專利名稱：一種精密測量雷達(dá)伺服系統(tǒng)消隙的重力失配裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及航天測量與控制領(lǐng)域，具體涉及ー種實現(xiàn)精密跟蹤雷達(dá)仰角伺服支路動力傳動減速箱齒隙的消除方法。
背景技術(shù)：
精密跟蹤雷達(dá)伺服系統(tǒng)位置跟蹤控制回路廣泛采用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三環(huán)結(jié)構(gòu)。伺服系統(tǒng)設(shè)計時，根據(jù)雷達(dá)的正常工作風(fēng)速所產(chǎn)生的風(fēng)負(fù)載、最大角加速度時轉(zhuǎn)動慣量負(fù)載以及摩擦負(fù)載來確定動力傳動鏈中電機(jī)驅(qū)動功率以及齒輪減速箱齒輪副的設(shè)計負(fù)荷，根據(jù)選定執(zhí)行電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和雷達(dá)要求的最高轉(zhuǎn)速決定傳動鏈的減速比。由于動カ傳動鏈中始終存在由齒輪的側(cè)向間隙、軸承間隙以及連接部分的軸銷間隙引起的空回量，且動カ傳動鏈位于位置跟蹤控制環(huán)路內(nèi)，為保證伺服系統(tǒng)穩(wěn)定和跟蹤控制精度，克服由齒隙和齒輪運動誤差帶來大的伺服噪聲，増大速度回路増益和帶寬，伺服系統(tǒng)要求動カ傳動鏈采用各種消隙方法消除齒輪減速箱的間隙。目前，精密雷達(dá)機(jī)電伺服系統(tǒng)中動力傳動鏈齒輪減速箱消除齒隙的方法主要有彈簧機(jī)械消隙、雙電機(jī)電消隙。彈簧機(jī)械消隙在早期的雷達(dá)伺服系統(tǒng)中采用較多，伺服系統(tǒng)動カ傳動鏈采用一臺對稱布局的齒輪減速箱，如圖I所示，該齒輪減速箱第一級兩對嚙合齒輪も、Z丨為螺旋齒輪，分別與左右対稱的兩對螺旋齒輪z2、$嚙合，以后各級齒輪為圓柱直齒輪。減速箱安裝后，通過消隙彈簧在高速軸上提前加ー軸向力，使ニ螺旋齒輪<軸向前移，利用螺旋齒輪嚙合角度產(chǎn)生的分力使從動齒輪z2、4向左右反對稱各旋轉(zhuǎn)ー個角度,從而實現(xiàn)兩輸出齒輪z7、$的齒面抱緊輸出負(fù)載大齒輪，當(dāng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)時兩輸出齒輪分別負(fù)責(zé)兩個運轉(zhuǎn)反向的無隙嚙合傳動，從而實現(xiàn)消隙。彈簧機(jī)械消隙的設(shè)計和調(diào)整中，機(jī)械消隙經(jīng)彈簧施加的軸向カ大小，最理想的情況是與馬達(dá)的綜合負(fù)載基本一祥，且隨外載變化而變化，如此會帶來控制系統(tǒng)的復(fù)雜化。因此，目前消除齒隙的軸向カ是固定的，彈簧彈性位移調(diào)為一定值后，軸向カ就固定了。為了雷達(dá)在最大載荷下工作時也能可靠地消除齒隙，軸向カ的值必須根據(jù)最大的負(fù)載和系統(tǒng)的摩擦カ矩而確定，在外載荷較小時，軸向力卻仍是這么大，使得齒輪系統(tǒng)負(fù)載力矩加大，系統(tǒng)經(jīng)常承受最大的負(fù)載カ矩，加速了齒輪的磨損，這是機(jī)械消隙裝置的缺點之一，另外ー個缺點是附加的消隙齒輪系統(tǒng)增大系統(tǒng)的慣量，削弱了系統(tǒng)的剛度，從而限制了伺服系統(tǒng)的帶寬，降低系統(tǒng)的跟蹤精度，從而使彈簧機(jī)械消隙方法在伺服系統(tǒng)的消隙中的應(yīng)用逐漸減少。雙電機(jī)電消隙目前在中、大口徑雷達(dá)伺服系統(tǒng)的方位、俯仰伺服支路的消隙中應(yīng)用較多，其由兩套獨立的電流環(huán)和功率放大器分別驅(qū)動兩臺執(zhí)行電機(jī)，兩臺執(zhí)行電機(jī)分別聯(lián)接在結(jié)構(gòu)上完全相同的兩臺減速器上，兩臺減速器的輸出小齒輪共同嚙合負(fù)載大齒輪，如圖2所示。兩套獨立的電流環(huán)的指令由帶有偏置電路的速度環(huán)路分配，控制兩驅(qū)動電機(jī)使兩臺減速器在靜止的情況下產(chǎn)生相反的偏置力矩實現(xiàn)消隙的功能，如圖3(a)所示。天線負(fù)載運轉(zhuǎn)的情況下，依據(jù)速度指令的大小產(chǎn)生不同的電流環(huán)控制指令，當(dāng)速度指令較小時，通過電流環(huán)控制電機(jī)使減速箱輸出小齒輪始終嚙合在負(fù)載大齒輪的不同側(cè)嚙合面消除伺服系統(tǒng)的齒隙；當(dāng)速度指令較大時，速度環(huán)指令分配電路通過電流環(huán)控制兩臺電機(jī)使兩臺減速器嚙合在大齒輪的同名側(cè)，共同完成負(fù)載的驅(qū)動。如圖3(b)所示，Mz為雙電機(jī)產(chǎn)生的綜合力矩，MpM2分別為直流執(zhí)行電機(jī)I和直流執(zhí)行電機(jī)2產(chǎn)生的カ矩。綜合目前精密跟蹤雷達(dá)消隙技術(shù)方法應(yīng)用情況，彈簧機(jī)械消隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)慣量大、剛度低，而雙電機(jī)消隙成本高、電路和調(diào)整復(fù)雜。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供ー種精密測量雷達(dá)伺服系統(tǒng)消隙的重力失配裝置，不僅可以實現(xiàn)天線驅(qū)動機(jī)構(gòu)的消隙要求，保證雷達(dá)伺服系統(tǒng)的跟蹤精度，同時也保證了天線機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全可靠。本實用新型的技術(shù)方案是ー種精密測量雷達(dá)伺服系統(tǒng)消隙的重力失配裝置，其特征是在于該重力失配裝置包括驅(qū)動電機(jī)、單輸入單輸出減速箱、減速箱輸出齒輪和俯仰輸出大齒輪，在單輸入單輸出減速箱內(nèi)設(shè)有四組齒輪，雷達(dá)天線仰角驅(qū)動軸與俯仰輸出大齒輪剛性連接，在雷達(dá)天線仰角機(jī)械結(jié)構(gòu)天線端或者尾部加有配重塊，將重力失配引起的偏置電流設(shè)置為大于摩擦力矩引起的電流且將該電流控制在仰角驅(qū)動電機(jī)額定電流的12% ±2% 之間。本實用新型天線仰角支路的動力傳動鏈中的減速箱只是一臺普通減速箱，如圖4所示，減速箱傳動比依據(jù)雷達(dá)天線轉(zhuǎn)速、仰角驅(qū)動電機(jī)額定轉(zhuǎn)速等參數(shù)選擇，雷達(dá)天線仰角驅(qū)動軸與減速箱輸出大齒輪軸剛性連接，此時天線仰角機(jī)械結(jié)構(gòu)相對于仰角中心轉(zhuǎn)軸不再重力平衡，而是根據(jù)天線保精度工作陣風(fēng)風(fēng)速、保精度工作加速度以及摩擦情況有意將仰角機(jī)械結(jié)構(gòu)天線端配重或者仰角機(jī)械結(jié)構(gòu)尾部配重。相對于仰角機(jī)械結(jié)構(gòu)中心轉(zhuǎn)軸，當(dāng)將天線仰角機(jī)械結(jié)構(gòu)天線端配置較重的情況下，當(dāng)仰角向上或向下運行吋，依靠失配的重力向下カ矩使仰角輸出扇形大齒輪的向上(或向下)驅(qū)動嚙合面始終緊貼減速箱，從而達(dá)到消除齒隙的目的。很顯然，即是在同樣的天線轉(zhuǎn)速下，天線向上和向下運行時伺服驅(qū)動電機(jī)的輸出力矩是不平衡的，向上驅(qū)動天線時伺服電機(jī)輸出的力矩較向下驅(qū)動天線輸出的カ矩大；相反，當(dāng)仰角機(jī)械結(jié)構(gòu)尾部配置較重的情況下，以上各情況正好相反。經(jīng)過相關(guān)分析計算，在重力失配程度相同的情況下，天線頭部配重消隙效果好于天線尾部配重消隙。利用仰角重力失配消隙時，其主要目的就是利用失配重力產(chǎn)生的力矩和電機(jī)輸出カ矩共同作用下使仰角大齒輪的驅(qū)動嚙合面一側(cè)始終緊貼驅(qū)動減速箱的輸出齒輪的一面。但是，過于公式化設(shè)計將有可能使重力失配太多從而威脅到天線的安全。因此，在實際重力失配參數(shù)的設(shè)計中，在考慮摩擦カ矩、慣性カ矩以及陣風(fēng)カ矩的情況下，一般都將重力失配引起的偏置電流設(shè)置為大于摩擦力矩引起的電流且將該電流控制在仰角驅(qū)動電機(jī)額定電流的12% (±2%)，如此不僅可以實現(xiàn)天線驅(qū)動機(jī)構(gòu)的消隙要求，保證雷達(dá)伺服系統(tǒng)的跟蹤精度，同時也保證了天線機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全可靠。本實用新型將采用單輸入、單輸出結(jié)構(gòu)的普通減速箱，同時突破傳統(tǒng)天線結(jié)構(gòu)在俯仰方向要求平衡調(diào)整的限制，創(chuàng)新性的提出仰角重力失配消隙方法，從而使中、小口徑天線仰角機(jī)械結(jié)構(gòu)明顯簡化，克服了彈簧機(jī)械消隙和雙電機(jī)消隙的不足，顯著降低系統(tǒng)實現(xiàn)成本和調(diào)整 難度，同時保證了良好的消隙性能。

圖I是彈簧機(jī)械消隙的齒輪箱齒輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是雙電機(jī)消隙聯(lián)接圖。圖3a是雙電機(jī)消隙傳動原理圖。圖3b是雙電機(jī)カ矩分配關(guān)系示意圖。圖4是本實用新型仰角重力失配消隙結(jié)構(gòu)圖。圖5是增加重力失配消隙前后仰角跟蹤隨機(jī)誤差曲線圖。
具體實施方式
仰角重力失配消隙方法的應(yīng)用大大筒化了雷達(dá)伺服結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計。但是考慮到驅(qū)動功率、系統(tǒng)固有頻率以及雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)安全，只推薦將仰角重力失配消隙方法應(yīng)用在中、小口徑(天線直徑7米以下)雷達(dá)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)消隙中。具體設(shè)計中天線結(jié)構(gòu)仰角驅(qū)動鏈路只采用普通減速箱的單鏈路驅(qū)動，具體如圖4所示。該重力失配裝置包括驅(qū)動電機(jī)、單輸入單輸出減速箱2、減速箱輸出齒輪3和俯仰輸出大齒輪4，在單輸入單輸出減速箱2內(nèi)設(shè)有四組齒輪，雷達(dá)天線I仰角驅(qū)動軸與俯仰輸出大齒輪4剛性連接，在雷達(dá)天線仰角機(jī)械結(jié)構(gòu)天線端或者尾部加有配重塊5。為驗證仰角重力失配消隙方法的消隙性能，現(xiàn)將重力失配消隙方法應(yīng)用于ー套已經(jīng)工作30年的某型號單脈沖雷達(dá)，以比較采用重力失配消隙方法前后雷達(dá)伺服系統(tǒng)的跟蹤精度。該型號單脈沖雷達(dá)天線座方位驅(qū)動機(jī)械結(jié)構(gòu)和仰角驅(qū)動機(jī)械結(jié)構(gòu)動カ傳動鏈齒輪箱采用彈簧機(jī)械消隙方式。經(jīng)過30年的運行，由于傳動機(jī)構(gòu)、特別是減速箱齒輪的磨損、消隙彈簧性能變化使仰角的傳動間隙明顯増大，傳動剛度和精度下降較多，跟蹤數(shù)據(jù)精度也不能滿足指標(biāo)要求?？紤]到減速箱的維修成本，決定在不變動原齒輪箱箱結(jié)構(gòu)的情況下，卸掉尾部配重塊，采用重力失配消隙提高仰角支路的跟蹤隨機(jī)誤差。該型號單脈沖雷達(dá)仰角支路驅(qū)動電機(jī)額定電流為15. 5A，仰角支路摩擦力矩引起的電機(jī)電流約0. 8A，經(jīng)過詳細(xì)參數(shù)核算，決定將仰角機(jī)械結(jié)構(gòu)尾部卸下15Kg配重鉛塊，將天線仰角機(jī)械結(jié)構(gòu)頭部配重，使天線仰角處于零度時克服失配引起的偏置電流約1.6A。在各種外部條件相同的情況下，通過實際跟蹤空間目標(biāo)驗證，采用重力失配消隙前、后雷達(dá)仰角跟蹤數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差如圖5所示，圖中虛線為維修前傳動鏈采用彈簧機(jī)械消隙時仰角跟蹤隨機(jī)誤差，實線為傳動鏈増加重力失配消隙方法后跟蹤隨機(jī)誤差。從圖5可見，動カ傳動鏈増加重力失配消隙方式后仰角支路跟蹤數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差減小近50%。因此，仰角重力失配消隙模式可以實現(xiàn)雷達(dá)仰角伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)消隙要求。
權(quán)利要求1.一種精密測量雷達(dá)伺服系統(tǒng)消隙的重力失配裝置，其特征在于該重力失配裝置包括驅(qū)動電機(jī)、單輸入單輸出減速箱(2)、減速箱輸出齒輪(3)和俯仰輸出大齒輪(4)，在單輸入單輸出減速箱(2)內(nèi)設(shè)有四組齒輪，雷達(dá)天線(I)仰角驅(qū)動軸與俯仰輸出大齒輪(4)剛性連接，在雷達(dá)天線(I)仰角機(jī)械結(jié)構(gòu)天線端或者尾部加有配重塊(5)，將重力失配引起的偏置電流設(shè)置為大于摩擦力矩引起的電流且將該電流控制在仰角驅(qū)動電機(jī)額定電流的12%±2%之間。
專利摘要本實用新型涉及精密測量雷達(dá)伺服系統(tǒng)消隙的重力失配裝置，結(jié)構(gòu)上主要包括單驅(qū)動電機(jī)、普通減速箱、俯仰輸出大齒輪、相對于俯仰中心轉(zhuǎn)軸的仰角機(jī)械結(jié)構(gòu)天線端、仰角機(jī)械結(jié)構(gòu)尾部配重端。消隙參數(shù)調(diào)整中，綜合摩擦力矩、慣性力矩以及陣風(fēng)力矩等各種因素，將重力失配引起的偏置電流設(shè)置為大于摩擦力矩引起的電流且將該電流控制在仰角驅(qū)動電機(jī)額定電流的12％(±2%)，如此不僅可以實現(xiàn)天線驅(qū)動機(jī)構(gòu)的消隙要求，保證雷達(dá)伺服系統(tǒng)的跟蹤精度，同時也保證了天線機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全可靠，主要應(yīng)用于中、小口徑精密跟蹤雷達(dá)仰角伺服支路。
文檔編號G01S7/02GK202646656SQ20122020069
公開日2013年1月2日 申請日期2012年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月7日
發(fā)明者王錄, 路建功, 張維寧, 劉彥強(qiáng) 申請人:中國人民解放軍63636部隊