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黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 26 頁
1 緒論
1.1課題的背景及目的
雷達發(fā)展至今，已經在軍事領域占有舉足輕重的地位，雷達系統(tǒng)是利用調制信號和定向天線將電磁能量發(fā)射到指定空域搜索目標，目標再將接收到的部分能量（雷達回波）反射回來，由雷達接收機進行處理后，抽取出目標的距離、速度、角位置以及具有其他識別特征的目標信息。
雷達俯仰控制是指雷達根據工作模式、量程、載機高度和目標距離，自動設置俯仰角度或由操作員設置俯仰角度。機載雷達天線俯仰控制通常只采用手動方式，而機載雷達的天線俯仰控制有自動、手動和高度帶設置三種方式，自動控制是指雷達系統(tǒng)根據操作員選定的工作模式、量程，自動設置天線俯仰角；手動控制是指雷達操作員可以根據實際探測需求，人工設置天線的俯仰角；高度帶設置是指根據載機高度和目標距離，系統(tǒng)自動設置天線俯仰角。
本課題是研究炮瞄雷達天線高低角工作范圍為-15—95度，當轉到接近最高和最低極限位置時，該電路自動去掉天線驅動電機上的控制電壓，并使天線很快被制動，防止機械和電機過荷損壞，起到保護作用。
1.2 國內外發(fā)展狀況
雷達發(fā)展至今已有一百多年的歷史。1864年英國物理學家麥克斯韋（J.C.axwell）提出“電磁場理論”，并預見了電磁波的存在。1903年德國人克里斯琴.威爾斯姆耶（Christian Hulsmeyer）研制出原始的船用防撞雷達并獲得專利權，這拉開了世人研制雷達的序幕。1922年美國海軍研究實驗室（Naval Research Lab.）的A.H泰勒和L.C揚用一部波長為5米的連續(xù)波實驗裝置探測到了一只木船。由于當時無有效的隔離方法，只能把收發(fā) 機分置，這實際上是一種雙基地雷達。1937年由羅伯特.沃森.瓦特設計的第一部可使用雷達“Chain Home”在英國建成，英國正式部署了作戰(zhàn)雷達網“鏈條”。
雷達分為地基、機載、空載、艦載雷達，也可以根據雷達的工作頻段、天線類型、所用波形等不同特征分類。雷達還可以根據其任務或功能分為：氣象雷達、截獲搜索雷達、跟蹤雷達、邊跟邊掃雷達、火控雷達、預警雷達、超視距雷達、地形跟隨雷達、地形回避雷達等。相控陣雷達使用相控陣天線，因此常被稱為多功能雷達。雷達最常見的分類方法是根據其所用波形或工作頻率，按波形可分為連續(xù)波（CW）或脈沖(PR)雷達。連續(xù)波雷達能連續(xù)發(fā)射電磁能量，有獨立的發(fā)射天線和接收天線。非調制連續(xù)波雷達可以精確地測量目標的徑向速度（多譜勒頻移）和角位置，但不能得到目標的距離數(shù)據，因此這種雷達的主要用途是對目標速度的搜索和跟蹤以及導彈制導。脈沖雷達的波形為調制脈沖串。根據脈沖重復頻率的高低又可將脈沖雷達分為低、中、高PRF雷達。低PRF雷達主要用于測距，它對目標的速度（多譜勒頻移）不敏感。高PRF雷達主要用于測量目標的速度。如果使用不同的調制方式，連續(xù)波雷達和脈沖雷達都可以測量目標的距離和徑向速度。
我國現(xiàn)役的雷達天線俯仰控制比較簡單, 一般通過方位/ 俯仰控制開關控制天線在方位方向轉動,然后采用手動或自動裝置對天線進行上仰或下俯。
在當今隨著科技的迅猛發(fā)展，人們對雷達設備精準度要求的不斷提高，雷達俯仰機構的設計問題必將引起人們的廣泛關注，也必將得以進一步的發(fā)展。
當前人們對雷達天線高低角俯仰機構的設計也有很多種，像有電機來作為動力源來帶動雷達天線的俯仰機構的運動，也有用液壓系統(tǒng)來控制雷達天線的俯仰機構的運動，當然還有其他的一些方法。
對高低角俯仰限制電路的研究分析，發(fā)現(xiàn)前人的設計思路主要有脈沖電路，也有用單片機來控制的。
1.3 課題研究內容及要求
本文綜合國內外雷達俯仰機構的設計，通過調研搜集資料，并運用所學知識，設計一種機械控制電路。要求雷達天線高低角工作范圍為-15—95度，當轉到接近最高和最低極限位置時，該電路自動去掉天線驅動電機上的控制電壓，并使天線很快被制動，防止機械和電機過荷損壞，起到保護作用。
2 雷達俯仰機構的設計參考
本設計對雷達天線俯仰機構不做重點設計，但是也應該有一個設計思路，本文研究了前人的設計思路，對其進行了簡單的分析。
現(xiàn)代車載式高機動雷達天線車具有工作及運輸2種狀態(tài)，即在工作時將天線舉升至一定高度，并將天線陣面翻轉至一定的俯仰角度，可以減小地面及車上設備對天線波束的影響；工作結束后將天線恢復到水平狀態(tài)或其它特定角度，整車外形尺寸滿足公路、鐵路運輸時不超高、不超寬的要求。
為滿足高機動雷達的機動性高、架設撤收迅捷的特性要求，需要一種能夠將天線在2種狀態(tài)間迅速轉換的狀態(tài)轉換機構技術。目前常用的狀態(tài)轉換機構技術主要有以下2種
1） “舉升轉臺 + 俯仰機構”式設計。如圖1（a）所示，通常采用機電液混合伺服傳動技術，轉臺與天線被同時舉高；
2） “俯仰機構 + 推舉天線”式設計。如圖1（b）所示，通常采用全機電伺服傳動技術，天線單獨運動，舉升機構為滑軌結構。
前者舉升高度較高，但機構復雜，維護要求高；后者機構設計相對簡單，但舉升高度有限，因滑軌結構的密封性不足，環(huán)境適應性較差，同時兩者都存在天線偏心大的缺點。
某型雷達系統(tǒng)要求在工作狀態(tài)時天線要滿足以下條件：
1） 能夠舉升至一定高度；
2） 有一定的預仰角；
3） 轉動時天線偏心量盡可能??；
4） 結構緊湊、控制方便、維護簡單。
論證表明，傳統(tǒng)的轉換機構已無法滿足要求，需要研制一種新的機構形式。文中提出了一種基于平面機構原理的傳動機構方案，可滿足上述要求。
2.1 新型機構的原理與結構方案
2.1.1機構工作原理
圖 2 為新型機構在運輸狀態(tài)下的運動簡圖。機構中，活動構件數(shù) n=6，低副 L=8，高副 H=0，機構自由度為
P=3n－2L－H=2
機構自由度數(shù)與主動件數(shù)相等，符合機構運動原理。
2.1. 2 新型機構結構方案
從提高系統(tǒng)的實用性與可靠性考慮，新型機構采用全機電伺服傳動技術方案。在具體的工程設計中，圖2中 6、7 為傳統(tǒng)的絲杠傳動機構，4、5 為單級電動缸（作為俯仰機構） ，2 為門架，機架1為轉臺的轉盤。上述部分在轉臺的驅動下做方位轉動，如圖 3 所示。
舉升機構與俯仰機構各為2套，分別同步運動，既可降低對天線骨架的剛性要求，又可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
2.1．3 機構工作過程設計
天線由運輸狀態(tài)轉換為工作狀態(tài)有以下 2 種運動方法可選：
1） 分步運動法。單級電動缸首先伸出到位，完成天線的俯仰運動，然后在絲杠傳動機構的驅動下，門架轉動到位，完成天線的舉升運動，分 2 步完成天線狀態(tài)的轉換。
2） 同步運動法。電動缸與絲杠傳動機構同時啟動，然后同時運動到位，一步即可完成狀態(tài)轉換。
逆向工作過程即可將天線由工作狀態(tài)轉換為運輸狀態(tài)。
方法 1） 控制簡單，但轉換過程中偏心現(xiàn)象較為明顯； 方法 2） 重心控制較好，但由于同時運動的構件較多，機構同步性要求較高，伺服控制難度較大。
考慮到機構的可靠性與控制的簡便性，最終確定采用分步運動控制方法，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。
2.2 機構載荷分析
依據分步運動方案，利用“多體動力學仿真分析軟件 ADAMS”分析運動過程中俯仰機構與舉升機構的載荷情況。
仿真工況分析：在實際工作中，在天線的重量分布不均勻以及機構運動同步性的差異等因素的影響下，2套俯仰、舉升機構在受力上會有所不同。但在分析時按受力相同、同步運動的理想工況考慮，分析結果如圖5 所示。
圖中紅色實線為俯仰機構單套載荷變化曲線，藍色虛線為舉升機構單套載荷變化曲線。從圖 5 中可以看出單套舉升機構最大載荷為
Fmax1=18 kN
單套俯仰機構最大載荷為
Fmax2=31 kN
2.3 舉升機構設計
舉升機構采用普通的絲杠傳動機構形式。絲杠傳動機構是將電機的旋轉運動通過螺旋傳動副（滑動或滾動螺旋副）的機械運動轉換為絲杠的直線運動，并利用伺服電機的閉環(huán)控制特性，實現(xiàn)對推力、速度和位置的精密控制。圖6為普通絲杠舉升機構結構示意圖。絲杠暴露在外，可為絲杠加裝防護罩，以增強絲杠的環(huán)境適應性。
2.3．1 設計計算
考慮到機構的自鎖要求，舉升機構使用梯形絲杠副結構形式，根據絲杠的剛強度要求，初選梯形絲杠參數(shù)為
公稱直徑 d=60 mm
導程 S=9 mm
根據上節(jié)分析結果，舉升機構最大載荷為18 kN，絲杠副的驅動力矩為
絲杠中徑： d2= 55.5 mm
導程角： γ=2.96°
當量摩擦角：ρv=5.91°
效率：
安全系數(shù)按1.5 倍考慮，則單套舉升機構的驅動力矩設計參考值約為130 N·m
舉升機構總行程約為430 mm，運動時間不大于1min，則梯形螺母的最低轉速為
根據以上計算結果，驅動電機初選1.5 kW 交流伺服電機，其額定力矩為4.77 N·