桿為分析對象，列平衡方程如下：

2.1.2 優化模型

2.1.2.1優化設計目標函數。根據式（1）～（6），得出：

則以所受負載的絕對值最小為優化目標，即FAB的二次冪為優化目標［4］。

2.1.2.2設計變量。從圖2原理簡圖中可知，以D點為固定點，若l1、l2、l3、l4和角度a確定，則鉸點A、B、C、E的位置則固定。在天線翻轉過程中，角a從0°到90°或者90°到0°變化，不能作為設計變量，以l1、l2、l3、l4為優化變量。則其向量表達式為：x=［l1，l2，l3］T=［x1，x2，x3］T。

2.1.2.3優化約束條件的確定

①邊界條件。|AD|=l1，0.5≤l1≤1.5；|BC|=l2，0.5≤l2≤1；|BE|=l3，0≤l3≤0.7；|CD|=l4，0.5≤l4≤1.5。以上單位均為m。

②約束條件。根據設計經驗及尋優范圍的減小，天線的中心在BC桿上的投影點E應處于BC之間，則要求：

軟件部分主要包括光纖連接信息采集、智能光纖托盤與單元控制器的485數據傳輸、485數據到藍牙數據的轉換以及手機端APP設計等。本文重點對光纖連接信息采集進行介紹。

當天線翻轉到90°時，天線大口徑與地面應有一定的安全距離，大口徑半徑為0.75m，翻轉到90°時天線不可以觸及到地面，則要求：

根據設計結構與控制方案設計的要求，本方案選用電缸為驅動，則要求電缸最長小于電缸最短的2倍，即：max（|AB|）-2×min（|AB|）≤0。

根據分析可知，在天線翻轉為90°時缸伸長最大，在天線翻轉為0°時缸伸長最小，則：

2.1.3 設計和仿真。本次優化的變量是l1、l2、l3、l4，由于a的變化會影響優化變量的值。通過MATLAB中的一個循環語句來篩選出優化變量在不同取值時力最大的一個a值，再在此時確定的a角度的情況下，對4個優化變量用求解非線性多元函數最小值的matlab函數fmincon語句進行優化。通過優化可知，在a為0°時F最大，結果如表1所示［5］。

表1 方案一優化分析結果

由圖4可知，力在角度a=0°時為最大643.5N，隨著a的增大逐漸縮小為0，然后方向改變繼續增大，最后在a= 90°時變為-544.8N。

圖4 方案一力隨角度變化

由圖5可知，在a=0度時電動缸的長度最短為1 250mm，隨著a的角度逐漸增大，電動缸的長度也逐漸增加，最后在a=90°時，電動缸最長為2 500mm，電動缸的行程為1 250mm。

圖5 方案一缸長度隨角度變化

2.2 對方案二進行優化求解

方案二的結構簡圖如圖6所示，假設A點和D點在同一水平面上，圖中|AD|=l1；|BC|=l2；|CD|=l3，CB與天線底邊的夾角為γ?？紤]到A點可能在D點右側也可能在D點的左側，所以設A點在D點右側時為正值，在D點左側時為負值，則：

圖6 方案二結構簡圖

圖7 方案二受力分析

2.2.2 優化模型

2.2.2.1優化設計目標函數。根據式（7）～（14）得出：

則以所受負載的絕對值最小為優化目標，即FAB的二次冪為優化目標。

2.2.2.2設計變量。從圖6原理簡圖中可知，在天線翻轉過程中，角a從0°到90°或者90°到0°變化，不能作為設計變量，以l1、l2、l3為優化變量，則其向量表達式為：x=［l1，l2，l3］T=［x1，x2，x3］T。

2.2.2.3優化約束條件的確定

①邊界條件。|AD|=l1，-0.75≤l1≤0.3；|BC|=l2，0.25≤l2≤0.8；|CD|=l3，0.75≤l3≤1.5。單位均為m。

②約束條件。根據設計要求，本方案選用電缸驅動，則電缸最長小于電缸最短的2倍，即：max（|AB|）-2×min（要（|AB|）≤0。

根據分析可知，在天線翻轉為90分時缸伸長最大，在天線翻轉為0°時缸伸長最小，則：

2.2.3 設計仿真。通過優化分析得出結果如表2所示［7］。

表2 方案二優化分析結果

由圖8力隨角度變化知，力在角度a=0°時為最大294N，隨著a的增大逐漸縮小最后在翻轉角度a增加至90°時電動缸的負載力變為0。

圖8 方案二力隨角度變化

由圖9可知，在a=0°時電動缸的長度最短為908mm，隨著a的角度逐漸增大，電動缸的長度也逐漸增加，最后在a=90°時，電動缸最長為1 662mm，電動缸的行程為754mm。

3 方案的對比選擇

3.1 儀器翻轉架在翻轉過程中電動缸的負載力

在方案一天線翻轉過程中，電動缸承受拉壓兩種狀態的力。當a=0°時，電動缸承受一個最大的壓力為643.5N；當a=90°時，電動缸承受一個最大拉力為544.8N。方案二中電動缸在天線翻轉的過程中只是受到一個壓力，天線對電動缸的壓力在翻轉角度為a=0°是為最大值294N。在天線翻轉過程電動缸負載力這一因素中，方案二更為合理。

圖9 方案二缸長度隨角度變化

3.2 電動缸底部位置與一級支撐臂之間的距離

方案一的電動缸底端與一級支撐臂的距離為1 498mm。方案二中，電動缸和一級支撐臂的距離為650mm。從設計穩定性上，選擇方案二。

4 結論

儀器翻轉架車是天線及雷達裝置的重要組成部分。本次設計首先通過提出2種不同的設計方案，然后通過MATLAB軟件對其進行優化分析，進行結果處理，通過對比確定其中的一種更為合理的設計方案。該方案設計主要分為翻轉機構的設計和回轉機構的設計，設計結果符合方案要求。本文的設計思路為具有相似結構的儀器翻轉架車的設計和分析提供了參考方法和理論依據。

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［4］張增太，房景仕.某雷達天線舉升翻轉機構的設計［J］.雷達科學與技術，2009（4）：312-315.

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［7］楊世文，許小健.MATLAB優化工具箱在結構優化設計中的應用［J］.科學技術與工程，2008（5）：1347-1349.

Scheme Design and Research of the Radar Antenna Turning Frame Vehicle

Hu Xinyuan1Liu Shengqiang2
（1.Mechanics Institute，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450011；2.713 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation，Zhengzhou Henan 450000）

In order to observe the different targets of radar antenna,this paper designed a set of turnover frame vehi?cle structure,that is to use the electric cylinder as the power source of the four bar mechanism to achieve the the ra?dar antenna from 0 degrees to 90 degrees flip.Scheme one,the radar center of gravity position relative to the hinge ec?centric installation,the center of gravity would be from one side to the other side during the turning process;Scheme two,the center of gravity position was always on the same side during the turning process.The structure was simpli?fied,the mathematical model and objective function were obtained,and the optimization of the hinge point was ob?tained by using the MATLAB function.The length of the electric cylinder was the shortest and the thrust was mini?mum.By optimizing the design,the size of the device was reduced,and the requirement of the configuration of the electric cylinder was reduced.

tilting mechanism；slewing mechanism；MATLAB analysis；mechanism design

G356.6

A

1003-5168（2016）12-0100-04

2016-11-08

河南省科技攻關項目（132102210096）。

胡欣源（1989-），男，碩士，研究方向：機械工程。