高低角俯仰限制電路的設(shè)計(jì),高低角俯仰限制電路的設(shè)計(jì),高低,高下,俯仰,限制,電路,設(shè)計(jì)
黃河科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 任務(wù)書
工 學(xué)院 機(jī)械 系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專業(yè) 08 級(jí) 3 班
學(xué) 號(hào) 學(xué)生 指導(dǎo)教師
畢業(yè)設(shè)計(jì)題目
高低角俯仰限制電路的設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)工作內(nèi)容與基本要求（目標(biāo)、任務(wù)、途徑、方法，應(yīng)掌握的原始資料（數(shù)據(jù)）、參考資料（文獻(xiàn)）以及設(shè)計(jì)技術(shù)要求、注意事項(xiàng)等）（紙張不夠可加頁）
一、目標(biāo)、任務(wù)及設(shè)計(jì)要求
通過調(diào)研搜集資料，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，并借助于CAD軟件設(shè)計(jì)一種機(jī)械控制電路。炮瞄雷達(dá)天線高低角工作范圍為-15—95度，當(dāng)轉(zhuǎn)到接近最高和最低極限位置時(shí)，該電路自動(dòng)去掉天線驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的控制電壓，并使天線很快被制動(dòng)，防止機(jī)械和電機(jī)過荷損壞，起到保護(hù)作用。本課題要完成的主要工作，應(yīng)用所學(xué)的機(jī)械和電氣方面的知識(shí)，完成該裝置的設(shè)計(jì)：畫出原理圖；設(shè)計(jì)出主要零部件；元器件的選型設(shè)計(jì)和計(jì)算；畫出電路圖并標(biāo)出元器件的型號(hào)、規(guī)格和指標(biāo)參數(shù)。
通過完成方案設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、元器件的選擇、電路圖的繪制等環(huán)節(jié)，使學(xué)生綜合運(yùn)用四年來所學(xué)到的知識(shí)提高解決實(shí)際問題的能力，學(xué)會(huì)科學(xué)研究的方法、程序，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，為其即將走向工作崗位奠定良好基礎(chǔ)。
查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，針對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行分析論證，從而擬定出總體設(shè)計(jì)方案草圖，再獨(dú)自完成各部分電路計(jì)及計(jì)算，繼而采用AutoCAD軟件，利用計(jì)算機(jī)繪制出電路圖，并編制出設(shè)計(jì)說明書等。
二、主要設(shè)計(jì)內(nèi)容
1.查閱文獻(xiàn)資料12種以上，外文資料不少于兩種。寫出3000字以上文獻(xiàn)綜述，單獨(dú)裝訂成冊(cè)。
2.翻譯外文科技資料，不少于3000漢字，單獨(dú)裝訂成冊(cè)。
3.完成開題報(bào)告，填寫開題報(bào)告表。
4.完成設(shè)計(jì)方案選擇與論證，元器件的選型設(shè)計(jì)和計(jì)算，畫出電路圖并標(biāo)出元器件的型號(hào)、規(guī)格和指標(biāo)參數(shù)等。
5.編寫摘要，英中文完全對(duì)照，中文不少于300字。
6、包含本次設(shè)計(jì)的所有內(nèi)容的光盤一張。
7.編寫設(shè)計(jì)說明書，不少于8000字符。
三、主要參考資料
模擬電子線路，電子線路設(shè)計(jì)，脈沖電路，機(jī)械制圖，自動(dòng)控制原理、CAD繪圖及相關(guān)資料等。
四、時(shí)間安排
1、第1-3周：對(duì)課題進(jìn)行調(diào)研，完成文獻(xiàn)綜述、開題報(bào)告及英文資料翻譯，掌握CAD軟件應(yīng)用功能。完成開題報(bào)告。
2、第4-5周：閱讀資料，搞清基本原理，畫出原理圖。
3、第6-8周：通過元器件的選型設(shè)計(jì)和計(jì)算完成電路設(shè)計(jì)，畫出電路圖。
4、第9-11周：完成文獻(xiàn)綜述、設(shè)計(jì)說明書。
5、第12-13周：修改論文與圖紙，準(zhǔn)備答辯。
畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間： 2012 年 2 月 13 日至 2012 年 05 月 15 日
計(jì)劃答辯時(shí)間： 2012 年 05 月 19 日
專業(yè)（教研室）審批意見：
審批人簽名：
2
黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告表
課題名稱
高低角俯仰限制電路的設(shè)計(jì)
課題來源
教師擬訂
課題類型
AX
指導(dǎo)教師
學(xué)生姓名
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào)
一、調(diào)研資料的準(zhǔn)備
根據(jù)任務(wù)書的要求，在做本課題前，查閱了與課題相關(guān)的資料有：模擬電子線路，電子線路的設(shè)計(jì)，脈沖電路，機(jī)械制圖，自動(dòng)控制原理、CAD繪圖及相關(guān)資料等。
二、設(shè)計(jì)的目的與要求
畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)教學(xué)中最后一個(gè)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，通過該設(shè)計(jì)過程，可以檢驗(yàn)學(xué)生所學(xué)的知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生處理工程中實(shí)際問題的能力，因此意義特別重大。
查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，針對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行分析論證，從而擬定出總體設(shè)計(jì)方案草圖，再獨(dú)自完成各部分電路計(jì)及計(jì)算，繼而采用AutoCAD軟件，利用計(jì)算機(jī)繪制電路圖，并編制出設(shè)計(jì)說明書等。
三、設(shè)計(jì)的思路與預(yù)期成果
1、設(shè)計(jì)思路
應(yīng)用所學(xué)的機(jī)械和電氣方面的知識(shí)，完成該裝置的設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)出主要零部件；元器件的選型設(shè)計(jì)和計(jì)算；畫出電路圖并標(biāo)出元器件的型號(hào)、規(guī)格和指標(biāo)參數(shù)。
2、預(yù)期的成果
（1）完成文獻(xiàn)綜述一篇，不少與3000字，與專業(yè)相關(guān)的英文翻譯一篇，不少于3000字
（2）完成內(nèi)容與字?jǐn)?shù)都不少于規(guī)定量的畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書一份
（3）完成設(shè)計(jì)方案選擇與論證，，元器件的選型設(shè)計(jì)和計(jì)算，畫出電路圖并標(biāo)出元器件的型號(hào)、規(guī)格和指標(biāo)參數(shù)等。
(4)編寫摘要，英中文完全對(duì)照，中文不少于300字。
(5)包含本次設(shè)計(jì)的所有內(nèi)容的光盤一張。
四、任務(wù)完成的階段內(nèi)容及時(shí)間安排
1、第1-3周：對(duì)課題進(jìn)行調(diào)研，完成文獻(xiàn)綜述、開題報(bào)告及英文資料翻譯，掌握CAD軟件應(yīng)用 功能。完成開題報(bào)告。
2、第4-5周：閱讀資料，搞清基本原理。
3、第6-8周：通過元器件的選型設(shè)計(jì)和計(jì)算完成電路設(shè)計(jì)，畫出電路圖。
4、第9-11周：完成文獻(xiàn)綜述、設(shè)計(jì)說明書。
5、第12-13周：修改論文與圖紙，準(zhǔn)備答辯。
五、完成設(shè)計(jì)所具備的條件因素
本人已修完模擬電子線路、電子線路設(shè)計(jì)、脈沖電路、機(jī)械制圖、自動(dòng)控制原理、CAD繪圖及畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)等課程，借助圖書館的相關(guān)文獻(xiàn)資料，以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)等資源。
指導(dǎo)教師簽名： 日期：
課題來源：（1）教師擬訂；（2）學(xué)生建議；（3）企業(yè)和社會(huì)征集；（4）科研單位提供
課題類型：（1）A—工程設(shè)計(jì)（藝術(shù)設(shè)計(jì)）；B—技術(shù)開發(fā)；C—軟件工程；D—理論研究；E—調(diào)研報(bào)告
（2）X—真實(shí)課題；Y—模擬課題；Z—虛擬課題
要求（1）、（2）均要填，如AY、BX等。
2
黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 IV 頁
高低角俯仰限制電路的設(shè)計(jì)
摘 要
雷達(dá)俯仰控制是指雷達(dá)根據(jù)工作模式、量程、載機(jī)高度和目標(biāo)距離，自動(dòng)設(shè)置俯仰角度或由操作員設(shè)置俯仰角度。機(jī)載雷達(dá)天線俯仰控制通常只采用手動(dòng)方式，而機(jī)載雷達(dá)的天線俯仰控制有自動(dòng)、手動(dòng)和高度帶設(shè)置三種方式，自動(dòng)控制是指雷達(dá)系統(tǒng)根據(jù)操作員選定的工作模式、量程，自動(dòng)設(shè)置天線俯仰角；手動(dòng)控制是指雷達(dá)操作員可以根據(jù)實(shí)際探測(cè)需求，人工設(shè)置天線的俯仰角；高度帶設(shè)置是指根據(jù)載機(jī)高度和目標(biāo)距離，系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置天線俯仰角。
本課題是研究炮瞄雷達(dá)天線高低角工作范圍為-15—95度，當(dāng)轉(zhuǎn)到接近最高和最低極限位置時(shí)，該電路自動(dòng)去掉天線驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的控制電壓，并使天線很快被制動(dòng)，防止機(jī)械和電機(jī)過荷損壞，起到保護(hù)作用。
關(guān)鍵詞： 雷達(dá)天線，俯仰機(jī)構(gòu)，限制電路
The design of high and low angle pitch limit circuit
Author:He Yangyang
Tutor: Wang Fei
Abstract
Functions of the pitch and lift mechanism of radar antenna is introduced and the type and characteristics of the present mechanisms are summarized in this paper.A new type of electron mechanical servo drivemechanism is introduced which is based on the planar mechanism principle.The operation principle and operation process of this new mechanism are described.The design process is also introduced，including the program selection，the dynamic analysis and the corresponding calculations etc．The former approach includes the proper choice of reliable radar components and subsystems, and also the incorporation of the necessary redundancy in radar subsystems.
The reliability of solid-state devices is usually much higher than that of vacuum-tube devices. As a result, a tube transmitter is usually one of the least reliable radar subsystems, and use of solid-state transmitters gives considerable improvement in radar reliability, permitting the manufacture of maintenancefree radars
Keywords：radar antenna ,pitch mechanism ,limit circuit
目 錄
1緒論 …………………………………………………………………………………… 1
1.1 課題的背景及目的 ………………………………………………………………. 1
1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r …………………………………………………………………. 1
1.3 課題研究?jī)?nèi)容及要求 ……………………………………………………………. 2
2雷達(dá)俯仰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參考 …………………………………………………………… 3
2.1 新型機(jī)構(gòu)的原理與結(jié)構(gòu)方案 …………………………………………………… 4
2.2 機(jī)構(gòu)載荷分析 …………………………………………………………………… 6
2.3 舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) …………………………………………………………………… 7
2.4 俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) …………………………………………………………………… 8
2.5 機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性設(shè)計(jì) …………………………………………………………… 10
3雷達(dá)俯仰機(jī)構(gòu)電機(jī)的控制 ………………………………………………………….. 11
3.1 系統(tǒng)組成 ……………………………………………………………………….... 11
3.2 上位機(jī)單元 ……………………………………………………………………… 11
3.3 主單片機(jī)單元 …………………………………………………………………… 12
3.4 從單片機(jī)單元 …………………………………………………………………… 12
3.5 執(zhí)行單元 ………………………………………………………………………… 13
4 雷達(dá)俯仰部分的設(shè)計(jì)方案 …………………………………………………………... 14
5 高低角俯仰限制電路 ………………………………………………………………... 16
6 緩沖裝置 ……………………………………………………………………………... 19
6.1 分析計(jì)算和設(shè)計(jì) ………………………………………………………………… 19
6.2 設(shè)計(jì) ………………………………………………………………........................ 19
結(jié)論 …………………………………………………………………………………….. 22
致謝 ……………………………………………………………………………………... 23
參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………………... 25
黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)綜述） 第 10 頁
高低角俯仰限制電路
摘要：雷達(dá)俯仰控制是指雷達(dá)根據(jù)工作模式、量程、載機(jī)高度和目標(biāo)距離，自動(dòng)設(shè)置俯仰角度或由操作員設(shè)置俯仰角度。機(jī)載雷達(dá)天線俯仰控制通常只采用手動(dòng)方式，而機(jī)載雷達(dá)的天線俯仰控制有自動(dòng)、手動(dòng)和高度帶設(shè)置三種方式，自動(dòng)控制是指雷達(dá)系統(tǒng)根據(jù)操作員選定的工作模式、量程，自動(dòng)設(shè)置天線俯仰角；手動(dòng)控制是指雷達(dá)操作員可以根據(jù)實(shí)際探測(cè)需求，人工設(shè)置天線的俯仰角；高度帶設(shè)置是指根據(jù)載機(jī)高度和目標(biāo)距離，系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置天線俯仰角。自動(dòng)控制天線俯仰運(yùn)動(dòng)，就需要高低角俯仰限制電路來控制。
關(guān)鍵詞：雷達(dá)天線，俯仰控制，限制電路
對(duì)于雷達(dá)天線的俯仰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，我們可以借鑒前人的設(shè)計(jì)，通過搜索資料，可以發(fā)現(xiàn)平面連桿機(jī)構(gòu)對(duì)其有效，下面簡(jiǎn)要分析一下平面連桿機(jī)構(gòu)在雷達(dá)俯仰控制中的應(yīng)用。
現(xiàn)代車載式高機(jī)動(dòng)雷達(dá)天線車具有工作及運(yùn)輸2種狀態(tài)，即在工作時(shí)將天線舉升至一定高度，并將天線陣面翻轉(zhuǎn)至一定的俯仰角度，可以減小地面及車上設(shè)備對(duì)天線波束的影響；工作結(jié)束后將天線恢復(fù)到水平狀態(tài)或其它特定角度，整車外形尺寸滿足公路、鐵路運(yùn)輸時(shí)不超高、不超寬的要求。
為滿足高機(jī)動(dòng)雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性高、架設(shè)撤收迅捷的特性要求，需要一種能夠?qū)⑻炀€在2種狀態(tài)間迅速轉(zhuǎn)換的狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)技術(shù)。目前常用的狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)技術(shù)主要有以下2種
1） “舉升轉(zhuǎn)臺(tái) + 俯仰機(jī)構(gòu)”式設(shè)計(jì)。如圖1（a）所示，通常采用機(jī)電液混合伺服傳動(dòng)技術(shù)，轉(zhuǎn)臺(tái)與天線被同時(shí)舉高；
2） “俯仰機(jī)構(gòu) + 推舉天線”式設(shè)計(jì)。如圖1（b）所示，通常采用全機(jī)電伺服傳動(dòng)技術(shù)，天線單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，舉升機(jī)構(gòu)為滑軌結(jié)構(gòu)。
前者舉升高度較高，但機(jī)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)要求高；后者機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但舉升高度有限，因滑軌結(jié)構(gòu)的密封性不足，環(huán)境適應(yīng)性較差，同時(shí)兩者都存在天線偏心大的缺點(diǎn)。
某型雷達(dá)系統(tǒng)要求在工作狀態(tài)時(shí)天線要滿足以下條件：
1） 能夠舉升至一定高度；
2） 有一定的預(yù)仰角；
3） 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)天線偏心量盡可能小；
4） 結(jié)構(gòu)緊湊、控制方便、維護(hù)簡(jiǎn)單。
論證表明，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)已無法滿足要求，需要研制一種新的機(jī)構(gòu)形式。文中提出了一種基于平面機(jī)構(gòu)原理的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案，可滿足上述要求。
1 新型機(jī)構(gòu)的原理與結(jié)構(gòu)方案
1.1 機(jī)構(gòu)工作原理
圖 2 為新型機(jī)構(gòu)在運(yùn)輸狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。機(jī)構(gòu)中，活動(dòng)構(gòu)件數(shù) n = 6，低副 L =8，高副 H=0，機(jī)構(gòu)自由度為
P =3n－2L－H =2
機(jī)構(gòu)自由度數(shù)與主動(dòng)件數(shù)相等，符合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理。
1.2 新型機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方案
從提高系統(tǒng)的實(shí)用性與可靠性考慮，新型機(jī)構(gòu)采用全機(jī)電伺服傳動(dòng)技術(shù)方案。在具體的工程設(shè)計(jì)中，圖 2 中 6、7為傳統(tǒng)的絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，4，5為單級(jí)電動(dòng)缸（作為俯仰機(jī)構(gòu)），2為門架，機(jī)架1為轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)盤。上述部分在轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)下做方位轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖 3 所示。
舉升機(jī)構(gòu)與俯仰機(jī)構(gòu)各為2套，分別同步運(yùn)動(dòng)，既可降低對(duì)天線骨架的剛性要求，又可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
1.3 機(jī)構(gòu)工作過程設(shè)計(jì)
天線由運(yùn)輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換為工作狀態(tài)有以下2種運(yùn)動(dòng)方法可選：
1） 分步運(yùn)動(dòng)法。單級(jí)電動(dòng)缸首先伸出到位，完成天線的俯仰運(yùn)動(dòng)，然后在絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，門架轉(zhuǎn)動(dòng)到位，完成天線的舉升運(yùn)動(dòng)，分2步完成天線狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
2） 同步運(yùn)動(dòng)法。電動(dòng)缸與絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)啟動(dòng)，然后同時(shí)運(yùn)動(dòng)到位，一步即可完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換。
逆向工作過程即可將天線由工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為運(yùn)輸狀態(tài)。
方法 1） 控制簡(jiǎn)單，但轉(zhuǎn)換過程中偏心現(xiàn)象較為明顯； 方法 2） 重心控制較好，但由于同時(shí)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件較多，機(jī)構(gòu)同步性要求較高，伺服控制難度較大。
考慮到機(jī)構(gòu)的可靠性與控制的簡(jiǎn)便性，最終確定采用分步運(yùn)動(dòng)控制方法，并將中間狀態(tài)作為天線維修狀態(tài)。天線工作狀態(tài)如圖 4 所示。
2 機(jī)構(gòu)載荷分析
依據(jù)分步運(yùn)動(dòng)方案，利用“多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件 ADAMS”分析運(yùn)動(dòng)過程中俯仰機(jī)構(gòu)與舉升機(jī)構(gòu)的載荷情況。
仿真工況分析：在實(shí)際工作中，在天線的重量分布不均勻以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)同步性的差異等因素的影響下，2套俯仰、舉升機(jī)構(gòu)在受力上會(huì)有所不同。但在分析時(shí)按受力相同、同步運(yùn)動(dòng)的理想工況考慮，分析結(jié)果如圖5 所示。
圖中紅色實(shí)線為俯仰機(jī)構(gòu)單套載荷變化曲線，藍(lán)色虛線為舉升機(jī)構(gòu)單套載荷變化曲線。從圖5中可以看出單套舉升機(jī)構(gòu)最大載荷為
Fmax1=18 kN
單套俯仰機(jī)構(gòu)最大載荷為
Fmax2=31 kN
3 舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
舉升機(jī)構(gòu)采用普通的絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式。絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過螺旋傳動(dòng)副（滑動(dòng)或滾動(dòng)螺旋副）的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為絲杠的直線運(yùn)動(dòng)，并利用伺服電機(jī)的閉環(huán)控制特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)推力、速度和位置的精密控制。圖6為普通絲杠舉升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。絲杠暴露在外，可為絲杠加裝防護(hù)罩，以增強(qiáng)絲杠的環(huán)境適應(yīng)性。
3．1 設(shè)計(jì)計(jì)算
考慮到機(jī)構(gòu)的自鎖要求，舉升機(jī)構(gòu)使用梯形絲杠副結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)絲杠的剛強(qiáng)度要求，初選梯形絲杠參數(shù)為
公稱直徑 d =60 mm
導(dǎo)程 S =9 mm
根據(jù)上節(jié)分析結(jié)果，舉升機(jī)構(gòu)最大載荷為 18 kN，絲杠副的驅(qū)動(dòng)力矩為
絲杠中徑： d2= 55.5 mm
導(dǎo)程角： γ=2.96°
當(dāng)量摩擦角：ρv=5.91°
效率：
安全系數(shù)按 1． 5 倍考慮，則單套舉升機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力矩設(shè)計(jì)參考值約為 130 N·m
舉升機(jī)構(gòu)總行程約為 430 mm，運(yùn)動(dòng)時(shí)間不大于1 min，則梯形螺母的最低轉(zhuǎn)速為
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，驅(qū)動(dòng)電機(jī)初選 1.5 kW 交流伺服電機(jī)，其額定力矩為 4.77 N·