雙絲杠螺母機構驅動天線俯仰運動卡死現象的原因分析及解決方法

摘要：本文對雙絲桿螺母機構驅動天線俯仰運動出現卡死現象的原因進行了分析，推導出了絲桿伸縮長度差異的計算公式，給出了數值解，并提出了消除運動卡死的方法。

關鍵詞：雙絲桿;螺母;支耳;同軸度

引言

雷達由運輸狀態轉為工作狀態或由工作狀態轉為運輸狀態時，為滿足工作或公路、鐵路、水路、航空運輸的要求，天線需作俯仰和折疊。有些雷達系統采用的是雙絲桿螺母機構驅動天線俯仰。天線在俯仰過程中會出現卡死現象，影響了雷達的使用。本文從工程角度出發，用數學方法詮釋天線俯仰過程卡死現象產生的機理、通過公式推導，給出不同公差數值情況下的數字解，并提出解決方法。

1天線俯仰運動卡死現象原因分析

雙絲桿驅動天線俯仰，一般在天線骨架背部上、下各安裝2個支耳。上部支耳聯結絲桿，下部支耳聯結轉臺支耳;絲桿桿體旋合于俯仰減速器驅動螺母，減速器通過支耳安裝在轉臺上。通過電機、減速器驅動螺母的正、反轉動，即可實現天線繞轉臺支耳的上仰或下俯。

絲桿在天線俯仰過程中，提供俯仰力。在工作狀態時，絲桿作為受力件支承天線工作。雙絲杠驅動天線俯仰示意圖如圖1所示。

在安裝天線骨架背部4個支耳時，很難做到完全同軸。如果下部支耳不同軸，當同軸度誤差大于支耳孔和軸銷的間隙公差時，因天線俯仰軸不在一根直線上，天線背架與下部左右2個支耳孔中心形成三角形，由于天線背架為穩定的剛性結構，天線就無法俯仰，這可及時發現并予以糾正。

當骨架背部上部左、右2個支耳同軸度誤差較小時，在絲桿的推動下，天線可以繞骨架下部的支耳軸轉動，實現俯仰。當俯仰角度較大或驅動電機不同步時，有可能會出現卡死現象，下面針對這一情況進行理論分析和公式推導。

假設：天線骨架下部2個支耳同軸，2套俯仰減速器4個支耳同軸，且骨架下部支耳孔中心與減速器支耳孔中心平行;天線骨架上部2個支耳不同軸，其同軸度誤差為Δ;天線骨架下部支耳孔中心與上部2個支耳孔中心距離分別為L1和L2。在運輸狀態，天線骨架上部2個支耳孔中心到減速器支耳孔中心的距離分別為L3和L4;天線骨架背部4個支耳孔中心在一個平面內，與俯仰減速器支耳孔中心連線的夾角為α，如圖2所示。當天線上仰角度為β時，天線骨架上部2個支耳孔中心到減速器俯仰支耳孔中心的距離分別為L5和L6，如圖3所示。

運輸狀態下2根俯仰絲桿的長度差δ_初始=L₄-L₃，如圖2所示。

俯仰過程中2根俯仰絲桿的長度差δ_俯仰=L₆-L₅，如圖3所示。

如果δ_初始和δ_俯仰差值始終相同，則天線可以順利俯仰;如果δ_初始和δ_俯仰數值不同，當數值差較大時，俯仰過程中可能會卡死，下面結合圖2和圖3來推導俯仰過程中2根絲桿長度差的變化情況，以確認是否會出現卡死現象。

2絲桿長度變化公式推導

由公式（1）和公式（2）可知，隨著天線上仰或下俯，兩式的計算結果不同;即隨著β角的變化，δ俯仰差值不斷變化。但由于2個俯仰減速器同步轉動，2個絲桿同步伸長或縮短，在俯仰過程中長度差固定不變，無法滿足公式（2）長度差隨俯仰角變化而變化的幾何要求。因此當長度差較大時，就會出現卡死現象，這就是俯仰運動卡死的原因和機理。

以上結果是基于天線背架上部2個支耳，上、下不同軸推導出的計算公式。只要天線骨架上部有2個支耳，無論在哪個方向不同軸，運用數學方法都可以推導出類似的計算公式，得出相同的結論。

即便天線骨架上部的2個支耳同軸，但因雙電機驅動時，電機動態響應特性存在差異，在確定的時間內，兩個電機轉動的圈數不可能完全一致，即2根絲桿的伸縮不一致，因而造成了骨架上部2個支耳不同軸。隨著天線俯仰次數的增加，2個支耳的不同軸度逐漸加大，當2個支耳的不同軸度誤差大到天線骨架扭曲變形不足以抵消其同軸度誤差時，就會出現卡死現象，這也就是雙絲桿驅動天線的俯仰在使用一段時間后會出現卡死現象的原因。

3數值解

以下根據公式（2），當設L1=1000，Δ=1，α=5?時，δ隨β變化數值解，見下圖4：

同理可以分析，L1、Δ和α不同時，δ隨β變化數值解。通過分析可以得出，影響絲桿長度差變化的主要因素是支耳的不同軸度，其它結構要素因影響較小，可忽略不計。天線俯仰上支耳不同軸度越大，隨著天線上仰角的增大，2個絲桿的長度差也會增大，也越容易出現卡死現象。

4 卡死現象解決方法

通過以上原因分析、公式推導及數值解可知，采取以下措施，可有效消除卡死現象：

1）在安裝天線骨架背部支耳時，上部左右2個支耳、下部左右2個支耳及俯仰減速器4個支耳應使用工裝以保證同軸，且3根軸線應保證相互平行;

2）天線俯仰最好采用1個電機驅動;

3）當用2個電機驅動時，應選用動態響應特性一致的電機，并用主從編碼器控制兩個電機同步轉動。

5 結束語

本文以公式及數值解的形式闡述了雙絲杠螺母機構驅動天線俯仰時會出現運動卡死現象的原因，并從工程角度給出了解決方法。

參考文獻

[1]聞邦椿.機械設計手冊.機械工業出版社，2010年1月.

[2]朱孝錄.機械傳動設計手冊.電子工業出版社，2007年10月.

作者簡介：黃自祥 男，1975年出生，高級工程師，長期從事雷達總體結構設計及科研生產管理工作。