应用于真实性检验试验的二维扫描机构设计

李宁杰 刘 瑞 李 丹 赵志杰 龙 澄

应用于真实性检验试验的二维扫描机构设计

李宁杰 刘 瑞 李 丹 赵志杰 龙 澄

（上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109）

为了完成外场真实性检验试验天线系统的扫描任务，设计了二维扫描机构。首先确定了机构二维运动方式，并设计了负载计算和控制系统。结果表明，二维扫描机构可以完成俯仰运动范围内的低速平稳运动和任意位置的精确定位，同时也能在方位范围内进行低速平稳回转和任意位置的精确定位，并顺利完成了外场真实性检验试验，为类似二维扫描机构设计提供了参考。

扫描机构；负载计算；电机选型；控制系统

1 引言

二维扫描机构及控制器系统为机电一体化产品，由俯仰驱动轴、旋转驱动轴、支撑机架和控制系统等组成[1，2]，其中，俯仰驱动轴由伺服电机[3]、伺服驱动器[4]、精密行星齿轮减速器[5]和伺服电动缸[6]等组成；旋转驱动轴由伺服电机、伺服驱动器和精密行星齿轮减速器等组成。为了完成外场真实性检验试验天线系统的扫描任务，二维扫描机构需具备以下功能：根据上位机指令，机构可进行俯仰和方位的连续扫描，扫描角度范围可设置；根据上位机指令，俯仰方向和方位方向可在指定的角度定位、锁定；机构按照上位机的读取指令实时反馈该扫描周期内的俯仰和方位扫描角度值；机构的定位和锁定时间可设置，如5s、10s和30s等。

2 总体设计

根据设计负载和性能指标要求，确定俯仰运动控制轴采用电动缸驱动、方位运动控制轴采用伺服电机加精密行星齿轮减速器驱动方式，同时根据负载的重心和天线承受的风力，计算电动缸和回转轴的运动负载，作为电动缸和回转轴的选型依据。本方案要求较高的定位精度、运行平稳性和非常高的可靠性，所以俯仰轴的驱动电动缸和方位轴的驱动电机均采用松下的交流伺服电机和驱动器，三维设计模型如图1所示。

图1 二维扫描机构三维模型

2.1 负载计算

2.1.1 俯仰轴的负载计算

根据天线的外形结构、重心位置和天线面承受的风力，可计算出电动缸所需输出力，二维扫描机构俯仰方向受力分布如图2所示。

图2 二维扫描机构俯仰方向受力分布图

由受力分布图可得，电动缸的所需输出力与各个负载力的关系为[7]：

风压产生的力[8]：

2.1.2 旋转轴的负载计算

图3 二维扫描机方位方向受力分布图

根据天线的外形结构、重心位置和天线面承受的风力，假设风力分别作用在两个天线面的一半的中心，两个天线承受的风力形成一个旋转扭矩，受力分布图如图3所示。即：

天线2的迎风面积为2=π1.22/4=1.13m2，可得天线2承受风力承受的力：

风2=2=0.244kN （7）

根据以上分析计算，得出电动缸的所需最小输出力要求为25.6kN，方位轴的负载扭矩最小为175.6Nm。

2.2 俯仰轴的驱动电机选型计算

根据电动缸的指标要求，综合考虑了电动缸的使用寿命、运行精度和运行噪音等因素，初步选定32mm×10mm的滚珠丝杆作为电动缸的传动元件。

俯仰=60VR1/（9）

俯仰=60VR1/3000r/min （10）

根据以上计算，分析可得伺服电机主要参数如下：

输出扭矩≥1.02Nm

最终选定松下的交流伺服电机，其主要参数如表1所示。

表1 俯仰向交流伺服电机主要参数

当选定驱动电机后，可确定电动缸的额定速度为：

V=俯仰/601=10mm/s （13）

电动缸的最低稳定速度为：

min=min/601=0.05mm/s （14）

转换成俯仰轴的运动角速度为：

俯仰=80V/180=4.4°/s （15）

俯仰=80V/180=0.022°/s （16）

由式（11）可得电动缸的输出力为：

2.3 方位轴的驱动电机选型计算

根据方位轴的指标要求，综合运行精度和运行噪音等因素，初步选定伺服电机+行星齿轮减速器作为方位轴的传动方式。

根据方位轴的速度要求≥40°/s，电机的额定转速为：

min方位=602min/360=667r/min （19）

表2 方位向交流伺服电机主要参数

3 二维扫描机构控制系统

二维扫描机构采用独立的PLC控制系统[10]，控制系统配置触摸屏，控制指令的设定、修改、操作和显示均在触摸屏上进行。如图4所示，控制系统采用AC220V的交流供电，控制器、触摸屏和电气元件均集成在控制箱内，通过航插和电缆与俯仰轴和方位轴的驱动伺服电机连接。控制系统配置有手动操作和自动操作两种模式，可分别对俯仰轴和方位轴进行手动点动操作和按照事先设定好的步距、角度和停止时间，自动完成整个运行过程。各个运动轴的运动参数均可以在触摸屏上实时显示。同时，控制系统具备多种安全保护功能，对于过载、过热、超速和超行程等均有报警和保护措施，确保二维扫描机构的使用安全。

图4 控制系统原理图

4 二维扫描机构调校与试验

由于外场真实性检验试验要求精度较高，试验样机组装完成后，需对二维扫描机构进行校零和自身精度测量。天线安装在天线安装架上，天线安装架与二维扫描机构螺接，为更好地测量二维扫描机构的精度，通过测量天线安装架的位置精度来表示二维扫描机构的精度。利用激光跟踪仪校零二维扫描机构，找到了二维扫描机构的方位零点和俯仰零点，同时测量了二维扫描机构的重复精度，结果如表3所示。通过表3可以看出，二维扫描机构的方位和俯仰零点误差均小于0.1o，定位精度误差小于0.1o，重复精度小于0.1o，满足外场真实性检验试验使用要求。

表3 二维扫描机构精度测量值 (o)

2020年10月，试验样机在湖边进行了外场试验，如图5所示，通过控制系统控制，二维扫描机构带动天线系统完成了连续扫描、定点扫描、俯仰扫描等任务，得到了有效试验数据，完成了真实性检验任务。

图5 二维扫描机构测量及实验

5 结束语

针对外场真实性检验试验的天线扫描任务，完成了二维扫描机构的设计。通过俯仰方向、方位方向的负载计算完成了电机的选型，同时设计完成了二维扫描机构控制系统，实现了机构根据上位机指令可进行俯仰和方位的连续扫描，可在指定的角度定位、锁定；并实时反馈该扫描周期内的俯仰和方位扫描角度值，顺利完成了外场真实性检验试验。未来，随着外场试验的增多和系统复杂性的增加，此二维扫描机构设计方法可以应用于更多的扫描机构设计。

1 曹德华. 一种快速二维扫描机构的设计研究[J].红外技术，2018，40(3)：241～245，268

2 李宁杰，刘瑞，邙晓斌，等. 土壤水探测天线扫描机构设计及精度测量方法[J].航天制造技术，2019(6)：19～23

3 Yamada H. AnalysisofaReluctanceServoMotor[J]. ThetransactionsoftheInstituteofElectricalEngineersofJapan.B,1985,105(8)：25～30

4 瑶瑶，仲崇权.伺服驱动器转速控制技术[J].电气传动，2014，44(3)：21～26

5 钱博.两级行星减速器动力学特性研究[D]. 重庆：重庆大学，2014

6 孙凤铭.电动缸伺服测试系统的设计与实现[D]. 南京：南京理工大学，2017

7 金江，袁继峰，葛文璇，等.理论力学[M]. 南京：东南大学出版社：2019

8 Kopp GA, Surry D, Chen K. Windloadsonasolararray[J]. WindandStructures,2002,5(5)：56～62

9 范国伟，韩玉停，史彦.同步电机原理及应用技术[M].北京：人民邮电出版社：2014

10 彭珍瑞，周志文. 电气控制及PLC应用技术[M].北京：人民邮电出版社：2017

Design of Two-dimensional Scanning Mechanism for Authenticity Verification Experiments

Li Ningjie Liu Rui Li Dan Zhao Zhijie Long Deng

(Shanghai Institute of Aerospace Electronic Communication Equipment, Shanghai 201109)

In order to complete the scanning task of the field authenticity test antenna system, a two-dimensional scanning mechanism is designed. Firstly, the two-dimensional motion mode of the mechanism is determined, and the load calculation and control system design are carried out. The results show that the two-dimensional scanning mechanism can achieve low-speed and smooth motion in the range of pitch motion and accurate positioning at any position. At the same time, it can rotate smoothly at low speed and locate accurately at any position in the azimuth range. And successfully completed the field authenticity test. It provides a reference for the design of similar two-dimensional scanning mechanism.

scanning mechanism；load calculation；motor selection；control system

S152.7

A

国家民用空间基础设施中长期发展规划项目（D010101）。

李宁杰（1989），硕士，机械工程专业；研究方向：载荷总体结构设计，驱动机构设计。

2021-03-18