應用于真實性檢驗試驗的二維掃描機構設計

李寧杰 劉 瑞 李 丹 趙志杰 龍 澄

應用于真實性檢驗試驗的二維掃描機構設計

李寧杰 劉 瑞 李 丹 趙志杰 龍 澄

（上海航天電子通訊設備研究所，上海 201109）

為了完成外場真實性檢驗試驗天線系統的掃描任務，設計了二維掃描機構。首先確定了機構二維運動方式，并設計了負載計算和控制系統。結果表明，二維掃描機構可以完成俯仰運動范圍內的低速平穩運動和任意位置的精確定位，同時也能在方位范圍內進行低速平穩回轉和任意位置的精確定位，并順利完成了外場真實性檢驗試驗，為類似二維掃描機構設計提供了參考。

掃描機構；負載計算；電機選型；控制系統

1 引言

二維掃描機構及控制器系統為機電一體化產品，由俯仰驅動軸、旋轉驅動軸、支撐機架和控制系統等組成[1，2]，其中，俯仰驅動軸由伺服電機[3]、伺服驅動器[4]、精密行星齒輪減速器[5]和伺服電動缸[6]等組成；旋轉驅動軸由伺服電機、伺服驅動器和精密行星齒輪減速器等組成。為了完成外場真實性檢驗試驗天線系統的掃描任務，二維掃描機構需具備以下功能：根據上位機指令，機構可進行俯仰和方位的連續掃描，掃描角度范圍可設置；根據上位機指令，俯仰方向和方位方向可在指定的角度定位、鎖定；機構按照上位機的讀取指令實時反饋該掃描周期內的俯仰和方位掃描角度值；機構的定位和鎖定時間可設置，如5s、10s和30s等。

2 總體設計

根據設計負載和性能指標要求，確定俯仰運動控制軸采用電動缸驅動、方位運動控制軸采用伺服電機加精密行星齒輪減速器驅動方式，同時根據負載的重心和天線承受的風力，計算電動缸和回轉軸的運動負載，作為電動缸和回轉軸的選型依據。本方案要求較高的定位精度、運行平穩性和非常高的可靠性，所以俯仰軸的驅動電動缸和方位軸的驅動電機均采用松下的交流伺服電機和驅動器，三維設計模型如圖1所示。

圖1 二維掃描機構三維模型

2.1 負載計算

2.1.1 俯仰軸的負載計算

根據天線的外形結構、重心位置和天線面承受的風力，可計算出電動缸所需輸出力，二維掃描機構俯仰方向受力分布如圖2所示。

圖2 二維掃描機構俯仰方向受力分布圖

由受力分布圖可得，電動缸的所需輸出力與各個負載力的關系為[7]：

風壓產生的力[8]：

2.1.2 旋轉軸的負載計算

圖3 二維掃描機方位方向受力分布圖

根據天線的外形結構、重心位置和天線面承受的風力，假設風力分別作用在兩個天線面的一半的中心，兩個天線承受的風力形成一個旋轉扭矩，受力分布圖如圖3所示。即：

天線2的迎風面積為2=π1.22/4=1.13m2，可得天線2承受風力承受的力：

風2=2=0.244kN （7）

根據以上分析計算，得出電動缸的所需最小輸出力要求為25.6kN，方位軸的負載扭矩最小為175.6Nm。

2.2 俯仰軸的驅動電機選型計算

根據電動缸的指標要求，綜合考慮了電動缸的使用壽命、運行精度和運行噪音等因素，初步選定32mm×10mm的滾珠絲桿作為電動缸的傳動元件。

俯仰=60VR1/（9）

俯仰=60VR1/3000r/min （10）

根據以上計算，分析可得伺服電機主要參數如下：

輸出扭矩≥1.02Nm

最終選定松下的交流伺服電機，其主要參數如表1所示。

表1 俯仰向交流伺服電機主要參數

當選定驅動電機后，可確定電動缸的額定速度為：

V=俯仰/601=10mm/s （13）

電動缸的最低穩定速度為：

min=min/601=0.05mm/s （14）

轉換成俯仰軸的運動角速度為：

俯仰=80V/180=4.4°/s （15）

俯仰=80V/180=0.022°/s （16）

由式（11）可得電動缸的輸出力為：

2.3 方位軸的驅動電機選型計算

根據方位軸的指標要求，綜合運行精度和運行噪音等因素，初步選定伺服電機+行星齒輪減速器作為方位軸的傳動方式。

根據方位軸的速度要求≥40°/s，電機的額定轉速為：

min方位=602min/360=667r/min （19）

表2 方位向交流伺服電機主要參數

3 二維掃描機構控制系統

二維掃描機構采用獨立的PLC控制系統[10]，控制系統配置觸摸屏，控制指令的設定、修改、操作和顯示均在觸摸屏上進行。如圖4所示，控制系統采用AC220V的交流供電，控制器、觸摸屏和電氣元件均集成在控制箱內，通過航插和電纜與俯仰軸和方位軸的驅動伺服電機連接?？刂葡到y配置有手動操作和自動操作兩種模式，可分別對俯仰軸和方位軸進行手動點動操作和按照事先設定好的步距、角度和停止時間，自動完成整個運行過程。各個運動軸的運動參數均可以在觸摸屏上實時顯示。同時，控制系統具備多種安全保護功能，對于過載、過熱、超速和超行程等均有報警和保護措施，確保二維掃描機構的使用安全。

圖4 控制系統原理圖

4 二維掃描機構調校與試驗

由于外場真實性檢驗試驗要求精度較高，試驗樣機組裝完成后，需對二維掃描機構進行校零和自身精度測量。天線安裝在天線安裝架上，天線安裝架與二維掃描機構螺接，為更好地測量二維掃描機構的精度，通過測量天線安裝架的位置精度來表示二維掃描機構的精度。利用激光跟蹤儀校零二維掃描機構，找到了二維掃描機構的方位零點和俯仰零點，同時測量了二維掃描機構的重復精度，結果如表3所示。通過表3可以看出，二維掃描機構的方位和俯仰零點誤差均小于0.1o，定位精度誤差小于0.1o，重復精度小于0.1o，滿足外場真實性檢驗試驗使用要求。

表3 二維掃描機構精度測量值 (o)

2020年10月，試驗樣機在湖邊進行了外場試驗，如圖5所示，通過控制系統控制，二維掃描機構帶動天線系統完成了連續掃描、定點掃描、俯仰掃描等任務，得到了有效試驗數據，完成了真實性檢驗任務。

圖5 二維掃描機構測量及實驗

5 結束語

針對外場真實性檢驗試驗的天線掃描任務，完成了二維掃描機構的設計。通過俯仰方向、方位方向的負載計算完成了電機的選型，同時設計完成了二維掃描機構控制系統，實現了機構根據上位機指令可進行俯仰和方位的連續掃描，可在指定的角度定位、鎖定；并實時反饋該掃描周期內的俯仰和方位掃描角度值，順利完成了外場真實性檢驗試驗。未來，隨著外場試驗的增多和系統復雜性的增加，此二維掃描機構設計方法可以應用于更多的掃描機構設計。

1 曹德華. 一種快速二維掃描機構的設計研究[J].紅外技術，2018，40(3)：241～245，268

2 李寧杰，劉瑞，邙曉斌，等. 土壤水探測天線掃描機構設計及精度測量方法[J].航天制造技術，2019(6)：19～23

3 Yamada H. AnalysisofaReluctanceServoMotor[J]. ThetransactionsoftheInstituteofElectricalEngineersofJapan.B,1985,105(8)：25～30

4 瑤瑤，仲崇權.伺服驅動器轉速控制技術[J].電氣傳動，2014，44(3)：21～26

5 錢博.兩級行星減速器動力學特性研究[D]. 重慶：重慶大學，2014

6 孫鳳銘.電動缸伺服測試系統的設計與實現[D]. 南京：南京理工大學，2017

7 金江，袁繼峰，葛文璇，等.理論力學[M]. 南京：東南大學出版社：2019

8 Kopp GA, Surry D, Chen K. Windloadsonasolararray[J]. WindandStructures,2002,5(5)：56～62

9 范國偉，韓玉停，史彥.同步電機原理及應用技術[M].北京：人民郵電出版社：2014

10 彭珍瑞，周志文. 電氣控制及PLC應用技術[M].北京：人民郵電出版社：2017

Design of Two-dimensional Scanning Mechanism for Authenticity Verification Experiments

Li Ningjie Liu Rui Li Dan Zhao Zhijie Long Deng

(Shanghai Institute of Aerospace Electronic Communication Equipment, Shanghai 201109)

In order to complete the scanning task of the field authenticity test antenna system, a two-dimensional scanning mechanism is designed. Firstly, the two-dimensional motion mode of the mechanism is determined, and the load calculation and control system design are carried out. The results show that the two-dimensional scanning mechanism can achieve low-speed and smooth motion in the range of pitch motion and accurate positioning at any position. At the same time, it can rotate smoothly at low speed and locate accurately at any position in the azimuth range. And successfully completed the field authenticity test. It provides a reference for the design of similar two-dimensional scanning mechanism.

scanning mechanism；load calculation；motor selection；control system

S152.7

A

國家民用空間基礎設施中長期發展規劃項目（D010101）。

李寧杰（1989），碩士，機械工程專業；研究方向：載荷總體結構設計，驅動機構設計。

2021-03-18