设计论文-高低角俯仰限制电路的设计说明书学位论文.doc

毕业设计说明书 第 21 页高低角俯仰限制电路的设计1 绪论1.1课题的背景及目的 雷达发展至今，已经在军事领域占有举足轻重的地位，雷达系统是利用调制信号和定向天线将电磁能量发射到指定空域搜索目标，目标再将接收到的部分能量（雷达回波）反射回来，由雷达接收机进行处理后，抽取出目标的距离、速度、角位置以及具有其他识别特征的目标信息。雷达俯仰控制是指雷达根据工作模式、量程、载机高度和目标距离，自动设置俯仰角度或由操作员设置俯仰角度。机载雷达天线俯仰控制通常只采用手动方式，而机载雷达的天线俯仰控制有自动、手动和高度带设置三种方式，自动控制是指雷达系统根据操作员选定的工作模式、量程，自动设置天线俯仰角；手动控制是指雷达操作员可以根据实际探测需求，人工设置天线的俯仰角；高度带设置是指根据载机高度和目标距离，系统自动设置天线俯仰角。本课题是研究炮瞄雷达天线高低角工作范围为-1595度，当转到接近最高和最低极限位置时，该电路自动去掉天线驱动电机上的控制电压，并使天线很快被制动，防止机械和电机过荷损坏，起到保护作用。1.2 国内外发展状况雷达发展至今已有一百多年的历史。1864年英国物理学家麦克斯韦（J.C.axwell）提出“电磁场理论”，并预见了电磁波的存在。1903年德国人克里斯琴.威尔斯姆耶（Christian Hulsmeyer）研制出原始的船用防撞雷达并获得专利权，这拉开了世人研制雷达的序幕。1922年美国海军研究实验室（Naval Research Lab.）的A.H泰勒和L.C扬用一部波长为5米的连续波实验装置探测到了一只木船。由于当时无有效的隔离方法，只能把收发 机分置，这实际上是一种双基地雷达。1937年由罗伯特.沃森.瓦特设计的第一部可使用雷达“Chain Home”在英国建成，英国正式部署了作战雷达网“链条”。雷达分为地基、机载、空载、舰载雷达，也可以根据雷达的工作频段、天线类型、所用波形等不同特征分类。雷达还可以根据其任务或功能分为：气象雷达、截获搜索雷达、跟踪雷达、边跟边扫雷达、火控雷达、预警雷达、超视距雷达、地形跟随雷达、地形回避雷达等。相控阵雷达使用相控阵天线，因此常被称为多功能雷达。雷达最常见的分类方法是根据其所用波形或工作频率，按波形可分为连续波（CW）或脉冲(PR)雷达。连续波雷达能连续发射电磁能量，有独立的发射天线和接收天线。非调制连续波雷达可以精确地测量目标的径向速度（多谱勒频移）和角位置，但不能得到目标的距离数据，因此这种雷达的主要用途是对目标速度的搜索和跟踪以及导弹制导。脉冲雷达的波形为调制脉冲串。根据脉冲重复频率的高低又可将脉冲雷达分为低、中、高PRF雷达。低PRF雷达主要用于测距，它对目标的速度（多谱勒频移）不敏感。高PRF雷达主要用于测量目标的速度。如果使用不同的调制方式，连续波雷达和脉冲雷达都可以测量目标的距离和径向速度。我国现役的雷达天线俯仰控制比较简单, 一般通过方位/ 俯仰控制开关控制天线在方位方向转动,然后采用手动或自动装置对天线进行上仰或下俯。在当今随着科技的迅猛发展，人们对雷达设备精准度要求的不断提高，雷达俯仰机构的设计问题必将引起人们的广泛关注，也必将得以进一步的发展。当前人们对雷达天线高低角俯仰机构的设计也有很多种，像有电机来作为动力源来带动雷达天线的俯仰机构的运动，也有用液压系统来控制雷达天线的俯仰机构的运动，当然还有其他的一些方法。对高低角俯仰限制电路的研究分析，发现前人的设计思路主要有脉冲电路，也有用单片机来控制的。1.3 课题研究内容及要求本文综合国内外雷达俯仰机构的设计，通过调研搜集资料，并运用所学知识，设计一种机械控制电路。要求雷达天线高低角工作范围为-1595度，当转到接近最高和最低极限位置时，该电路自动去掉天线驱动电机上的控制电压，并使天线很快被制动，防止机械和电机过荷损坏，起到保护作用。2 雷达俯仰机构的设计参考 本设计对雷达天线俯仰机构不做重点设计，但是也应该有一个设计思路，本文研究了前人的设计思路，对其进行了简单的分析。 现代车载式高机动雷达天线车具有工作及运输2种状态，即在工作时将天线举升至一定高度，并将天线阵面翻转至一定的俯仰角度，可以减小地面及车上设备对天线波束的影响；工作结束后将天线恢复到水平状态或其它特定角度，整车外形尺寸满足公路、铁路运输时不超高、不超宽的要求。 为满足高机动雷达的机动性高、架设撤收迅捷的特性要求，需要一种能够将天线在2种状态间迅速转换的状态转换机构技术。目前常用的状态转换机构技术主要有以下2种1） “举升转台 + 俯仰机构”式设计。如图1（a）所示，通常采用机电液混合伺服传动技术，转台与天线被同时举高；2） “俯仰机构 + 推举天线”式设计。如图1（b）所示，通常采用全机电伺服传动技术，天线单独运动，举升机构为滑轨结构。 前者举升高度较高，但机构复杂，维护要求高；后者机构设计相对简单，但举升高度有限，因滑轨结构的密封性不足，环境适应性较差，同时两者都存在天线偏心大的缺点。某型雷达系统要求在工作状态时天线要满足以下条件：1） 能够举升至一定高度；2） 有一定的预仰角；3） 转动时天线偏心量尽可能小；4） 结构紧凑、控制方便、维护简单。论证表明，传统的转换机构已无法满足要求，需要研制一种新的机构形式。文中提出了一种基于平面机构原理的传动机构方案，可满足上述要求。2.1新型机构的原理与结构方案2.1.1机构工作原理图 2 为新型机构在运输状态下的运动简图。机构中，活动构件数 n=6，低副 L=8，高副 H=0，机构自由度为 P=3n2LH=2机构自由度数与主动件数相等，符合机构运动原理。 2.1. 2新型机构结构方案从提高系统的实用性与可靠性考虑，新型机构采用全机电伺服传动技术方案。在具体的工程设计中，图2中 6、7 为传统的丝杠传动机构，4、5 为单级电动缸（作为俯仰机构） ，2 为门架，机架1为转台的转盘。上述部分在转台的驱动下做方位转动，如图 3 所示。 举升机构与俯仰机构各为2套，分别同步运动，既可降低对天线骨架的刚性要求，又可提高系统稳定性。2.13机构工作过程设计 天线由运输状态转换为工作状态有以下 2 种运动方法可选： 1） 分步运动法。单级电动缸首先伸出到位，完成天线的俯仰运动，然后在丝杠传动机构的驱动下，门架转动到位，完成天线的举升运动，分 2 步完成天线状态的转换。2） 同步运动法。电动缸与丝杠传动机构同时启动，然后同时运动到位，一步即可完成状态转换。逆向工作过程即可将天线由工作状态转换为运输状态。 方法 1） 控制简单，但转换过程中偏心现象较为明显； 方法 2） 重心控制较好，但由于同时运动的构件较多，机构同步性要求较高，伺服控制难度较大。考虑到机构的可靠性与控制的简便性，最终确定采用分步运动控制方法，并将中间状态作为天线维修状态。天线工作状态如图 4 所示。 2.2机构载荷分析 依据分步运动方案，利用“多体动力学仿真分析软件 ADAMS”分析运动过程中俯仰机构与举升机构的载荷情况。 仿真工况分析：在实际工作中，在天线的重量分布不均匀以及机构运动同步性的差异等因素的影响下，2套俯仰、举升机构在受力上会有所不同。但在分析时按受力相同、同步运动的理想工况考虑，分析结果如图5 所示。 图中红色实线为俯仰机构单套载荷变化曲线，蓝色虚线为举升机构单套载荷变化曲线。从图 5 中可以看出单套举升机构最大载荷为 Fmax1=18 kN 单套俯仰机构最大载荷为 Fmax2=31 kN2.3举升机构设计 举升机构采用普通的丝杠传动机构形式。丝杠传动机构是将电机的旋转运动通过螺旋传动副（滑动或滚动螺旋副）的机械运动转换为丝杠的直线运动，并利用伺服电机的闭环控制特性，实现对推力、速度和位置的精密控制。图6为普通丝杠举升机构结构示意图。丝杠暴露在外，可为丝杠加装防护罩，以增强丝杠的环境适应性。 2.31设计计算 考虑到机构的自锁要求，举升机构使用梯形丝杠副结构形式，根据丝杠的刚强度要求，初选梯形丝杠参数为 公称直径 d=60 mm 导程 S=9 mm根据上节分析结果，举升机构最大载荷为18 kN，丝杠副的驱动力矩为 丝杠中径： d2=55.5 mm 导程角： =2.96 当量摩擦角：v=5.91 效率：安全系数按1.5 倍考虑，则单套举升机构的驱动力矩设计参考值约为130 Nm举升机构总行程约为430 mm，运动时间不大于1min，则梯形螺母的最低转速为 根据以上计算结果，驱动电机初选1.5 kW 交流伺服电机，其额定力矩为4.77 Nm，额定转速为3000 r / min。由电机额定转速及螺母最大转速可以得出传动链总速比最大值为，减速机速比选为，则末级齿轮速副比最大值为，初步确定末级齿轮副速比为 im= 1。2.3.2设计校核从输出力矩角度进行校核，按电机额定输出计算，末级（螺母） 输出力矩为从输出转速（即工作时间） 角度进行校核，按电机额定输出计算，末级（螺母） 输出转速为 故上述设计满足驱动力矩及工作时间要求。2.4俯仰机构设计 俯仰机构采用单级伺服电动缸机构。伺服电动缸在传统的丝杠传动机构的基础上改而来，其传动原理与传统丝杠传动机构相同。二者的区别在于电动缸是将丝杠的旋转运动转换为螺母的直线运动。 与普通丝杠传动机构相比，电动缸有效行程、效率都低于前者，重量也不占优势。但其防护性能更佳，环境适应性较强，维护简单。电动缸结构如图 7 所示。 2.4.1设计计算出于与举升机构相同的考虑，俯仰机构使用梯形丝杠副结构，初选与举升机构同规格的梯形丝杠，其参数为 公称直径： d =60 mm 导程： p =9 mm根据第 3 节的分析，俯仰机构载荷最大值为 31 kN，则丝杠的驱动力矩 T = 1496 Nm（计算过程与3.1节相同）。 安全系数按1.5倍考虑，则单套俯仰机构的设计驱动力矩为2244 Nm 。俯仰机构总行程约为1000 mm ，运动时间不大于 2 min，则梯形丝杠的最低转速： 根据以上计算结果 ，驱动电机初选2 .2 kW 交流伺服电机，额定输出扭矩 7 .0 N m，额定转速为3000 r/min。由电机额定转速及丝杠最低转速可以得出传动链总速比最大为,减速机速比选为,则末级齿轮副速比最大值为,初步确定末级齿轮副速比 im= 1。2.4.2 设计校核从输出力矩角度进行校核，末级输出力矩为 ；从输出转速角度进行校核，末级输出转速为 ，故上述设计满足驱动力矩及工作时间要求。2.5机构动态稳定性设计俯仰举升机构属于平面四连杆机构，存在较多的装配间隙，机构的动态稳定性不足。可采取如下措施提高机构的动态稳定性：1） 门架与转盘间设计机械限位。门架举升到位后，举升机构对门架施加预紧力，将门架、举升机构及转盘在预紧力的作用下连接形成刚性支撑结构。2） 对俯仰机构部分设计辅助撑杆，提高俯仰机构连接的动态稳定性。通过对上述机构的分析，我们可以发现雷达天线的俯仰俯仰部分可以用平面连杆机构，本设计重点不是对机构的设计，因此对上面的机构的分析主要是论证其可行性。3雷达俯仰机构电机的控制步进电机可将输入的脉冲电信号变换为阶跃式的角位移或直线位移。因此, 能用这种电机作为执行元件来对雷达(或监视装置)的方位角、俯仰角实现自动控制。步进电机作为驱动元件的特点是: 能快速启动、反转, 制动的反应速度快, 运行速度可调, 精度高, 惯性小。另外, 它的步距角和转速不受电压和负载变化以及环境条件的影响, 尤其适合在数字控制系统中使用。本装置采用上位机、下位机两级控制。下位机由主从式单片机系统构成, 其主要作用在于实现步进电机的监控以及上、下位机之间的通讯。上位机用在更高一级层次上来指挥全系统的运行。3.1系统组成本系统由四个部分组成, 其框图如图1 所示3.2 上位机单元 本单元采用IB M 一Pc 机, 机内装有异步通讯适配器板。其主要器件为可编程的8 2 5 OU ART芯片, 便于同与标准RS- 232 c 串行通讯器件接口的设备进行数据通讯。由于主单片机中仅有一个全双工串行口用来与从机单元进行通讯, 故本系统采取串行扩展通道(8 2 51 芯片)。上位机与主单片机单元之间的通讯接口见图23.3 主单片机单元本单元通过扩展的串行通讯口与上位机进行通讯, 接收上位机发送来的信息, 并互通相关的状态信息。同时, 主单片机单元也将控制信息、数据发送给从单片机单元, 指挥从机工作.本装置的方位角与俯仰角传动机构分别采用一台步进电机独立驱动, 同时运行, 因此, 主从单片机单元之间需要多机全双工通讯接口, 其框图如图3 所示.其中O、1 . 从机分别控制方位角、俯仰角步进电机的运转. 它们的TXD 端、RXD 端与主单片机单元的RXD、TXD 端相连, 形成广播式的通讯模式。主机发送的信息, 由从机接收并互为通讯。本单元还设置人一机接口, 配备有键盘、显示器, 便于操作和观察各相关的信息。3.4 从单片机单元从单片机单元由两个独立的8031最小系统组成。在主机控制下, 通过驱动接口, 两个从机分别控制方位角、俯仰角步进电机的快速启停、正反转、加减速、连续扫描和实时跟踪. 步进电机所需的时序脉冲, 由8031 的P : 口提供.3. 5 执行单元执行单元由光电隔离、步进电机、功放、传动装置、稳压电源等几部分组成。为保证系统正常工作, 低压部分的单片机和高压部分运行的步进电机, 以光电藕合的方式将二者隔离开来,本系统采用两只75 BF 00 1 型三相反应式步进电机, 其工作电压为D C2 4v , 静态电流为3 A , 步距角为1.50 , 三相六拍工作方式, 直接由从机的P ; 口控制。由六个T w H 8 7 5 2 功率集成芯片组成驱动电源中的功率放大电路. 脉冲调制电路由NE 55 构成。整个执行单元框图见图4 。4 雷达俯仰部分的设计方案由上述雷达机构以及动力来考虑，本设计雷达天线俯仰运动其动力源也是由步进电机来带动。步进电机转速较大，而雷达天线的转速比较慢，所以要靠减速器来实现，减速器带动偏心轮，偏心轮连接着连杆机构来实现雷达天线的俯仰运动。本设计不在步进电机选择及减速器的设计上作重点介绍。本课题主要设计一种控制电路，要求雷达天线高低角工作范围为-15至95度，当转到接近最高和最低极限位置时，该电路自动去掉天线驱动电机上的控制电压，并使天线很快被制动，防止机械和电机过荷损坏，起到保护作用。因此我们可以考虑在雷达天线运动的极限位置，即-15度和95度两个位置安装两个限位开关，使得雷达运动到这两个角度时，雷达天线触碰到两个限位开关，两个限位开关起到保护作用，使得步进电机断电，从而使雷达天线停止运动，若要使雷达天线离开极限位置，只需要再转到手轮即可。所以本设计重点是设计这个高低角俯仰限制电路。同时应该考虑到步进电机断电后，雷达天线由于质量比较大，仍然有惯性，为了防止雷达天线由于惯性碰坏，本文应该考虑设计一个刹车机构（缓冲装置）。刹车机构（缓冲装置）大概有两种：电刹车以及机械刹车。电刹车即电制动刹车，在刹车系统中算一个新兴领域，通过查阅资料，发现电刹车系统在飞机等大功率电子设备中应用较多，随着研究的深入，当前民用飞机正向“多电化”方向发展，越来越多的电控部件取代了液压控制部件，从而更有效的利用了发动机的输出功率，降低了耗油量。传统的机械刹车，像液压系统也是常用的刹车系统，电刹车系统跟液压系统相比，有着其优越性，像在飞机上，电制动刹车系统，它用机电作动机构取代现有刹车系统的液压作动机构，不再需要管道、泵和阀等液压组件，完全避免了漏油故障；各种信号都通过电缆传输，对刹车系统的监控更为简单和直观，控制程序可以根据飞机状态（飞机载重、发动机推力、襟副翼状态和轮胎磨损等情况）和地面状况（地面干湿、跑道滑行道长度等）实现对刹车系统的动态控制，使飞机能在理想状态下滑行和降落，从而实现节油、节约成本和避免人为差错。本设计由于是应用在雷达天线上，刹车系统主要是起着缓冲作用，缓冲器的作用为, 防止天线座转动部分由于限位开关失灵、制动器发生故障或其它的意外情况越过限位区域, 从而使天线或天线座损坏。缓冲器作为天线座的安全保护装置, 要求具有两方面的功能: 一是缓冲作用, 将突然的冲击载荷转化为缓慢作用的载荷, 延长加载时间, 减小冲击力; 另一方面还要具有一定的减振作用, 将吸收的能量通过摩擦不可逆地转化为热能散失掉, 亦即能吸收和耗散能量, 回弹小, 从而减小天线和天线座的冲击和振动。因此本设计可以采用传统的机械刹车装置，及缓冲装置。此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系在线扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！结 论雷达在现代军事领域具有重要的地位，雷达的发展对国家的军事具有深刻的影响，所以研制更准确、更实时的雷达对于科技人员来说是十分重要的。本文运用所学知识对雷达俯仰机构的控制进行了简单的设计，运用机械和限制电路来设计控制雷达天线高低角工作范围的电路。新型机构的设计关键是要协调处理好各机构与结构件的接口关系，精确计算各机构的行程与结构尺寸。只有将各相关因素综合考虑，合理布局，才能满足雷达运输及工作状态的要求。在本文设计的开始，我对雷达高低角俯仰限制电路没有任何概念，通过跟导师的沟通交流，已经在网络上搜索资料，对高低角俯仰限制电路有了简单的认识，对于这的设计，中间有大量不懂得问题，发现了自身能力还是有巨大的不足，在老师和同学的帮助下，能一点一滴的设计下来，我也深刻体会到了科研设计人员的辛苦与不易。经过几个月的忙碌，我已通过所学知识对电路进行了简单的设计，由于能力有限，又是初次设计电路方面的设计，我的设计中难免会有不足之处，还望老师给予指导。这次毕业设计是对大学四年的检验，也是对即将走向社会工作的考验，我深知虽然就要毕业了，心里难免沉重了一些，但是我通过这次毕业设计对以后的工作充满了信心，毕竟自己的求知路还很长，我相信我能为祖国贡献自己的一份力量，路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。致 谢时光如梭，光阴似箭，丰富、充实的求学生活即将成为过去，在此，我衷心感谢所以关心支持我的老师、亲人和朋友，并向他们表示崇高的敬意在这半年的设计学习中，我得到了王飞老师的精心指导和帮助，从设计的选题、开题论证、资料的收集整理，到正式的设计、撰写修改，无不渗透着王老师的心血和汗水，在此表示衷心的感谢！同时与同学和老师间的交流也让我受益匪浅。通过设计，我深深的感受到了自己知识的浅薄。学海无涯，在将来的学习中我一定会更加的勤奋、谦虚。在这里我向在大学期间教导我、帮助我的各位老师表示最诚挚的谢意!祝老师们身体健康、万事如意！首先感谢大一的机械制图贾百合老师，机械制图是机械专业学习的基础，因为贾老师的认真、细心、严肃的教风，高标准的要求，在以后的学习中我们才会得心应手！感谢电工学穆国华老师，大三那年晚上上课时有几次上课停电，话筒不能用，黑板不能用，穆老师没有等待来电，而是尽可能发出最大的声音，让后面的学生听到，不耽误每一节课，这些场景我至今仍记忆犹新！感谢闫存富老师，他讲的数控机床诊断与维修至今历历在目，他讲的课十分生动，课程气氛活跃，通俗易懂。他对我们的论文格式要求特别严格，对我们的毕业设计的格式起到重要影响。感谢机械控制工程基础常静老师，她讲课态度极其认真，力求使我们每个人都听懂，在课后更是对我们严格要求，作业中出现错误必须认真更正！感谢机器人技术、过程控制仪表与装置朱煜钰老师，朱老师是一个对学生负责任的老师，平时不苟言笑，以严肃著称，在她的课上几乎没有说话的！由于时间仓促，自己水平有限，同时缺乏经验，设计中的不足和错误在所难免，恳请各位老师和同学批评指正，提出宝贵意见。在此，我也感谢我同一组的组员和班里的同学是你们在我遇到难题是帮我找到大量资料，解决难题。真诚地感谢所有帮助过我的老师同学。通过这次毕业设计不仅提高了我独立思考问题解决问题的能力而且培养了认真严谨，一丝不苟的学习态度更培养了我的独立思考的能力。由于经验匮乏，能力有限，设计中难免有许多考虑不周全的地方，希望各位老师多加指教。最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。谢谢你们，真心的祝你们在今后的生活中更上一层楼！参考文献1张润奎,戚仁欣,张树雄等.雷达结构与工艺M.电子工业出版社,2004. 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