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1908 高低 俯仰 限制 电路 设计

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黄河科技学院本科毕业设计 任务书 工 学院 机械 系 机械设计制造及其自动化 专业 08 级 3 班学 号 080105617 学生 何阳阳 指导教师 王飞 毕业设计题目 高低角俯仰限制电路的设计 毕业设计工作内容与基本要求（目标、任务、途径、方法，应掌握的原始资料（数据）、参考资料（文献）以及设计技术要求、注意事项等）（纸张不够可加页）一、目标、任务及设计要求通过调研搜集资料，运用所学知识，并借助于CAD软件设计一种机械控制电路。炮瞄雷达天线高低角工作范围为-1595度，当转到接近最高和最低极限位置时，该电路自动去掉天线驱动电机上的控制电压，并使天线很快被制动，防止机械和电机过荷损坏，起到保护作用。本课题要完成的主要工作，应用所学的机械和电气方面的知识，完成该装置的设计：画出原理图；设计出主要零部件；元器件的选型设计和计算；画出电路图并标出元器件的型号、规格和指标参数。通过完成方案设计、参数计算、元器件的选择、电路图的绘制等环节，使学生综合运用四年来所学到的知识提高解决实际问题的能力，学会科学研究的方法、程序，培养严谨的科学态度，为其即将走向工作岗位奠定良好基础。查阅国内外相关资料，针对本设计进行分析论证，从而拟定出总体设计方案草图，再独自完成各部分电路计及计算，继而采用AutoCAD软件，利用计算机绘制出电路图，并编制出设计说明书等。二、主要设计内容1.查阅文献资料12种以上，外文资料不少于两种。写出3000字以上文献综述，单独装订成册。2.翻译外文科技资料，不少于3000汉字，单独装订成册。3.完成开题报告，填写开题报告表。4.完成设计方案选择与论证，元器件的选型设计和计算，画出电路图并标出元器件的型号、规格和指标参数等。5.编写摘要，英中文完全对照，中文不少于300字。6、包含本次设计的所有内容的光盘一张。7.编写设计说明书，不少于8000字符。三、主要参考资料模拟电子线路，电子线路设计，脉冲电路，机械制图，自动控制原理、CAD绘图及相关资料等。四、时间安排1、第1-3周：对课题进行调研，完成文献综述、开题报告及英文资料翻译，掌握CAD软件应用功能。完成开题报告。2、第4-5周：阅读资料，搞清基本原理，画出原理图。3、第6-8周：通过元器件的选型设计和计算完成电路设计，画出电路图。4、第9-11周：完成文献综述、设计说明书。5、第12-13周：修改论文与图纸，准备答辩。毕业设计时间： 2012 年 2 月 13 日至 2012 年 05 月 15 日计划答辩时间： 2012 年 05 月 19 日专业（教研室）审批意见： 审批人签名：2黄河科技学院毕业设计（文献翻译） 第 5 页 Height-finding RadarA height-finding radar is one whose function is to measure the range and elevation angle to a target,thus permitting computation of altitude or height;such a radar usually accompanies a surveillance radar which determines other target parameters. Thus it is a 2D radar that scans in the elevation plane rather than in azimuth. Because of their cyclical up-and-down scanning motion,height-finding radar antennas are sometimes referred to as nodding antennas.A 2D search radar maintains surveillance over the volume of interest, detecting targets and measuring their ranges and azimuth angles. Upon detection and establishment of a track on a new target, a request is sent to the height finder for elevation measurement. The height finder slews its antenna to the azimuth designated by the search radar and performs a scan over an elevation sector appropriate to the range designated by the 2D radar. Target echoes are displayed on a range-height indicator (RHI), and elevation angle t is measured by an operator or an angle-gate circuit. Range R is also measured to an accuracy better than that provided by the search radar. The target height above the horizontal plane at the radar site is then calculated as ht = R sin qt This height is corrected as necessary for site altitude, atmospheric refraction, and curvature of Earth to give target altitude above sea level, as needed for ground-controlledintercept of the target by a fighter aircraft. A typical nodding-beam height finder is shown in Fig. H1. The antenna is elongated in the vertical direction to provide a narrow elevation beam for accurate measurement, while the azimuth beamwidth is wide enough to accommodate errors in designation from the search radar. Height-finders are gradually becoming obsolete as more three-dimensional, stacked-beam or phased-array search radars are being deployed.Height finders are radars designed to measure the elevation angle of targets in a surveillance system,permitting target altitude to be calculated from measured range. The methods by which elevation angle and hence altitude is determined include:(1) Assignment of a specialized radar that performs sector scan in elevation for measurement in that coordinate, on targets designated by a 2D search radar. (2) Search with a scanning-beam 3D radar, in which a narrow beam is scanned over a raster covering both azimuth and elevation and providing measurement of both angles,along with range, on detected targets.(3) Search with a stacked-beam 3D radar, in which multiple beams cover the elevation sector as the antenna scans in azimuth, providing monopulse measurement in elevation.(4) Measurement of multipath time delay on targets detected in a 2D search radar, such that target altitude may be calculated from known target range, radar antenna altitude,and multipath delay.(5) .Measurement of the ranges at which a target passes through multipath lobes of a 2D search radar antenna pattern,from which a constant target altitude may be calculated.(6) Measurement of relative amplitude or phase of target echoes in two antennas displaced in altitude, leading to a monopulse estimate of elevation angle.ReliabilityThe general definition of reliability is “the ability of an item to perform a required function under stated conditions for a stated period of time.” For radar it can be defined as the ability to perform assigned functions while retaining values of specified performance figures within assigned limits for each mode and condition of service, maintenance, repair, storage, and transportation. Typically, reliability is described by three components:(1) Failure-free performance.(2) Maintainability.(3) Storability.Failure-free performance is the ability to operate without failures for a specified operational time . Maintainability is “the ability of an item, under stated conditions of use, to be retained or restored to a state in which it can perform its required functions, when maintenance is performed under stated conditions and using prescribed procedures and resources.” Storability is the property of a radar to retain its operational conditions during storage and transportation. Reliability is an important radar performance characteristic,since it has significant effect on the effectiveness of radar operation and cost.The main approaches to achieve reliability include(1) The proper choice of technology and design efforts to avoid failures.(2) Using a proper troubleshooting system (e.g., built-intest equipment) to determine and localize a failure as soon as possible after it happens.The former approach includes the proper choice of reliable radar components and subsystems, and also the incorporation of the necessary redundancy in radar subsystems. The reliability of solid-state devices is usually much higher than that of vacuum-tube devices. As a result, a tube transmitter is usually one of the least reliable radar subsystems, and use of solid-state transmitters gives considerable improvement in radar reliability, permitting the manufacture of maintenancefree radars (at least in the sense that the permanent presence of maintenance personnel at the radar site is not required.).Multichannel solid-state transmitters and phased arrays offer fail-soft operation in case of failure of one or more modules (e.g., several amplifiers the transmitter or array can fail without degrading radar performance significantly).Another common approach to reliability is to use redundancy. This approach is often used in radars where even a short-duration failure is critical (e.g., military or civil ATC radars). A common technique is to use two adequate receiver-signal-processor channels with automatic reconfiguration to place the standby channel in operation in case of failure. An example of high-reliability, solid-state radar with redundant receiver channels and built-in test equipment is the family of ATC radars .Two-Dimensional RadarA two-dimensional (2D) radar mechanically scans a fixed beam, either in the azimuth plane (the conventional air search radar) or in the elevation plane (the nodding height-finder radar). A fundamental property of 2D air search radar is that the height of the antenna aperture must not be greater than that required to produce an elevation beamwidth that is matched to the required vertical coverage sector. Smaller values may, for mechanical reasons, be used, but at the expense of wastefully spreading energy above the required elevation coverage sector. The width of the antenna is determined by the azimuth resolution required and the requirement for obtaining a given minimum observation time (or time on target) while scanning. As in the case of the 3D search radar, this minimum observation time is largely determined by the doppler processing requirements, which in turn, are a function the clutter environment, and the diversity gain needed on the target.For air search operations over broad elevation sectors, the minimum power-aperture product strongly favors use of the lower radar frequencies in 2D radar, although higher frequencies are often used for surface search, where the target is a land or sea-vehicle, a surface (for navigation), or a fixed structure. Operation at microwave frequencies is feasible here because, for surface-based radars, the required elevation sector is generally small, while for airborne radars the required elevation search sector is either small enough to match thebeamwidth of the available antenna aperture height, or such as to require only a few overlapping “bar” scans in elevation.黄河科技学院毕业设计开题报告表课题名称高低角俯仰限制电路的设计课题来源教师拟订课题类型AX指导教师王飞学生姓名何阳阳专 业机械设计制造及其自动化学 号080105617一、调研资料的准备根据任务书的要求，在做本课题前，查阅了与课题相关的资料有：模拟电子线路，电子线路的设计，脉冲电路，机械制图，自动控制原理、CAD绘图及相关资料等。二、设计的目的与要求 毕业设计是大学教学中最后一个实践性教学环节，通过该设计过程，可以检验学生所学的知识，同时培养学生处理工程中实际问题的能力，因此意义特别重大。 查阅国内外相关资料，针对本设计进行分析论证，从而拟定出总体设计方案草图，再独自完成各部分电路计及计算，继而采用AutoCAD软件，利用计算机绘制电路图，并编制出设计说明书等。 三、设计的思路与预期成果 1、设计思路应用所学的机械和电气方面的知识，完成该装置的设计；设计出主要零部件；元器件的选型设计和计算；画出电路图并标出元器件的型号、规格和指标参数。 2、预期的成果（1）完成文献综述一篇，不少与3000字，与专业相关的英文翻译一篇，不少于3000字 （2）完成内容与字数都不少于规定量的毕业设计说明书一份 （3）完成设计方案选择与论证，元器件的选型设计和计算，画出电路图并标出元器件的型号、规格和指标参数等。 (4)编写摘要，英中文完全对照，中文不少于300字。 (5)包含本次设计的所有内容的光盘一张。四、任务完成的阶段内容及时间安排 1、第1-3周：对课题进行调研，完成文献综述、开题报告及英文资料翻译，掌握CAD软件应用 功能。完成开题报告。2、第4-5周：阅读资料，搞清基本原理。3、第6-8周：通过元器件的选型设计和计算完成电路设计，画出电路图。4、第9-11周：完成文献综述、设计说明书。5、第12-13周：修改论文与图纸，准备答辩。五、完成设计所具备的条件因素 本人已修完模拟电子线路、电子线路设计、脉冲电路、机械制图、自动控制原理、CAD绘图及毕业设计指导等课程，借助图书馆的相关文献资料，以及相关的网络等资源。指导教师签名： 日期： 课题来源：（1）教师拟订；（2）学生建议；（3）企业和社会征集；（4）科研单位提供课题类型：（1）A工程设计（艺术设计）；B技术开发；C软件工程；D理论研究；E调研报告 （2）X真实课题；Y模拟课题；Z虚拟课题要求（1）、（2）均要填，如AY、BX等。2黄河科技学院毕业设计说明书 第 IV 页 高低角俯仰限制电路的设计摘 要雷达俯仰控制是指雷达根据工作模式、量程、载机高度和目标距离，自动设置俯仰角度或由操作员设置俯仰角度。机载雷达天线俯仰控制通常只采用手动方式，而机载雷达的天线俯仰控制有自动、手动和高度带设置三种方式，自动控制是指雷达系统根据操作员选定的工作模式、量程，自动设置天线俯仰角；手动控制是指雷达操作员可以根据实际探测需求，人工设置天线的俯仰角；高度带设置是指根据载机高度和目标距离，系统自动设置天线俯仰角。本课题是研究炮瞄雷达天线高低角工作范围为-1595度，当转到接近最高和最低极限位置时，该电路自动去掉天线驱动电机上的控制电压，并使天线很快被制动，防止机械和电机过荷损坏，起到保护作用。关键词： 雷达天线，俯仰机构，限制电路The design of high and low angle pitch limit circuitAuthor:He YangyangTutor: Wang FeiAbstractFunctions of the pitch and lift mechanism of radar antenna is introduced and the type and characteristics of the present mechanisms are summarized in this paper.A new type of electron mechanical servo drivemechanism is introduced which is based on the planar mechanism principle.The operation principle and operation process of this new mechanism are described.The design process is also introduced，including the program selection，the dynamic analysis and the corresponding calculations etcThe former approach includes the proper choice of reliable radar components and subsystems, and also the incorporation of the necessary redundancy in radar subsystems. The reliability of solid-state devices is usually much higher than that of vacuum-tube devices. As a result, a tube transmitter is usually one of the least reliable radar subsystems, and use of solid-state transmitters gives considerable improvement in radar reliability, permitting the manufacture of maintenancefree radars Keywords：radar antenna ,pitch mechanism ,limit circuit目 录1绪论 11.1 课题的背景及目的 . 11.2 国内外发展状况 . 11.3 课题研究内容及要求 . 22雷达俯仰机构的设计参考 3 2.1 新型机构的原理与结构方案 4 2.2 机构载荷分析 6 2.3 举升机构设计 7 2.4 俯仰机构设计 8 2.5 机构动态稳定性设计 103雷达俯仰机构电机的控制 . 11 3.1 系统组成 . 11 3.2 上位机单元 11 3.3 主单片机单元 12 3.4 从单片机单元 12 3.5 执行单元 134 雷达俯仰部分的设计方案 . 145 高低角俯仰限制电路 . 166 缓冲装置 . 19 6.1 分析计算和设计 19 6.2 设计 . 19结论 . 22致谢 . 23参考文献 . 25黄河科技学院毕业设计（文献综述） 第 10 页 高低角俯仰限制电路摘要：雷达俯仰控制是指雷达根据工作模式、量程、载机高度和目标距离，自动设置俯仰角度或由操作员设置俯仰角度。机载雷达天线俯仰控制通常只采用手动方式，而机载雷达的天线俯仰控制有自动、手动和高度带设置三种方式，自动控制是指雷达系统根据操作员选定的工作模式、量程，自动设置天线俯仰角；手动控制是指雷达操作员可以根据实际探测需求，人工设置天线的俯仰角；高度带设置是指根据载机高度和目标距离，系统自动设置天线俯仰角。自动控制天线俯仰运动，就需要高低角俯仰限制电路来控制。关键词：雷达天线，俯仰控制，限制电路 对于雷达天线的俯仰机构的设计，我们可以借鉴前人的设计，通过搜索资料，可以发现平面连杆机构对其有效，下面简要分析一下平面连杆机构在雷达俯仰控制中的应用。 现代车载式高机动雷达天线车具有工作及运输2种状态，即在工作时将天线举升至一定高度，并将天线阵面翻转至一定的俯仰角度，可以减小地面及车上设备对天线波束的影响；工作结束后将天线恢复到水平状态或其它特定角度，整车外形尺寸满足公路、铁路运输时不超高、不超宽的要求。为满足高机动雷达的机动性高、架设撤收迅捷的特性要求，需要一种能够将天线在2种状态间迅速转换的状态转换机构技术。目前常用的状态转换机构技术主要有以下2种1） “举升转台 + 俯仰机构”式设计。如图1（a）所示，通常采用机电液混合伺服传动技术，转台与天线被同时举高；2） “俯仰机构 + 推举天线”式设计。如图1（b）所示，通常采用全机电伺服传动技术，天线单独运动，举升机构为滑轨结构。 前者举升高度较高，但机构复杂，维护要求高；后者机构设计相对简单，但举升高度有限，因滑轨结构的密封性不足，环境适应性较差，同时两者都存在天线偏心大的缺点。某型雷达系统要求在工作状态时天线要满足以下条件：1） 能够举升至一定高度；2） 有一定的预仰角；3） 转动时天线偏心量尽可能小；4） 结构紧凑、控制方便、维护简单。论证表明，传统的转换机构已无法满足要求，需要研制一种新的机构形式。文中提出了一种基于平面机构原理的传动机构方案，可满足上述要求。1新型机构的原理与结构方案1.1机构工作原理图 2 为新型机构在运输状态下的运动简图。机构中，活动构件数 n = 6，低副 L =8，高副 H=0，机构自由度为 P =3n2LH =2机构自由度数与主动件数相等，符合机构运动原理。 1.2 新型机构结构方案 从提高系统的实用性与可靠性考虑，新型机构采用全机电伺服传动技术方案。在具体的工程设计中，图 2 中 6、7为传统的丝杠传动机构，4，5为单级电动缸（作为俯仰机构），2为门架，机架1为转台的转盘。上述部分在转台的驱动下做方位转动，如图 3 所示。 举升机构与俯仰机构各为2套，分别同步运动，既可降低对天线骨架的刚性要求，又可提高系统稳定性。1.3 机构工作过程设计 天线由运输状态转换为工作状态有以下2种运动方法可选： 1） 分步运动法。单级电动缸首先伸出到位，完成天线的俯仰运动，然后在丝杠传动机构的驱动下，门架转动到位，完成天线的举升运动，分2步完成天线状态的转换。2） 同步运动法。电动缸与丝杠传动机构同时启动，然后同时运动到位，一步即可完成状态转换。逆向工作过程即可将天线由工作状态转换为运输状态。 方法 1） 控制简单，但转换过程中偏心现象较为明显； 方法 2） 重心控制较好，但由于同时运动的构件较多，机构同步性要求较高，伺服控制难度较大。考虑到机构的可靠性与控制的简便性，最终确定采用分步运动控制方法，并将中间状态作为天线维修状态。天线工作状态如图 4 所示。 2 机构载荷分析 依据分步运动方案，利用“多体动力学仿真分析软件 ADAMS”分析运动过程中俯仰机构与举升机构的载荷情况。 仿真工况分析：在实际工作中，在天线的重量分布不均匀以及机构运动同步性的差异等因素的影响下，2套俯仰、举升机构在受力上会有所不同。但在分析时按受力相同、同步运动的理想工况考虑，分析结果如图5 所示。 图中红色实线为俯仰机构单套载荷变化曲线，蓝色虚线为举升机构单套载荷变化曲线。从图5中可以看出单套举升机构最大载荷为 Fmax1=18 kN 单套俯仰机构最大载荷为 Fmax2=31 kN3 举升机构设计 举升机构采用普通的丝杠传动机构形式。丝杠传动机构是将电机的旋转运动通过螺旋传动副（滑动或滚动螺旋副）的机械运动转换为丝杠的直线运动，并利用伺服电机的闭环控制特性，实现对推力、速度和位置的精密控制。图6为普通丝杠举升机构结构示意图。丝杠暴露在外，可为丝杠加装防护罩，以增强丝杠的环境适应性。 31 设计计算 考虑到机构的自锁要求，举升机构使用梯形丝杠副结构形式，根据丝杠的刚强度要求，初选梯形丝杠参数为 公称直径 d =60 mm 导程 S =9 mm根据上节分析结果，举升机构最大载荷为 18 kN，丝杠副的驱动力矩为 丝杠中径： d2=55.5 mm 导程角： =2.96 当量摩擦角：v=5.91 效率：安全系数按 1 5 倍考虑，则单套举升机构的驱动力矩设计参考值约为 130 Nm举升机构总行程约为 430 mm，运动时间不大于1 min，则梯形螺母的最低转速为 根据以上计算结果，驱动电机初选 1.5 kW 交流伺服电机，其额定力矩为 4.77 Nm，额定转速为3 000 r / min。由电机额定转速及螺母最大转速可以得出传动链总速比最大值为，减速机速比选为，则末级齿轮速副比最大值为，初步确定末级齿轮副速比为 im= 1。32 设计校核从输出力矩角度进行校核，按电机额定输出计算，末级（ 螺母） 输出力矩为从输出转速（ 即工作时间） 角度进行校核，按电机额定输出计算，末级（ 螺母） 输出转速为 故上述设计满足驱动力矩及工作时间要求。4俯仰机构设计 俯仰机构采用单级伺服电动缸机构。伺服电动缸在传统的丝杠传动机构的基础上改而来，其传动原理与传统丝杠传动机构相同。二者的区别在于电动缸是将丝杠的旋转运动转换为螺母的直线运动。与普通丝杠传动机构相比，电动缸有效行程、效率都低于前者，重量也不占优势。但其防护性能更佳