双丝杠螺母机构驱动天线俯仰运动卡死现象的原因分析及解决方法

摘要：本文对双丝杆螺母机构驱动天线俯仰运动出现卡死现象的原因进行了分析，推导出了丝杆伸缩长度差异的计算公式，给出了数值解，并提出了消除运动卡死的方法。

关键词：双丝杆;螺母;支耳;同轴度

引言

雷达由运输状态转为工作状态或由工作状态转为运输状态时，为满足工作或公路、铁路、水路、航空运输的要求，天线需作俯仰和折叠。有些雷达系统采用的是双丝杆螺母机构驱动天线俯仰。天线在俯仰过程中会出现卡死现象，影响了雷达的使用。本文从工程角度出发，用数学方法诠释天线俯仰过程卡死现象产生的机理、通过公式推导，给出不同公差数值情况下的数字解，并提出解决方法。

1天线俯仰运动卡死现象原因分析

双丝杆驱动天线俯仰，一般在天线骨架背部上、下各安装2个支耳。上部支耳联结丝杆，下部支耳联结转台支耳;丝杆杆体旋合于俯仰减速器驱动螺母，减速器通过支耳安装在转台上。通过电机、减速器驱动螺母的正、反转动，即可实现天线绕转台支耳的上仰或下俯。

丝杆在天线俯仰过程中，提供俯仰力。在工作状态时，丝杆作为受力件支承天线工作。双丝杠驱动天线俯仰示意图如图1所示。

在安装天线骨架背部4个支耳时，很难做到完全同轴。如果下部支耳不同轴，当同轴度误差大于支耳孔和轴销的间隙公差时，因天线俯仰轴不在一根直线上，天线背架与下部左右2个支耳孔中心形成三角形，由于天线背架为稳定的刚性结构，天线就无法俯仰，这可及时发现并予以纠正。

当骨架背部上部左、右2个支耳同轴度误差较小时，在丝杆的推动下，天线可以绕骨架下部的支耳轴转动，实现俯仰。当俯仰角度较大或驱动电机不同步时，有可能会出现卡死现象，下面针对这一情况进行理论分析和公式推导。

假设：天线骨架下部2个支耳同轴，2套俯仰减速器4个支耳同轴，且骨架下部支耳孔中心与减速器支耳孔中心平行;天线骨架上部2个支耳不同轴，其同轴度误差为Δ;天线骨架下部支耳孔中心与上部2个支耳孔中心距离分别为L1和L2。在运输状态，天线骨架上部2个支耳孔中心到减速器支耳孔中心的距离分别为L3和L4;天线骨架背部4个支耳孔中心在一个平面内，与俯仰减速器支耳孔中心连线的夹角为α，如图2所示。当天线上仰角度为β时，天线骨架上部2个支耳孔中心到减速器俯仰支耳孔中心的距离分别为L5和L6，如图3所示。

运输状态下2根俯仰丝杆的长度差δ_初始=L₄-L₃，如图2所示。

俯仰过程中2根俯仰丝杆的长度差δ_俯仰=L₆-L₅，如圖3所示。

如果δ_初始和δ_俯仰差值始终相同，则天线可以顺利俯仰;如果δ_初始和δ_俯仰数值不同，当数值差较大时，俯仰过程中可能会卡死，下面结合图2和图3来推导俯仰过程中2根丝杆长度差的变化情况，以确认是否会出现卡死现象。

2丝杆长度变化公式推导

由公式（1）和公式（2）可知，随着天线上仰或下俯，两式的计算结果不同;即随着β角的变化，δ俯仰差值不断变化。但由于2个俯仰减速器同步转动，2个丝杆同步伸长或缩短，在俯仰过程中长度差固定不变，无法满足公式（2）长度差随俯仰角变化而变化的几何要求。因此当长度差较大时，就会出现卡死现象，这就是俯仰运动卡死的原因和机理。

以上结果是基于天线背架上部2个支耳，上、下不同轴推导出的计算公式。只要天线骨架上部有2个支耳，无论在哪个方向不同轴，运用数学方法都可以推导出类似的计算公式，得出相同的结论。

即便天线骨架上部的2个支耳同轴，但因双电机驱动时，电机动态响应特性存在差异，在确定的时间内，两个电机转动的圈数不可能完全一致，即2根丝杆的伸缩不一致，因而造成了骨架上部2个支耳不同轴。随着天线俯仰次数的增加，2个支耳的不同轴度逐渐加大，当2个支耳的不同轴度误差大到天线骨架扭曲变形不足以抵消其同轴度误差时，就会出现卡死现象，这也就是双丝杆驱动天线的俯仰在使用一段时间后会出现卡死现象的原因。

3数值解

以下根据公式（2），当设L1=1000，Δ=1，α=5?时，δ随β变化数值解，见下图4：

同理可以分析，L1、Δ和α不同时，δ随β变化数值解。通过分析可以得出，影响丝杆长度差变化的主要因素是支耳的不同轴度，其它结构要素因影响较小，可忽略不计。天线俯仰上支耳不同轴度越大，随着天线上仰角的增大，2个丝杆的长度差也会增大，也越容易出现卡死现象。

4 卡死现象解决方法

通过以上原因分析、公式推导及数值解可知，采取以下措施，可有效消除卡死现象：

1）在安装天线骨架背部支耳时，上部左右2个支耳、下部左右2个支耳及俯仰减速器4个支耳应使用工装以保证同轴，且3根轴线应保证相互平行;

2）天线俯仰最好采用1个电机驱动;

3）当用2个电机驱动时，应选用动态响应特性一致的电机，并用主从编码器控制两个电机同步转动。

5 结束语

本文以公式及数值解的形式阐述了双丝杠螺母机构驱动天线俯仰时会出现运动卡死现象的原因，并从工程角度给出了解决方法。

参考文献

[1]闻邦椿.机械设计手册.机械工业出版社，2010年1月.

[2]朱孝录.机械传动设计手册.电子工业出版社，2007年10月.

作者简介：黄自祥 男，1975年出生，高级工程师，长期从事雷达总体结构设计及科研生产管理工作。