（测试计量技术及仪器专业论文）雷达天线转轴垂直度检测系统.pdf

雷达天线转轴垂直度检测系统 摘要 雷达工作时，对其天线转轴相对于水平面的垂直度有很高的要求。现代雷 达多采用分块运输，到达工作地点后进行组装，在雷达天线转轴安装完成后， 要求能够快速测量出转轴的垂直度误差，并将其调整至一定范围内。雷达天线 转轴属于大型回转轴，对其垂直度的测量目前没有十分有效的方法。以往的测 量和调整是由工作人员携带水平仪在转轴顶端进行测量，然后凭经验得出转轴 底座四个螺钉脚所需调整量，因为无法准确得到转轴的倾角，所以调整效率比 较低下。因此本学位论文应某研究所的委托，研制了一套可以对雷达转轴垂直 度进行高精度检测并给予调整指导的测量系统。具体研究内容如下： 1 提出了一种新型的测量原理，并建立了计算转轴倾角和底座各脚调整量的 数学模型，即通过水平仪旋转一周出现的最大值和最小值确定转轴倾斜角，并 根据转轴倾斜角、倾斜方位以及转轴底座的结构计算出底座各地脚螺钉的调整 量。 2 根据测量精度的要求选用了高精度二维电子水平仪作为核心测量器件，其 测量数据通过摄像系统获取，并且为了弥补电子水平仪量程小的不足，研制了 能够使水平仪工作在高分辨率范围内的二维可调节平台。为了满足测量系统外 部无信息线缆的要求，摄像系统的数据传输和实现平台微调的步进电机控制均 采用了无线通讯技术。 3 为了满足测量系统便携性和可持续工作的要求，在测量箱内集成了蓄电 池。根据系统充电及使用方便和结构紧凑的要求，完成了测量系统和辅助系统 在测量箱内的整体布局设计。 4 使用英国r p i 公司的d p 3 0 0 精密转台模拟了倾斜转轴，对测量系统进行了 标定，所得结果验证了测量系统的正确性及有效性。 关键词：立轴垂直度误差，高精度测量，高效调整，无线通讯 r a d a ra n t e n n ar o t a t i n ga x i sp e r p e n d i c u l a r i t ym e a s u r i n gs y s t e m a b s t r a c t i th a sar e q u i r e m e n to fh i g hp r e c i s i o no fr a d a ra n t e n n aa x i sp e r p e n d i c u l a r i t y d u r i n gr a d a rr u n n i n g m o d e r nr a d a ri so f t e nt r a n s p o r t e di ns e p a r a t ep a r t sa n db e i n s t a l l e dw h e na r r i v ew o r k i n gf i e l d ，a n di t sp e r p e n d i c u l a r i t yn e e d st ob em e a s u r e d a n d a d ju s t e d r a d a ra n t e n n aa x i sb e l o n g st ol a r g er o t a t i o na x i s ，w h o s e p e r p e n d i c u l a r i t y i sd i f f i c u l tt om e a s u r e s o m eo ft h o s em e a s u r e m e n t sw h i c h d e m a n dh i g hp r e c i s i o na r ec o m p l e t e di nc a t c h i n gl e v e li n s t r u m e n to nt ot h ea x i sb y w o r k e r ，a n dt h eo f f s e ti sg i v eb yw o r k e r sw i t ht h e i re x p e r i e n c e ，w h i c hm e a n sl o w e f f i c i e n c y , l o wa c c u r a c y a n dh i g h i n t e n s i t yo rd a n g e r f o rt h er e q u e s to fa i n s t i t u t i o n ，w ed e s i g n e dam e a s u r i n gs y s t e mw h i c hc a nm e a s u r ep e r p e n d i c u l a r i t yo f r a d a ra n t e n n aa x i si nh i g hp r e c i s i o na n dg i v ea c c u r a t ea d ju s ti n s t r u c t t h ed e t a i l s a r ea sf o l l o w i n gp a r t ss h o w e d ： 1 b r i n gu pan e wm e a s u r i n gp r i n c i p l ea n db u i l du pt h em a t h e m a t i cm o d e lo f c a l c u l a t i n gp e r p e n d i c u l a r i t ya n do f f s e to ft h ea x i s ，w h o s ed e t a i li sm e a s u r i n gw i t ha s p i r i tl e v e la n dc a l c u l a t et h ei n c l i n ea n g l ef r o mt h em a xa n dm i nv a l u eo ft h es p i r i t l e v e ld a t e ，t h e nc a l c u l a t et h eo f f s e tw i t hi n c l i n ea n g l ea n di t sp o s i t i o n 2 a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e dp r e c i s i o nah i g h2 ds p i r i tl e v e li sc h o s e na st h e m e a s u r i n gc o r eo ft h es y s t e m ，a n dt om a k eu pf o rt h ed i s a d v a n t a g eo ft h es p i r i t l e v e l ，a na d ju s t a b l ep l a t f o r mi sd e s i g n e dt om a k es u r et h a tt h es p i r i tl e v e lw o r k si n i t s h i g hr e s o l u t i o ns t a t u s f o rt h er e q u e s to fn o w i r eo u t s i d et h es y s t e m ，d a t e t r a n s f e ra n ds t e p m o t o ri np l a t f o r ma c c u r a t ea d ju s t m e n ts t r u c t u r ea r eb o t hc a r r yo u t w i t hw i r e l e s st e c h n o l o g y 3 f o rt h er e q u e s to fp o r t a b l ea n dc o n t i n u a lw o r k ，t w ob a t t e r ya r ei n s t a l l e di n t h es y s t e m f o rc o n v e n i e n tu s i n ga n dc o m p o s es t r u c t u r e ，d e i g n e dt h ed i s t r i b u t e s t r u c t u r ea n dc h a r g e u s i n gc i r c u i t 4 u s i n gad p 3 0 0h i g hp r e c i s i o nr e v o l v i n gs t a g et os i m u l a t ea na x i sa n dv e r i f i e d t h em e a s u r i n gs y s t e m t h er e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mc a nm e a s u r et h e p e r p e n d i c u l a r i t yo fl a r g ea x i sc o r r e c t l ya n dp r e c i s e l y k e y w o r d s ：a x i sp e r p e n d i c u l a r i t y ，h i g hp r e c i s i o n ，r a p i da d j u s t ，w i r e l e s s 插图清单 图1 1 雷达天线及转轴结构简图1 图2 1 测量原理示意图3 图2 2 极限位置所处铅垂面示意图4 图2 3 倾斜转轴在水平面投影方位示意图5 图2 4 测量系统结构简图5 图2 5 系统使用方案示意图6 图3 1 气泡水平仪摆放位置7 图3 2 水平仪实物图8 图3 3 固定支撑杆9 图3 4 微调结构1 0 图3 5 步进电机外型及参数1 l 图3 6 粗调结构1 2 图3 7 可调节平台整体图1 3 图3 8s o n y 高清无线摄像头1 4 图3 9 软件数据处理界面1 5 图4 1c c f l 灯管及逆变器1 7 图4 2l e d 灯管1 8 图4 3 电磁铁实物图1 8 图4 4 电磁铁按键示意图- 1 9 图4 5n r f 9 0 3 模块1 9 图4 6n r f 9 0 3 引脚图2 0 图4 7s h - 2 0 4 0 3 型步进电机驱动器2 l 图4 8 步进电机系统连接图2 2 图4 9 发送端原理图2 2 图4 1o 接收端原理图2 3 图4 1 l 步进电机遥控流程2 3 图4 12 软件控制部分2 4 图4 13 串口控制面板2 4 图4 14 系统总体电路图2 5 图4 15 系统整体布局图2 7 图4 16 系统实物图2 9 图5 1d p 3 0 0 转台3 0 表 表 表 表 表格清单 水平仪技术参数7 n r f 9 0 3 引脚定义2 0 标定实验一( 两块钢块垫高) 3 1 标定实验二( 一块钢块垫高) 3 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得佥旦巴王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 糠涨警稚和7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金星尽王些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 弥迕 签字日期：弘2 p 年月矽日 学位论文作者毕业后去向： 1 1 1 作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：年月日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在我的导师余晓芬教授的悉心指导下完成的。无论是论文的选题、 设计方案的选择、机械机构设计、系统整体设计，还是论文的撰写等等，余晓 芬教授都给予我细致的帮助和指导，解答了大量的疑难问题，倾注了许多心血。 余晓芬教授不仅是我的导师，更是一个时时刻刻都在关心我的长辈。余老师渊 博的知识、严谨的治学态度、务实的作风和积极的精神时刻都影响着我，使我 终生受益。在此，我要衷心感谢我的导师余晓芬教授，感谢余老师对我的教育 和培养。 在课题研究阶段，我还得到了仪器科学与光电工程学院许多其他老师的支 持，以及王标、马文平、李勋涛、李志强和于东浩等同学的帮助，他们良好的 学习态度，积极进取的精神给我提供留下了深刻的印象，在此表示衷心的感谢。 以此论文献给所有关心、帮助、爱护我的家人、同学、老师和我的朋友! 作者：张埏 2 0 1 0 年0 4 月2 7 日 第一章绪论 1 1 研究背景 雷达天线转轴是雷达天线中极其重要的一部分，是雷达天线的支撑和定向 装置，通过它实现天线的运转、定位、定向等功能。图1 1 为雷达天线及转轴 结构简图。现代雷达由于有移动作战的要求，多采用分块运输的方式，到达作 战地点后，再进行组装。组装完成后天线将随转轴带动升起到达指定位置，并 与转轴保持相对静止，由转轴旋转带动进行全方位扫描。根据雷达测量要求， 天线升起工作以后，天线阵面的倾角须保持不变，而在天线阵面旋转的过程中， 转轴相对水平面的垂直度误差将导致天线阵面倾角发生改变，因此对转轴垂直 度的检测显得尤为重要。实际中要求天线转轴的垂直度误差在3 以内，检测 得到到转轴的垂直度误差后还须给出调整指导，通过调节底座下方的4 个可调 地脚螺钉使转轴垂直。 图1 1 雷达天线及转轴结构简图 大型雷达的天线转轴直径达数米，高度能够达到数十米，属于大型回转轴 的范畴。目前对雷达天线转轴垂直度的测量存在着很多困难，这些困难主要体 现在：雷达一般工作在野外，环境较为恶劣，很多实验室条件下可以使用的仪 器无法进行测量；在作战时要求雷达能够快速进入工作状态，很多测量方法不 能满足；测量需要在雷达转轴旋转过程中进行，测量仪器无法固定，且不能有 电线连接；雷达在旋转过程中由于外在因素仍有可能使转轴偏斜，必须要能对 转轴垂直度进行持续实时的检测；很多测量方法即使能够测量出转轴的不垂直 度，也无法给出快速有效的调整方案。 目前能够完成测量任务的方法为经纬仪测量法和水平仪测量法。经纬仪测 量是坐标测量法的一种，需要在离被测对象一定距离的位置放置两台经纬仪， 并在被测对象上安装靶，利用经纬仪测量出靶的空间坐标，虽然能够完成测量， 但使用该方法测量转轴垂直度时，需要安装多个靶，并进行多次测量，不仅要 消耗较多的时间，无法完成快速的测量，而且测量精度不高，也不易给出调整 方案。水平仪测量法是比较有效的方法，因为水平仪本身测量基准就是水平面， 测量得到的结果与转轴垂直度有直接的关系。但水平仪测量法的缺点在于水平 仪的精度和量程无法同时保证；测量时需要有工作人员在场观测；若是使用电 子水平仪测量，其自身必须有电池，以保证持续工作。目前对雷达天线转轴垂 直度的测量和调整采用最多的方式是：测量人员携带水平仪登上雷达天线平台， 地面工作人员操纵转轴旋转，由测量人员观察水平仪变化状态，然后将信息传 达给地面工作人员，再根据经验对转轴垂直度做出调整，然后继续使转轴旋转， 在旋转过程中验证转轴是否垂直，如果不垂直则继续上述步骤直到转轴垂直为 止。由于这种方法全靠工作人员的经验，所以测量的效率很低，并且该测量方 法还需要工作人员登上高达数十米的转轴顶端，在转轴旋转状态下持续工作， 其危险性和工作难度都较大。 针对该测量调整现状，根据中国电子科技集团第3 8 研究所的委托和要求立 项进行了“雷达天线转轴垂直度检测系统”的研制。该系统成功解决了雷达天 线转轴铅垂度检测的难点，简化了测量工作，提高了测量精度和效率，并实现 了对天线转轴垂直度的持续实时检测。 1 2 本系统研制的主要任务 本学位论文的任务在于克服传统测量方法的缺陷，研制具有便携性和可持 续工作能力的对雷达天线转轴垂直度进行高精度检测的系统，并给予调整指导。 根据这些要求，本学位论文研究包括以下几个部分： 1 为了得到转轴的调整量，需要提出一种新型的测量原理，并建立计算转轴 倾角和底座各脚调整量的数学模型，即通过水平仪旋转一周出现的最大值和最 小值确定转轴倾斜角，并根据转轴倾斜角、倾斜方位以及转轴底座的结构计算 出底座各地脚螺钉的调整量。 2 根据测量精度的要求需要选用高精度水平仪作为核心测量器件，因为高精 度水平仪的量程一般较小，如果转轴起始倾角较大，水平仪将超出量程，因此 需要研制能够使水平仪工作在最佳状态内的可调节平台。为了满足测量系统外 部无信息线缆的要求，需要应用无线通讯技术实现测量数据无线传输和平台微 调结构中步进电机的无线控制。 3 为了满足测量系统便携性和可持续工作的要求，要在测量箱内集成蓄电 池。根据系统充电及使用方便和结构紧凑的要求，还需完成测量系统和辅助系 统在测量箱内的整体布局设计。 4 最后还要模拟倾斜转轴，对完成的测量系统进行标定，验证测量系统的有 效性。 2 第二章测量原理和数学模型 雷达天线结构如图1 1 所示。当转轴垂直于水平面，转轴旋转将不会改变 天线阵面的倾角，而当转轴不垂直于水平面时，转轴旋转将使天线阵面的倾角 发生周期性变化，这将影响雷达正常工作，因此要求雷达天线转轴垂直度保持 在37 以内。现场安装时，由转轴带动天线升起，当测量得到垂直度误差后， 需要通过调整底座螺钉脚来使转轴进入正常工作状态。因此委托研制的测量系 统具有以下要求： 1 测量精度在0 5 以内。 2 系统外部没有缆线，地面设备能够通过无线方式获取测量数据，并通过屏幕 对调整结构进行遥控操作。 3 系统内部要有供电器件，以保证系统可以持续工作5 小时以上。 4 工作温度在0 4 0 内，储存温度在一2 0 + 5 0 内。 5 系统为密封结构，能在雨中工作。 6 系统体积要求在3 0 0 3 0 0 3 0 0 m m 以内，重量在2 4 k g 以内。 2 1 本系统测量原理及数学模型 本论文提出的转轴垂直度测量原理如图2 1 所示，0 07 为被测转轴的轴线， z 为铅垂线，x o y 为水平面，则0 07 与z 轴的夹角。即为所考察的转轴轴线的 倾斜角。测量过程中，转轴绕自身轴线0 0 旋转，如图中箭头方向所示。假设 有一水平仪a b ( 图中用线段a b 表示) 放置在转轴的上端面上，与转轴固定并随 转轴旋转，水平仪测量值为q ；。 z 图2 1 测量原理示意图 3 z a 2 、 b l o 图2 2 极限位置所处铅垂面示意图 由测量原理图可知，当0 = o ，即转轴完全垂直于水平面时，转轴旋转过程 中，水平仪读数q 始终保持不变，并且若转轴上端面与转轴轴线o o7 垂直，则 q 始终为o 。 当0 0 时，即转轴不垂直于水平面，选择由z 轴和o o 所确定的铅垂面 作为a b 的起始位置开始测量，此时a 。b 。与水平面夹角为qo ，随着转轴转动， 水平仪读数q 将发生变化。根据水平仪运动轨迹可知，q 的变化周期为2 ， 且起始位置和转轴转动过冗角时分别出现最小值q0 和最大值q - ，出现最小值 a 。b 。和最大值a 。b 。的位置在同一铅垂面内，如图2 2 所示，图中横向虚线代表 与水平面x o y 平行的平面，则由平面几何关系可得： 0 = ( q1一q0 ) 2 ( 1 ) 原理上可选择任意位置作为水平仪的起始测量面，只要在测量过程中确定 水平仪的最大值和最小值以及出现最值时水平仪所处的铅垂面位置，就能完全 确定转轴倾斜角的大小和方向。 2 2 转轴调整数学模型 实际操作中，是通过改变雷达天线座的4 个底座螺钉高度来改变转轴垂直 度的。为此要计算出4 个底座螺钉调节量与转轴倾斜角之间的关系。 图2 3 为倾斜转轴在水平面投影方位示意图，在转轴和底座连接处设立共同 的0 。标志，以正交方位建立原始坐标系o x y ，以此坐标系的x 轴作为起始测量 位置，并在水平仪第一次到达最大值或最小值时转轴在水平面的投影位置建立 新坐标系ox y ，则由转轴转过的角度可确定读取q0 和a 的测量截面x 与起始截面x 的夹角值b 。 4 图2 3 倾斜转轴在水平面投影方位示意图 通过前述方法可测量得到转轴倾角o ，此时若通过地脚螺钉调整使底座带。 动转轴整体绕y 轴旋转一e 角，则可使o o 和z 轴重合。 将图2 3 所示坐标系绕z 轴逆时针旋转b 角至o x y ，则四个地脚螺钉 的新坐标值变为( x l ，y l ，z ) 、( x 2 ，y 2 ，z 2 ) 、( x 3 ，y 3 ，z 3 ) 、 ( x 4 ，y 4 ，z 4 ) ，x i 、y i 与x i 、y i 之间的关系为： x i = x i c o $ 1 3 一y i s i nb ( 2 ) 则四个地脚螺钉的调整高度分别为： az i = x i s i ne 。 ( 3 ) 需要注意的是，四个螺钉的代号z l z 4 并不是固定的，而是由水平仪起始 测量方向所决定的，当水平仪的方位与图2 4 中原坐标系o x y 一致时，四个螺 钉与z 1 z 4 点的对应关系如图2 4 中四个点所示。实际测量时，建议在测量系 统外部标明水平仪所处的铅垂面位置，根据这个标记选择合适的水平仪起始测 量位置，这样就可以按照上述测量原理确定四个地脚螺钉的代号，并最终得到 调整量。 2 3 测量系统设计方案 图2 4 测量系统结构简图 根据测量系统的要求，确定了如图2 4 所示结构的测量系统方案。为了满 足防雨及野外工作的要求，系统设计为一个封闭的箱体，并且将其体积限制在 3 0 0 3 0 0 3 0 0 m m 范围内。根据测量精度的要求，要选用高精度电子水平仪作 为核心测量器件，如图中器件1 所示，器件2 则为气泡水平仪，因为其更加直 观，可以用来辅助电子水平仪进行测量。而由于电子水平仪的量程普遍较小， 如果转轴起始倾角较大，则水平仪会超出自身量程，为了使水平仪能工作在其 最佳状态，系统中应有能够调节水平度的可调节平台，如图中圆盘3 所示。可 调节平台可以由三支点平台实现，其中一个支点为固定支点5 ，而另外两个支 点为可调支点6 ，当调节一个或两个支点的位置时，平台的水平度就将改变。 由于系统有无缆线的要求，所以水平仪数据要通过无线方式传输，因此系 统顶部需安装无线摄像头4 以读取水平仪数据，因为系统是封闭箱体，内部须 有照明器件7 。此外系统内部还要集成蓄电池8 ，以保证系统持续工作的要求。 最后系统还要有数据处理软件，将测量得到的数据进行计算和处理，最终 得出转轴底座各脚需要调整的量，以指导工作人员调节转轴。 图2 5 系统使用方案示意图 根据测量原理和数学模型，完成后的测量系统可以放在转轴的任意位置并 与转轴固定，然后进行测量。如图2 5 所示。 2 4 本章小结 本章列出了对测量系统的要求，根据要求提出了一种新型的测量原理，并 建立了测量转轴倾角和计算转轴底座调整量的数学模型，只需天线转轴转动一 周的时间即可计算出转轴的倾斜角并得到转轴底座螺钉脚的调整量。最后根据 要求设计了一套完整的测量系统方案。 6 第三章测量系统设计 3 - 1 二级测量的实现 由于高分辨率水平仪的量程很小，而雷达安装的地形很复杂，所以水平仪 安装平台相对于水平面的初始夹角将很大，会超出水平仪的高分辨率测量范围。 虽然水平仪放置平台的水平度可以调节，但其调节必须基于已知的倾角状态， 因此在精测水平仪未能进入量程时，需要其他能够对转轴倾角进行粗测的器件 来获取粗略信息。本测量系统选用了2 个气泡水平仪来辅助测量，将其放置在 电子水平仪的两个正交的测量方向上，如图3 1 所示，当被测转轴起始倾角较 大时，则先使用气泡水平仪进行粗测，得到转轴倾角和倾斜方向的粗略信息并 对平台进行调整，以使电子水平仪进入最佳工作状态。本系统选择了潍坊华光 精工机械有限公司的气泡水平仪，分度值为0 4 5 m m m 。 图3 1 气泡水平仪摆放位置 在本测量系统中，精测水平仪的测量精度直接影响最终测量结果，所以要 尽量选用高分辨率的水平仪。本测量系统中选用了韩国t e cv a l l e y 公司的高精 度二维电子水平仪，其主要技术参数及外观图片如下： 。 表3 1 水平仪技术参数 产品型号 2 d 1 2 0 测量方向2 d ( x 和y ) 测量范围 + 5 7 0 m m m ( + 3 0 。) 0 0 5 m m m 或0 im m m 可调 分辨率 0 0 0 3 。或0 0 1 。可调 最大允许误差( 。) 1 0 0 极限误差为0 0 1 。，1 0 。为量程值的1 5 ( 符合d i n 2 2 7 6 标准) 工作温度 o 。一4 0 7 电源电器f 充电电池 电使用时间充满电可使用6 小时 响应时问小于5 秽 信口输出接ur s - 2 3 2 c 9 6 q o b p s 位器外形j t 寸 1 2 0 x 4 0 x 6 9 m r n i t | _ 7 0 0 9 # # ( 日女) l e v e l p r o - i 图32 水平仪实物图 从该水平仪的技术参数可见其量程较小，只有3 0 。，一般分辨率为00 1 。， 而在1 。的范围内能够达到0 0 0 3 啪分辨率，完全满足测量的精度要求。该水 平仪还具有二维水平度同时测量的功能，运用在本测量系统中时，x 和y 方向 可阻进行同时测量，得到的两组数据是相互独立的，可以进行比对分析，使误 差进一步减小。 3 2 可调节平台设计 321 可调节平台作用及实现方案 根据所选择的水平仪参数分析测量过程，由于每次雷达在工作时t 天线平 台与水平面的夹角并不为定值，若水平仪在测量系统内部位置是固定的，当天 线需要以较大倾角工作时，则会超出水平仪的测量范围，因此水平仪在测量系 统内部必须是可调节倾角的，并且由于水平仪仅在l 。范围内能够进行高精度 测量，所以对水平仪的调节还必须能够精密及可量化控制。 要想对水平仪的倾角进行调节，就必须有机械结构对水平仪作用但是水 平仪工作面较多，直接对其机械接触很容易造成其损伤，并且由于增加了两个 气泡水平仪辅助调节，对三个水平仪的调节必须同步，否则会造成较大误差， 因此考虑将三个水平仪放在同一个基准面上对基准面进行调节，就实现了对 三个水平仪的同步调节。实现这一调节最简单的方法就是多支点可调节平台。 多支点可调节平台由平台和支撑组成，平台放置在支撑物体上，只要支点 中的任意一点改变垂直位置，平台的位置就发生改变。要对平台实现任意角度 的调节，需要三个支点，本测量系统中使用的就是三支点平台。平台放置在三 个支点上，支点全部安装在底板上，这样就撑起了平台，三个支点中一个为固 定支撑点，其余两个为可调节支撑点，当两个可调节支撑点中任意一个或者两 个一起改变位置，平台的水平度就发生改变。为了使调节更加容易控制，三个 支点的位置应该为一等腰三角形，固定支撑点为顶点，可调节支撑点为两个底 边点，同时，为了实现平台的粗调和微调，本系统采用了粗调结构和微调结构 并联的方式。 3 2 2 固定支撑点 上套筒 图3 3 固定支撑杆 固定支撑点很容易实现，因为平台的水平度需要变化，支撑点不能是无自 由度的固定机械结构，所以支点处采取了球头铰链连接的方法，以圆柱套筒分 别套住球头铰链的两端，下套筒通过外螺纹与系统底板旋合，上套筒有带螺纹 孔的法兰盘，与平台连接固定。该部分的机械图如图3 3 所示，该结构允许平 台在一定范围内任意改变角度。 3 2 3 微调结构 根据水平仪仅在小范围内能够高精度测量的特性，平台必须能够精确的调 节和定位。本系统采用了步进电机调节的方法来实现微调结构。市面上已有现 成的直线步进电机，种类也较多，按基本原理分为永磁式直线步进电机和混合 式直线步进电机，前者的驱动精度和步长非常高，能够到达纳米级，但价格非 常昂贵，且只适合于实验室条件使用，后者则是将普通步进电机的芯轴与丝杠 结合，使其输出量为直线，因此价格相对便宜，步长也能精确到0 0 0 1 m m 级别。 而普通步进电机输出量为转角，无法直接用于平台的微调。本系统中则对普通 步进电机进行了一个小的外部设计，使其成为直线步进电机，并且也能达到较 小的步长，而且成本较低。 9 图3 4 微调结构 卡盘 套 微调结构如图3 4 所示：在普通转角步进电机输出轴上用螺钉固紧了一个 轴套，轴套外部有螺纹，与螺纹套的内螺纹旋合，为防止生锈影响转动，轴套和 螺纹套都选择了l y l 2 作为材料。螺纹套的头部为球面，顶部为与可调节平台 的接触点，螺纹套的侧面安装了一个防转销，放置在圆形卡盘的槽内，卡盘通 过法兰上的螺纹孔与可调节平台连接。当电机转轴转动时，将带动轴套转动， 而螺纹套因为安装的防转销而被卡盘限制住不能转动，这样轴套和螺纹套的螺 纹将会相对转动从而使螺纹套上下运动，实现了平台的微调。 本系统选用了北京和利时公司的4 2 b y g 系列步进电机，其技术特点为： 绝缘电阻5 0 0 v d c1 0 0 mqm i n 轴向间隙o 0 8 m m 径向跳动0 0 2 m mm a x 温升6 5 km a x 绝缘强度5 0 0 va ci m i n u t e 环境温度一2 0 + 5 0 绝缘等级b 级 其外型及其他参数如图3 5 所示，最后根据空间大小和承受载荷的需要选 择了北京和利时电机有限公司的4 2 b y g 2 5 0 b - s a a s m l 一0 1 5 1 型电机，其输出转矩 换算成负载能力将大于7 k g ，完全满足要求，其步长进过驱动器细分后能达到 0 9 。，而螺纹套和轴套的螺距为1 5 m m ，两者结合理论上可以达到0 0 0 3 7 5 m m 的步长，实际中由于存在螺纹误差等影响，无法达到这么高的步长精度，但仍 可以满足平台的调节需要。另外螺纹套和轴套的螺纹旋合长度为1 7 m m ，约能提 供4 5 。的角度变化。 1 0 图35 步进电机外型及参数 324 粗调机构 当测量中水平仪超出量程时，需要能够快速将平台调整至水平仪两城内， 因此需要租调装置。粗调节机构很容易实现，最常见的为螺纹调节方法。若本 系统采用该方法，只需在底板上开出螺纹孔，然后旋入一根长度适合的螺钉即 可。但因为系统为封闭箱体，底板通过几个支撑脚放置在平面上，如果采用螺 纹调节，调仃时需要在箱底操作，很不方便，而且螺纹件在使用较长时间以后， 因为灰尘、生锈等因素的影响，调节将很吃力，所以本系统采用了非螺纹方式 的偏心轮调节方法。 使用偏心轮调节法柬完成粗调的机构如图36 所示，用螺钉将偏心轮与调 节转轴固定，转轴穿过两个安装在轴承座里的深沟球轴承，并且在转轴的外端 安装了锁紧央和转动手柄。使用压条将电机与安装板固定，安装扳放置在偏心 轮上，同时有4 个底部带螺纹的方向导杆安装在底板上，并穿过电机安装板， 以起到导向的作用。旋转手柄时偏心轮将使电机上下往复运动，从而起到了 粗调的作用，当转动到合适的位置时，拧紧锁紧夹上的所里来锁定偏心轮的位 置，从而确定电机的位置。为了节省高度空间，底板上还挖出了方孔，当偏心 轮旋转时，长端可以从方孔内通过。 轴 图3 6 粗调结构 旋转手柄 偏心轮设计为半径1 6 m m ，偏心孔中心距为7 m m ，这样在转动时最大能够提 供1 4 r a m 的上下位移差，而支点处距离固定支撑点为2 2 0 m m ，即转动偏心轮可以 提供4 。的角度变化。这样与微调结构组合，能够提供大约9 。的角度调整。 3 2 5 平台下沉结构 本系统设计时要求体积不能大于3 0 0 m m 3 0 0 m m x3 0 0 m m ，并且在箱体顶部使 用了无线摄像头对水平仪进行监视，所以无线摄像头和可调节平台的距离受到 了限制。由于无线摄像头的视场角有限，若水平仪直接放置在可调节平台上， 则无线摄像头距离水平仪太近，无法完全拍摄水平仪，所以为了保证能够完整 的获取水平仪的画面，在原来的可调节平台基础上设计了一个下沉结构。 整个可调节平台部分如图3 7 所示，在可调节平台的下方用螺钉安装了一 个下沉的台阶板，电子水平仪及气泡水平仪都放置在其上，并使用6 5 # 锰钢弹 簧卡子固紧。可调节平台中央挖出一个很大的方孔，以使摄像头能够监视到放 置在下沉台阶上的水平仪。平台调节部分由偏心轮机构和步进电机促成串联机 构，调整时可以先观察气泡水平仪的刻度，对偏心轮进行调整，待气泡水平仪 大约调整水平后，将偏心轮轴锁紧，再观察电子水平仪读数，同时对步进电机 进行调整，最后使水平仪能够工作在高分辨率范围内。图3 7b ) 为可调节平台 的后视图，因为平台在机械结构上没有对其进行垂直方向的固定，所以可能在 有外在干扰的情况下脱离支撑点，这可能造成测量误差，为此在平台的后部增 加了一个拉伸弹簧，使平台保证与支点接触紧密。 1 2 a ) 侧视图 b ) 后视图 图3 7 可调：肖平台整体图 3 3 无线数据获取 系统测量时要求无人在场，所有水平仪测量得到的数据必须以无线方式传 输给地面工作人员，使用无线摄像头是一种很简单的方法，本系统使用了s o n y 的无线摄像头，外形图如图3 8 所示。其具体参数为： 成像c c d1 4 ”s o n yc c d 像素p a l ：( h ) 5 0 0 x ( v ) 5 8 2 扫描系统p a l ：6 2 5 线5 0f i e l d 秒 音视频同步系统内同步 水平解晰度7 2 0 电视线 视频输出1 v p p7 5qn e g a t i v e 白平衡自动 性噪比大于4 6 d b 珈玛特性0 4 5 最低照度05l u x 电子快门p a l ：i 5 0 。1 i 0 0 0 0 0 秒 可调镜头f ：37 m m 钮扣镜头 功率消耗1 2 v 1 0 d c ， 1 0 0 m a 使用温度一1 0 。+ 5 0 r h9 5m a x 存放温度2 0 。+ 6 0 r h9 5m a x 颜色黑色 尺寸1 2 m m x l 2 m m 工作频段：24 g h z 发射距离：( 开阔无障碍加定向天线) 2 4 公里 图3 8s o n y 高清无线摄像头 由参数可见7 2 0 电视线的清晰度足以保证数据的读取，基于2 4 g h zz i g b e e 的传输也能保证非常远的有效图像传输距离，更为重要的是，摄像头体积小巧， 附属设备也不大，很容易安装在系统箱体顶部，只需选择合适的方位用弹簧卡 予将摄像头安装在单独制作的架子上即可。 3 4 数据处理软件制作 要完成测量功能除了从水平仪获取数据外还需要有数据处理软件对得 到的数据进行计算和处理，并给出最终调整量。根据测量原理和数学模型，需 要从测量中得到并输入软件的参数有如下几个：水平仪读数虽大值与最小值no 和o l ，因为采用了二维水平仪，所以有x 和y 方向上的两组数据，分别是x 、 x y 。、k 雷达天线转轴从给定起始位置转动到水平仪首次出现最大值 或最小值时转过的角度b ，雷达底座四个支撑螺钉以底座正中心为原点的坐标 ( x 。，y 。) 、( x ：，y ：) 、( 粕，y ，) 、( x ，y ) ，因为四个支撑螺钉为 正方形，所以为方便输入，直接简化为正方形边长a ，四个坐标简化为( a 2 ， a 2 ) ，( a 2 ，a 2 ) ，( 一a 2 ，一a 2 ) ，( a 2 ，一a 2 ) 。 图3 9 软件数据处理界面 软件设计方面选用了最常用的v is u a lc + + 6 0 作为工具。首先要设计用户 界面，如图3 9 所示，左边输入框中设定了上述几个需要输入数值的参数，右 边的d z l 、d z 2 、d z 3 、d z 4 则是计算结果，分别代表了雷达天线座4 个地脚螺钉 需要调整的距离。最后设置了一个计算按钮，数据输入正确后，按下按钮调整 量就会显示在计算结果栏。 界面设计完成后需要将公式嵌入软件。先将几个输入值确定变量名，分别 为：x m i n = m f x m i n ，x m a x = m f x m a x ，y m i n = m f y m i n ，y m a x = m f y m a x ，边长为 m s i z e ，转轴转角为m _ f o m e g a ，四个计算结果分别为d z l = m s z l ，d z 2 = m s z 2 ， d z 3 = m _ _ s z 3 ，d z 4 = m _ s z 4 ，按钮则在类c s e r i a l d l g 里设定为函数o n b u t t o n 40 。 确定变量后，在计算函数里输入以下等式完成计算。 ( x l c o s ( m f o m e g a 枣p i 18 0 ) 一y 1 幸s i n ( m f o m e g a 幸p i 18 0 ) ) 木s i n ( a t a n ( ( m f x m a x - m f x m i n ) 10 0 0 ) ) ； ( x 2 幸c o s ( m f o m e g a 枣p i i8 0 ) 一y 2 水s i n ( m f o m e g a 木p i 18 0 ) ) s i n ( a t a n ( ( m f x m a x - n l f x m i n ) l0 0 0 ) ) ； ( x 3 母c o s ( m f o m e g a 率p i 1 8 0 ) - y 3 拳s i n ( m f o m e g a 宰p i 1 8 0 ) ) 母s i n ( a t a n ( ( m f x m a x n l - f x m i n ) 1 0 0 0 ) ) ； ( x 4 * c o s ( m f o m e g a 水p i 18 0 ) 一y 4 木s i n ( m f o m e g a 木p i 18 0 ) ) 木s i n ( a t a n ( ( m f x m a x - m f x m i n ) 10 0 0 ) ) ； 需要注意的是最后的计算结果可能为正或为负，如果为正则代表此螺钉需 要向上调整，为负则相反。 3 5 本章小结 本章针对雷达天线转轴垂直度的检测要求，根据测量原理和数学模型对测 量系统的基本测量功能部分进行了设计，主要包括以下几个部分： ( 1 )系统实现测量功能的方案。 ( 2 )测量功能机械结构部分设计及所用器件的选择。 ( 3 )软件数据计算部分功能设计。 1 5 第四章辅助系统设计 4 1 系统中辅助部分设计 测量系统要完成测量任务，除了最基本的测量功能外，还需要其他一些器 件来辅助，包括照明器件、供电器件、电磁铁、步迸电机遥控电路等。 4 1 1 供电器件 根据测量要求，系统工作时不允许外接电线，系统内部所有电器元件如步 进电机等的供电必须由供电器件供给，而箱体体积又被限制了，所以选择合适 的供电器件对于系统持续工作时间起决定性作用。直流供电器件最为常用的是 蓄电池，铅酸蓄电池已有100 多年的历史，广泛用作内燃机汽车的起动动力 源、电动车动力源、移动设备电源等。它也是技术成熟的蓄电池，可靠性好、 原材料易得、价格便宜；功率也基本上能满足很多场合要求。本系统选用了美 国r g b 公司u p s 专用蓄电池，具有以下特点： 高档灰色外壳，体积小，重量轻，能量密度高，输出功率大 精密技术生产，使用寿命长，自放电率极低( 小于3 每月) 特殊配方的铅钙合金及电解液，品质稳定，不污染环境 超音波密封外壳，免维护，免加水，使用可靠性高 内阻极小，回充容易，大电流放电性能优越 全自动流水线制造，一致性好，可任意成组使用 高压缩玻璃棉吸液式( a g m ) 技术 内藏防爆装置，采用超声波焊接技术加强蓄电池的密闭性 高级正极合金，有极强大电流放电后回充性及抗侵蚀能力 内藏式接电端子，连接牢固不易受损 置放时不受方向、位置之限制，环境温度广泛 最适用在高功率的精密机械及高性能的u p s 不断电系统 根据系统体积选用规格为b a 1 5 的电池两只，其参数为： 额定电压1 2 v 额定容量1 5 a h 额定内阻1 5 mq 体积1 5 l m m 7 0 m m x1 l l m m 重量2 9 5 k g 系统内最主要的耗电器件为照明器件和摄像头，步进电机由于不是一直工 作，所以耗电不大，采用两只b a 1 5 蓄电池能够使系统持续工作很长时间。 4 1 2 照明器件 由于系统为一个封闭式箱体，又使用了无线摄像头来获取水平仪的画面， 所以系统中必须有照明器件，使摄像头能够获取到清晰的画面。又因为系统工 1 6 作时不能外接电线，所以只能使用直流照明器件，其中最适宜用在本系统中的 为c c f l 冷阴极荧光灯和l e d 灯。 c c f l 冷阴极灯管为一个两端有电极的玻璃管内封入氖气和氩气的