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 金矗賢，李東升，羅紅宇

 （北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京  100191）

摘要：介紹了一個(gè)新型的可以進(jìn)行偏焦測(cè)量的數(shù)控饋源定位裝置。該裝置利用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使得饋源相位中心實(shí)現(xiàn)橫向和縱向的高精度運(yùn)動(dòng)，緊縮場(chǎng)內(nèi)可以在偏焦?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行電磁測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中已經(jīng)確定了一條精確的偏焦軌跡線(xiàn)，并且已經(jīng)寫(xiě)入了控制程序，方便以后的實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)采用倍福Twin CAT軟PLC控制伺服電機(jī)精確地完成運(yùn)動(dòng)；上位機(jī)界面采用C#進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了較好的人機(jī)交互，方便了實(shí)際操作。該饋源定位裝置已經(jīng)在某緊縮場(chǎng)中得到了實(shí)際應(yīng)用，定位精度等也都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：緊縮場(chǎng)；饋源定位裝置；C#編程 中圖分類(lèi)號(hào)：TP273  

 0  引言

 饋源定位裝置是緊縮場(chǎng)中一個(gè)重要的組成部分，定位裝置的定位精度直接影響著饋源喇叭相位中心的定位精度。饋源相位中心在反射面焦點(diǎn)處發(fā)射的球面電磁波經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)拋物面板反射之后形成平面波，從而達(dá)到遠(yuǎn)場(chǎng)的測(cè)試要求。傳統(tǒng)的饋源定位裝置是固定式的，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單功能單一，無(wú)法滿(mǎn)足一些新型緊縮場(chǎng)的測(cè)試需求。

 在某緊縮場(chǎng)的設(shè)計(jì)研制過(guò)程中，需要完成左右偏焦測(cè)量任務(wù)，并且要求達(dá)到0.1 mm的定位精度。饋源系統(tǒng)擁有單饋源測(cè)量和雙饋源測(cè)量?jī)煞N工作方式，單饋源測(cè)量主要測(cè)量目標(biāo)天線(xiàn)的方向圖，饋源的相位中心位于拋物面焦點(diǎn)之上，當(dāng)偏焦測(cè)量時(shí)，饋源的相位中心位于一條特定的曲線(xiàn)上；雙饋源測(cè)量主要是測(cè)量目標(biāo)物體的雷達(dá)散射截面數(shù)據(jù)( RCS)，兩饋源對(duì)稱(chēng)分布，連線(xiàn)中點(diǎn)位于拋物面焦點(diǎn)之上，當(dāng)偏焦測(cè)量時(shí)，連線(xiàn)中點(diǎn)位于上述特定曲線(xiàn)上。在天線(xiàn)測(cè)量過(guò)程中，饋源需要完成特定角度極化以及特定速度繞軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)兩種動(dòng)作；在RCS測(cè)量過(guò)程中，兩個(gè)饋源喇叭需要完成特定角度極化動(dòng)作。所有極化旋轉(zhuǎn)都是需要自動(dòng)完成的，以提高工作效率。

1  饋源定位裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

 饋源定位裝置運(yùn)動(dòng)要求簡(jiǎn)圖如圖1所示。為了滿(mǎn)足左右偏焦的需求，饋源定位裝置需要實(shí)現(xiàn)以下3種運(yùn)動(dòng)：①饋源定位裝置在垂直于緊縮場(chǎng)電軸方向（以下稱(chēng)為橫向掃描運(yùn)動(dòng)軸）關(guān)于暗室對(duì)稱(chēng)，實(shí)現(xiàn)左、右各1450 mm的平移運(yùn)動(dòng)；②在前后方向（以下稱(chēng)為縱向補(bǔ)償軸）實(shí)現(xiàn)平移運(yùn)動(dòng)，范圍為相位中心往前150 mm，往后50 mm;③以饋源相位中心所在豎直線(xiàn)為旋轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)左、右各9。的旋轉(zhuǎn)調(diào)整運(yùn)動(dòng)。通過(guò)這3個(gè)運(yùn)動(dòng)，可以滿(mǎn)足饋源定位裝置精確定位饋源喇叭的位置，實(shí)現(xiàn)偏焦測(cè)量。

 為了實(shí)現(xiàn)饋源喇叭極化角的自動(dòng)調(diào)整以及天線(xiàn)測(cè)量時(shí)連續(xù)旋轉(zhuǎn)的功能，兩個(gè)饋源喇叭需要安裝到特定的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)上，利用程序精確控制每一個(gè)喇叭的極化轉(zhuǎn)角。

 經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)制造的饋源定位裝置總體結(jié)構(gòu)由安裝基板、橫向掃描運(yùn)動(dòng)軸、縱向補(bǔ)償軸、饋源喇叭、電控轉(zhuǎn)臺(tái)、調(diào)整機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。

 安裝基板是饋源定位裝置的安裝平臺(tái)，由3塊鋼板組成，每一塊鋼板通過(guò)定位孔安裝在預(yù)埋在地基中的地腳螺栓上，最后利用螺母進(jìn)行固定。

 橫向掃描運(yùn)動(dòng)軸的有效行程為3 000 mm，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)中要求左、右各1450 mm的移動(dòng)量。伺服電機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠帶動(dòng)負(fù)載平臺(tái)在精密直線(xiàn)導(dǎo)軌上完成準(zhǔn)確定位運(yùn)動(dòng)。橫向掃描運(yùn)動(dòng)軸安放在安裝基板之上，在裝調(diào)完畢以后通過(guò)壓緊裝置進(jìn)行固定。

  縱向補(bǔ)償軸的有效行程為260 mm，該軸是由伺服電機(jī)通過(guò)同步輪同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠帶動(dòng)負(fù)載平臺(tái)做高精度直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。該軸直接安裝在橫向掃描軸負(fù)載平臺(tái)之上，通過(guò)定位孔進(jìn)行精確定位，最終通過(guò)螺栓進(jìn)行固定。

  旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)采用了現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)中常用的RV減速器。減速器的輸入軸與輸出軸在同一軸線(xiàn)上，它的安裝法蘭通過(guò)定位孔安裝在補(bǔ)償軸的負(fù)載平臺(tái)之上。伺服電機(jī)與減速器高速軸通過(guò)同步輪同步帶進(jìn)行傳動(dòng)，最終伺服電機(jī)與減速器輸出軸之間通過(guò)一個(gè)特定的減速比精確控制。

  饋源數(shù)控極化轉(zhuǎn)臺(tái)采用了高精度渦輪蝸桿電控極化轉(zhuǎn)臺(tái)裝置。伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與蝸桿相連，通過(guò)一定的減速比精確帶動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)。渦輪的輸出盤(pán)與饋源喇叭架連接，帶動(dòng)饋源喇叭實(shí)現(xiàn)設(shè)定的極化定位。

1.2  定位裝置微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

  為了保證在裝調(diào)過(guò)程中能夠更加精確地進(jìn)行定位，在系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)兩個(gè)方面的微調(diào)機(jī)構(gòu)：①橫向掃描軸水平和平行微調(diào)機(jī)構(gòu)；②饋源相位中心高度微調(diào)機(jī)構(gòu)。

 當(dāng)橫向掃描運(yùn)動(dòng)軸安放在安裝基板上以后，整個(gè)裝置并不位于一個(gè)水平面以?xún)?nèi)，軸運(yùn)動(dòng)方向與暗室電軸方向不嚴(yán)格垂直，因此需要設(shè)計(jì)微調(diào)機(jī)構(gòu)，如圖3所示。掃描軸有3組共12個(gè)水平調(diào)節(jié)螺釘，通過(guò)調(diào)節(jié)每一個(gè)螺釘頂起高度，可以將運(yùn)動(dòng)軸調(diào)整在同一水平面內(nèi)，誤差在0.1 mm以?xún)?nèi)；有3組共6個(gè)平行調(diào)節(jié)螺釘，調(diào)節(jié)這3組螺釘，可以將軸的運(yùn)動(dòng)方向調(diào)整至與暗室電軸方向垂直。在調(diào)整完成之后，利用壓緊裝置，將運(yùn)動(dòng)軸固定在安裝基板之上。

  在饋源定位裝置安裝固定之后，需要對(duì)饋源相位中心高度做最后的微調(diào)，將高度調(diào)整至理論設(shè)計(jì)位置。所設(shè)計(jì)的高度調(diào)整裝置安裝在旋轉(zhuǎn)軸RV減速器與支撐斜臂之間，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

 高度調(diào)整裝置分成固定架、活動(dòng)架、螺柱以及鎖緊裝置，高度微調(diào)的量為26 mm。固定支架通過(guò)螺栓與減速器輸出軸安裝孔相連，高度固定不變。活動(dòng)支架與固定支架通過(guò)導(dǎo)柱進(jìn)行組裝�；顒�(dòng)支架內(nèi)有螺紋，與螺柱上的螺紋相配合。螺柱通過(guò)推力軸承安裝在固定支架內(nèi)部，當(dāng)旋轉(zhuǎn)螺柱時(shí)，活動(dòng)支架就能夠沿著螺柱上下運(yùn)動(dòng)，完成最后微調(diào)的過(guò)程。在微調(diào)完成后，用鎖緊螺釘將螺柱頂緊，高度固定。

2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1  控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

 該饋源定位裝置共有5個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，每一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸都采用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)�？刂葡到y(tǒng)中，采用了先進(jìn)的Twin CAT軟PLC作為控制中心。以工控機(jī)為核心，利用Ether CAT總線(xiàn)，將各模塊連接成一張網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。

 工控機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)Ether CAT總線(xiàn)將控制信息傳遞給端子模塊，然后再發(fā)送給每一個(gè)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器控制對(duì)應(yīng)的電機(jī)，完成精確的運(yùn)轉(zhuǎn)。在橫向軸與縱向軸兩端設(shè)置了行程開(kāi)關(guān)，以保證設(shè)備運(yùn)行安全。行程開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)信息通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)傳遞給端子輸入模塊。該方法實(shí)現(xiàn)了信息快速、準(zhǔn)確的雙向?qū)崟r(shí)交互。

2.2  控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

 本控制系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)分為底層PLC程序以及上位機(jī)人機(jī)交互界面兩部分。在系統(tǒng)中，PLC采用了倍福Twin CAT軟PLC，它融合了傳統(tǒng)硬PLC的功能和PC環(huán)境在數(shù)據(jù)、通信上的各種優(yōu)點(diǎn)，編程語(yǔ)言遵循IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)。在本控制程序中PLC采用了ST語(yǔ)言、FBD語(yǔ)言混合編程方法，使得PLC程序更加靈活。

 控制系統(tǒng)上位機(jī)界面采用了C#進(jìn)行編寫(xiě)，利用Windows窗體應(yīng)用程序編程技術(shù)，使得編程過(guò)程更加簡(jiǎn)單。在編程過(guò)程中，C#通過(guò)調(diào)用“Twin CAT. Ads.d11”這一動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)與Twin CAT程序建立通訊聯(lián)系。C#通過(guò)句柄與PLC程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞交換。該方法實(shí)現(xiàn)了通過(guò)C#程序控制Twin CAT程序中變量的功能，繼而實(shí)現(xiàn)了控制整個(gè)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)。天線(xiàn)測(cè)量控制界面和RCS測(cè)量控制界面如圖6和圖7所示，可以實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)測(cè)量以及RCS測(cè)量。RCS測(cè)量過(guò)程中，程序控制兩個(gè)饋源轉(zhuǎn)動(dòng)；天線(xiàn)測(cè)量過(guò)程中，程序只控制一個(gè)饋源轉(zhuǎn)動(dòng)。

3現(xiàn)場(chǎng)裝調(diào)

 饋源相位中心定位精度要求與拋物面焦點(diǎn)件誤差小于0.1 mm，利用激光跟蹤儀，結(jié)合專(zhuān)用的SA測(cè)量軟件，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，得到拋物面焦點(diǎn)坐標(biāo)為(0. 190 200,-1. 886 000，8 299. 899 400)，饋源相位中心的定位位置為（0.132 2，-0.187  88，8 299. 924 5），測(cè)量數(shù)據(jù)如圖8所示。計(jì)算得到相位中心位置與拋物面焦點(diǎn)之間位置距離為0. 063 mm，小于0.1 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)論

 該饋源定位裝置具有橫向平動(dòng)、縱向平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)功能，實(shí)現(xiàn)了偏焦測(cè)量。在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，選用了高精度滾珠絲杠和高精度直線(xiàn)導(dǎo)軌，保證了運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得運(yùn)動(dòng)控制更加容易、準(zhǔn)確�？刂栖浖�采用了C#和Twin CAT混合編程技術(shù)，使得編程更加靈活，既能夠?qū)崿F(xiàn)底層軟PLC技術(shù)的精確控制，也建立了一個(gè)很好的人機(jī)交互界面，使得實(shí)際操作簡(jiǎn)單方便。該饋源定位裝置的研發(fā)制造，為今后緊縮場(chǎng)更多新型饋源定位裝置的研制提供了很多參考。