周 紅，樊 雷，黃 琿

(成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司， 四川 成都 610051)

大型雷達(dá)天線六自由度自動(dòng)對接平臺(tái)設(shè)計(jì)*

周 紅，樊 雷，黃 琿

(成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司， 四川 成都 610051)

米波雷達(dá)具有天線口徑大、質(zhì)量重、需分離運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，目前天線的拼裝大多采用人工或吊車輔助的方式，耗時(shí)長且存在不安全因素。為解決米波雷達(dá)天線的快速拼裝難題，本文介紹了一種用于大型機(jī)動(dòng)型雷達(dá)天線的六自由度自動(dòng)對接平臺(tái)，對其工作原理、組合機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的論述。該平臺(tái)已用于某型雷達(dá)天線，實(shí)現(xiàn)了天線的自動(dòng)對接拼裝，提高了雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性。該平臺(tái)技術(shù)可為其他大型機(jī)動(dòng)雷達(dá)提供設(shè)計(jì)參考。

大型雷達(dá)天線；六自由度；自動(dòng)對接平臺(tái)

引 言

早在1947年，英國的Gough采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種六自由度的輪胎測試機(jī)，1965年，Steward設(shè)計(jì)了一種含有3個(gè)支鏈的六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)[1]，并提出將其應(yīng)用于飛行模擬器，向世界第一次展示了六自由度平臺(tái)技術(shù)。隨著多年來該平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展，該裝置較多應(yīng)用于航天飛行器對接、戰(zhàn)機(jī)空中加油、工業(yè)機(jī)械臂、振動(dòng)試驗(yàn)室及飛行模擬器等設(shè)備上。

六自由度平臺(tái)在國內(nèi)已發(fā)展多年，一直是國內(nèi)科研院校傳動(dòng)及控制技術(shù)領(lǐng)域的熱門技術(shù)。國內(nèi)多所科研院校都已研制出了較為完善的六自由度平臺(tái)，燕山大學(xué)的黃真、清華大學(xué)的汪勁松、北京交通大學(xué)的方躍法等先后用不同的方法對六自由度和少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，并取得了重要的成果[1]。國內(nèi)航空航天研制單位基于這些理論成果衍生出多種對接裝置，應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域。

米波雷達(dá)由于其作用距離遠(yuǎn)，具有反隱身、抗反輻射導(dǎo)彈的能力，近年來得到了廣泛的應(yīng)用。俄羅斯率先開展新型米波雷達(dá)的研究，在我國也是近年來國土防空武器領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。米波雷達(dá)天線通?？趶酱螅|(zhì)量重，運(yùn)輸時(shí)需要分塊或分部分由多輛車進(jìn)行運(yùn)輸，到達(dá)陣地后大多需要使用吊車或隨車吊進(jìn)行拼裝，如俄羅斯的天空、首領(lǐng)等大型米波雷達(dá)都是采用人工拼裝或吊車輔助拼裝天線，操作復(fù)雜且存在不安全因素。雷達(dá)機(jī)動(dòng)性能較差，戰(zhàn)情緊急時(shí)無法實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)布防和撤離，影響了雷達(dá)作戰(zhàn)效能的發(fā)揮甚至威脅到雷達(dá)的生存。

我國幅員遼闊，地形復(fù)雜，戰(zhàn)略防御區(qū)域分布廣，為提高雷達(dá)探測效能和生存能力，雷達(dá)機(jī)動(dòng)性非常重要，可通過裝載與運(yùn)輸設(shè)計(jì)大力提高地面雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性[2]。由于米波雷達(dá)的固有特點(diǎn)，相比微波雷達(dá)，機(jī)動(dòng)性更難實(shí)現(xiàn)。國內(nèi)各雷達(dá)承制廠所均將米波雷達(dá)的天線快速架撤技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，發(fā)展米波雷達(dá)天線的快速拼接技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。將六自由度平臺(tái)技術(shù)運(yùn)用到雷達(dá)天線的拼裝上，具有重大意義，但研究還處于初始階段。

文中米波雷達(dá)天線陣面寬15 m、高19 m，陣面上集成了發(fā)射、波控、接收等設(shè)備，重量達(dá)27 t。陣面采用分塊式設(shè)計(jì)，分為中塊和兩個(gè)邊塊，分塊可折疊，由半掛車運(yùn)輸。該雷達(dá)要求架設(shè)/撤收時(shí)間為1 h/16人，如何快速安全地完成陣面天線的拼裝，是急待解決的難題。文中設(shè)計(jì)了一種六自由度的天線對接平臺(tái)，安裝在邊塊天線運(yùn)輸車上，能夠?qū)崿F(xiàn)邊塊天線與中塊天線的自動(dòng)對接拼裝，詳細(xì)敘述了該平臺(tái)的設(shè)計(jì)及工作原理。

1 對接平臺(tái)組成及工作原理

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)及參數(shù)

1)在Y方向(車長方向)平移500 mm，繞Y軸旋轉(zhuǎn)±10°；

2)在X方向(車寬方向)平移800 mm，繞X軸旋轉(zhuǎn)±3°；

3)在Z方向(車高方向)移動(dòng)950 mm，繞Z軸旋轉(zhuǎn)±5°；

4)舉升重量≤5 t。

1.2 組成及工作原理

面陣邊塊天線折疊成3層裝在半掛運(yùn)輸車上(圖1)，邊塊天線由對接平臺(tái)承載，平臺(tái)整體用螺栓固定在邊塊車的大梁上。為實(shí)現(xiàn)邊塊天線與中塊天線的對接，邊塊天線的裝載平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)六自由度的運(yùn)動(dòng)。該對接平臺(tái)由組合機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、位置測量及校準(zhǔn)裝置組成。

圖1 邊塊車示意圖

雷達(dá)運(yùn)輸?shù)竭_(dá)陣地后，由控制系統(tǒng)控制液壓執(zhí)行系統(tǒng)使中塊車調(diào)平，中塊天線展開，然后再控制組合機(jī)構(gòu)的六自由度運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)固定于組合機(jī)構(gòu)上的天線做六自由度運(yùn)動(dòng)，在位置測量及校準(zhǔn)裝置的引導(dǎo)下，使邊塊天線與中塊天線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對接。

2 平臺(tái)組合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[3]

組合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為底座加4層平臺(tái)，底座與邊塊天線掛車大梁相連。底座上設(shè)計(jì)有4只油缸，可實(shí)現(xiàn)邊塊車調(diào)平、組合機(jī)構(gòu)繞X、Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿Z軸方向的移動(dòng)。底座與第一平臺(tái)間設(shè)有平行四邊形機(jī)構(gòu)及液壓舉升油缸，可實(shí)現(xiàn)車高和車寬方向的位移。第一平臺(tái)設(shè)有沿車長方向的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副和油缸，可實(shí)現(xiàn)車長方向的位移。第二平臺(tái)設(shè)有沿車寬方向的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副和油缸，可實(shí)現(xiàn)車寬方向的位移。第三平臺(tái)設(shè)有滾動(dòng)軸承和與車寬方向成一定夾角的油缸，可實(shí)現(xiàn)繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。邊塊天線固定在第四平臺(tái)上。由于公路運(yùn)輸高度的限制，對接平臺(tái)的高度尺寸需嚴(yán)格控制。平臺(tái)組合機(jī)構(gòu)見圖2，平行四邊形舉升機(jī)構(gòu)見圖3。

圖2 平臺(tái)組合機(jī)構(gòu)示意圖

圖3 平行四邊形舉升機(jī)構(gòu)示意圖

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成

液壓系統(tǒng)安裝在邊塊車車尾，該系統(tǒng)與裝載中塊天線的主車調(diào)平翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)共用一個(gè)液壓源，系統(tǒng)由調(diào)平回路、舉升回路、平推回路、方位旋轉(zhuǎn)回路及單雙向平衡閥、同步閥、單雙向調(diào)速閥、三位四通換向閥等組成。

3.2 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)與主車共用液壓源，采用雙聯(lián)齒輪泵，流量為25 ml/r和4 ml/r，電機(jī)功率5.5 kW。其液壓原理如圖4所示。

圖4 對接平臺(tái)液壓原理圖

調(diào)平回路由4組完全相同的回路組成，每個(gè)回路均由1個(gè)三位四通換向閥、液控單向閥、單向調(diào)速閥、背壓閥組成。換向閥用于動(dòng)作控制，實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)和停止運(yùn)動(dòng)；單向調(diào)速閥調(diào)節(jié)油缸運(yùn)動(dòng)速度，保證調(diào)平腿在收回時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；背壓閥用于平衡正向負(fù)載并調(diào)節(jié)4個(gè)支撐腿的載荷。

舉升回路由2只舉升油缸、2個(gè)單雙向平衡閥、1個(gè)同步閥、1個(gè)單雙向調(diào)速閥、1個(gè)三位四通換向閥組成，完成平行四邊形機(jī)構(gòu)的舉升，單雙向調(diào)速閥可實(shí)現(xiàn)舉升動(dòng)作的雙向調(diào)速。

平推回路包含車寬方向平推回路和車長方向平推回路。車寬向平推回路由2只平推油缸、節(jié)流閥、三位四通換向閥組成，完成平臺(tái)沿車寬方向的平移；車長向平推回路組成相同，完成平臺(tái)沿車長方向的平移。

方位旋轉(zhuǎn)回路由1只油缸、節(jié)流閥、三位四通換向閥組成，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)繞Z軸的小角度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。高/低速切換回路由二位換向閥和節(jié)流閥組成，實(shí)現(xiàn)天線的高/低速切換。

3.3 系統(tǒng)參數(shù)

該系統(tǒng)與主車共用液壓源，壓力為12 MPa。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，調(diào)平油缸缸徑80，桿徑55。舉升油缸缸徑90，桿徑63。平推油缸缸徑50，桿徑28。回轉(zhuǎn)油缸缸徑50，桿徑25。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[4]

4.1 組成及功能

控制系統(tǒng)由檢測子站、主控分機(jī)和遠(yuǎn)端控制盒(總站)組成。主控分機(jī)安裝在掛車底盤上，檢測子站安裝在天線上，遠(yuǎn)端控制盒用電纜與主控分機(jī)連接。控制系統(tǒng)組成示意圖見圖5。

圖5 控制系統(tǒng)組成示意圖

檢測子站分為2種，一種稱為檢測模塊，分布于各天線面陣上、主控分機(jī)中，主要就近完成所在位置接近開關(guān)、壓力繼電器的狀態(tài)檢測；另一種稱為控制模塊，分布于主控分機(jī)中，主要就近完成電磁換向閥的控制。

遠(yuǎn)端控制盒通過RS-485串行接口與分布于天線面陣上各個(gè)部位的檢測模塊、控制模塊相連，完成所有檢測結(jié)果的收集和動(dòng)作控制命令的發(fā)出。

系統(tǒng)通過接收接近開關(guān)、壓力繼電器的信號(hào)，控制液壓系統(tǒng)的電磁閥，使邊塊天線在X、Y、Z方向上進(jìn)行六自由度運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)邊塊與中塊天線的對接以及對接后的鎖緊。系統(tǒng)還可控制天線的折疊、翻轉(zhuǎn)、調(diào)平等動(dòng)作，完成快速、安全架設(shè)/撤收天線的功能。

4.2 控制方式

系統(tǒng)采用分布式檢測、集中控制的設(shè)計(jì)方式。系統(tǒng)由分布于各處的多個(gè)檢測子站和1個(gè)總站，以及連接子站和總站的通訊電纜組成。每個(gè)子站自身都能獨(dú)立工作，也能接收總站的控制命令。

各子站不斷對輸入的檢測信號(hào)進(jìn)行檢測。總站則根據(jù)各子站上報(bào)的檢測結(jié)果，對相應(yīng)子站發(fā)出控制命令，各子站與總站之間的通訊采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)的半雙工通訊方式，通訊波特率選擇為9 600 bps。為了提高通訊的可靠性，總站與子站之間的所有通訊命令數(shù)據(jù)都需經(jīng)過校驗(yàn)，子站對總站的任何命令均有回應(yīng)。

遠(yuǎn)端控制盒是系統(tǒng)的控制中心，操作者可以通過總站(遠(yuǎn)端控制盒)隨時(shí)了解整個(gè)天線面陣各個(gè)被檢測點(diǎn)的狀態(tài)，并可以采用人機(jī)交互式單步或自動(dòng)程控方式完成整個(gè)天線折疊、對接、鎖緊等動(dòng)作。

4.3 控制單元

4.3.1 檢測模塊

檢測模塊放置在天線上，以單片機(jī)為檢測核心，其輸入檢測信號(hào)與通訊接口均通過光電隔離后再與單片機(jī)連接。為了最大程度減化設(shè)計(jì)，提高檢測模塊的可靠性，被檢測信號(hào)經(jīng)過光電隔離后，直接送入單片機(jī)的I/O口。每個(gè)檢測模塊設(shè)計(jì)為8路檢測通道。

檢測模塊結(jié)構(gòu)外形上設(shè)計(jì)為全封閉盒形式，所有輸入輸出接口均通過插座與外部連接。

4.3.2 控制模塊

控制模塊接收遠(yuǎn)端控制盒的控制命令，就近完成所控電磁換向閥的控制動(dòng)作。

控制模塊以單片機(jī)為控制核心，輸入檢測信號(hào)與通訊接口均通過光電隔離后再與單片機(jī)連接。由于電磁換向閥的控制保持電流較大，控制模塊輸出通過一個(gè)小型繼電器進(jìn)行過渡。

控制模塊結(jié)構(gòu)外形上也設(shè)計(jì)為全封閉盒形式，所有輸入輸出接口均通過插座與外部連接。

4.3.3 遠(yuǎn)端控制盒

遠(yuǎn)端控制盒主要由單片機(jī)、操作鍵盤、狀態(tài)顯示屏、RS-485串口電路等部分組成。

遠(yuǎn)端控制盒的狀態(tài)顯示屏采用液晶顯示屏，以文字和圖形的方式顯示天線面陣上所有被檢測點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)。并可顯示當(dāng)前控制動(dòng)作所進(jìn)行的步驟，以及控制操作提示。

遠(yuǎn)端控制盒的操作鍵盤上提供“自動(dòng)/手動(dòng)”、“折疊/展開”、“停止”、“復(fù)位”、“啟動(dòng)”等功能按鍵。操作者結(jié)合狀態(tài)顯示屏的內(nèi)容，可以利用遠(yuǎn)端控制盒完成對天線折疊、對接、鎖緊等所有動(dòng)作的控制。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種六自由度自動(dòng)對接平臺(tái)，它采用對接方式完成大型雷達(dá)天線中塊與邊塊的自動(dòng)對接拼裝，與傳統(tǒng)人工拼裝、吊裝方式相比，具有安全、快捷、方便的特點(diǎn)，已用于某型雷達(dá)天線，提高了雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性，使用效果良好。

該平臺(tái)技術(shù)可推廣到其他大型雷達(dá)天線，也可為其他大型機(jī)動(dòng)雷達(dá)的架設(shè)/撤收提供設(shè)計(jì)參考。

由于是初次將六自由度技術(shù)用于雷達(dá)天線的拼裝，在天線姿態(tài)檢測和距離測量上采用的是水平傳感器和接近開關(guān)，控制精度和智能化有待提高。我們將在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出控制更精準(zhǔn)、智能化程度更高的天線對接平臺(tái)，滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭對雷達(dá)機(jī)動(dòng)性、智能化的要求。

[1] 朱大昌. 基于并聯(lián)支撐機(jī)構(gòu)的車載雷達(dá)天線自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2008.

[2] 張潤逵, 成仁心, 張樹雄. 雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

[3] SCLATER N, CHIRONIS N P. 機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用機(jī)構(gòu)與裝置圖冊[M]. 鄒平, 譯. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

[4] 張利平. 液壓控制系統(tǒng)及設(shè)計(jì)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.

周 紅(1964-)，女，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

樊 雷(1979-)，男，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

黃 琿(1968-)，男，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

Design of Automatic Docking Platform with Six Degrees of Freedom for Large Radar Antenna

ZHOU Hong，F(xiàn)AN Lei，HUANG Hui

(JinjiangInformationIndustryCo.,Ltd.ofCEC,Chengdu610051,China)

Meter-wave radar has large antenna and big mass, and needs disassembly for transport. Manual operations or crane aid are usual ways to assemble the antenna, but these ways take much time and have less safety. To realize the fast assembly of this antenna, this paper introduces an automatic docking platform with six degrees of freedom for large mobile radar antenna, and discusses its working principle, combined mechanism, hydraulic system, control system, and so on in detail. The platform has been used in certain radar antenna. It realizes the automatic antenna docking, increasing the radar mobility. The techniques of this platform can provide design reference for other large mobile radars.

large radar antenna; six degrees of freedom; automatic docking platform

2014-06-25

TN820.8

A

1008-5300(2014)05-0025-04