雷达天线锁的传动系统设计及运动仿真罗纳德毕设论文.docx

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雷达天线锁的传动系统设计及运动仿真罗纳德毕设论文

西安文理学院机械与材料工程学院

本科毕业设计（论文）

题目雷达天线锁的传动系统设计及运动仿真

专业班级11级机械

（1）班

学号0802110130

学生姓名罗纳德

指导教师戴君

设计所在单位西安文理学院

2015年5月

雷达天线锁的传动系统设计及运动仿真

摘要：

雷达天线锁的设计是雷达工程的一个重要课题。

本文对雷达天线锁的设计及要求进行了研究。

根据雷达天线锁的主要工作概况，选择并确定了雷达天线锁的最终运动形式和结构，且对雷达天线锁进行了环境适应性设计。

最后应用pro/E软件对此传动系统进行三维实体建模及运动仿真，进一步理解雷达天线锁的工作原理，加深印象。

关键词：

雷达天线锁；传动形式；三维实体建模；运动仿真；

DesignandMotionSimulationofTransmissionSystemoftheRadarAntenna Lock

Abstract：

Designofradar antenna lock isanimportanttopicinradar engineering.Thedesignandrequirementsofradarantennalockarestudiedinthispaper.Accordingtothemainworkingstatusofradarantennalock，chooseanddeterminethefinalmovementformandstructureofradarantennalock，andtheadaptivedesignoftheradarantennalockiscarriedout.Finally，applicationofpro/E software for3DsolidmodelingandMotionsimulationofthetransmissionsystem，tofurtherunderstandthe workingprincipleof radarantenna lock，deepenanimpression.

Keywords：

RadarAntenna Lock；TransmissionForm；The3D SolidModeling；MotionSimulation；

第1章绪论

1.1选题的目的与意义

雷达用来辐射和接收电磁波并决定其探测方向的设备。

雷达在发射时须把能量集中辐射到需要照射的方向；而在接收时又尽可能只接收探测方向的回波，同时分辨出目标的方位和仰角，或二者之一。

雷达测量目标位置的三个坐标（方位、仰角和距离）中，有两个坐标（方位和仰角）的测量与天线的性能直接有关。

因此，天线性能对于雷达设备比对于其他电子设备（如通信设备等）更为重要，然而雷达天线锁对于雷达天线的方向锁定及其角度的控制显得尤为重要。

本课题的设计是对于给定的雷达天线机构，首先进行测量，结构数据收集，然后设计自动锁定机构，并绘制出自动锁定机构的工程图，实现该机构的自动运行，同时可以实现手动运行功能。

在此基础上，进行各零部件的三维实体建模，进而进行整体装配并进行运动仿真。

作为伺服系统的机械结构部分—天线锁，是安装在天线座平台上的，要在伺服系统的指令下能够快速的锁定雷达天线的转向，保证雷达天线正常稳定的工作，这就不仅要求天线锁的传动系统具有较高的承载能力和传动精度，而且还要有足够的系统刚度和快速、稳定的动态响应能力。

为了满足这些需要，就必须要应运设计理论和分析方法对雷达天线锁的传动系统的动态特性进行动力学运动仿真分析和研究，为今后在实践中合计设计传动系统提供依据，并未最终实现雷达天线锁传动系统的动态优化设计奠定基础。

1.2雷达天线在国内外的研究情况及发展趋势

雷达天线的应用广泛，基本可以应用在各个领域，尤其在军事方面，雷达天线的作用更是举轻若重。

在国外，雷达天线比国内发展较早，比国内成熟些许，并且雷达天线的应用也十分广泛，在雷达天线技术中革新最显著的是相控阵天线，20世纪60年代，美国和前苏联相继研制和装备了多部相控阵雷达，多用于弹道导弹防御系统。

在国内，经过十年时间，周万幸造就了“海之星”，不仅让中国成为了第三个拥有自主创新舰载多功能雷达的国家，还被美国中情局评价称，该雷达是中国真正自主创新研制的相控阵雷达。

它的研制成功标志着中国第一部舰载多功能相控阵雷达的研制已达国际领先水平。

该级战舰上装备的相控阵雷达是目前最先进的相控阵雷达之一，不但能扫描探测目标，还能对发出的导弹进行跟踪，对空探测距离、引导能力和同时处理的目标数量，在世界范围内都处于先进行列。

在21世纪，相控阵雷达随着科技的不断发展和现代战争兵器的特点，其制造和研究更上一层楼。

今后的雷达天线将是采用保形和数字波束形成（DBF）技术的阵列天线.美国在1986年

就提出了智能蒙皮计划.它要求不仅阵列天线的发射接收单元进一步小型、小质量和薄膜化,而且信号处理和信号分析系统也要多层化并可以埋入飞机蒙皮。

另外有人研究了采用数字波束形成技术的保形天线阵。

1989年发表了这种天线最初的试验结果报告.这种天线系统既利用了保形天线扫描角度宽和与周围环境匹配的特性,又发挥了数字波束形成系统易于降低旁瓣和多波束化的特性.目前,包括上述灵巧蒙皮在内的保形天线和数字波束形成系统正朝着21世纪达到实用的目标迅速前进。

作为下一代多功能天线,将出现综合运用智能保形天线技术、平面阵天线和相控阵天线的多频共用和极化波共用技木以及数字波束形成技术的新系统。

作为天线,除功能和性能外,还要求与周围环境的匹配。

今后的任务是开发与周围环境协调的智能化的各种天线系统.

1.3本课题主要内容

雷达天线锁是安装在天线座平台上的，要在伺服系统的指令下能够快速的锁定雷达天线的水平转向，保证雷达天线正常稳定的工作。

在雷达天线锁结构中，传动系统是雷达天线锁极其重要的组成部分，直接影响整个结构的动态性能。

根据其工作情况，传动系统必然要考虑到各个方面的载荷影响和腐蚀的影响，因此要对关键零部件进行初步的设计，再通过pro/E软件对传动系统进行关键部件的建模和对传动系统的仿真合理配置传动机构。

因为其工作行程为20mm，运动时间小于2秒/行程，工作精度较高，所以也要对传动系统的传动精度、传动效率进行分析和估算。

第2章雷达天线锁的工作原理

2.1雷达天线锁的工作概况及工作要求

雷达天线锁是稳定平台系统内的锁定装置，安装于稳定平台的外围，由于某些雷达安装位置低，海上风浪大，工作环境恶劣，所以自动锁性能的安全可靠对舰载雷达的正常工作起着至关重要的作用。

雷达天线锁是一个机械结构，其传动系统可将旋转运动改变为直线运动，从而应用电机输出的转矩使锁舌伸出将雷达天线固定。

作为伺服系统的机械结构部分—天线锁，它要在伺服系统的指令下能够可靠的锁定雷达天线的转向。

这就不仅要求天线锁的传动系统具有较高的承载能力和传动精度，而且还要有足够的系统刚度和快速、稳定的动态响应能力。

2.2雷达天线锁的传动机构

天线锁的最终运动形式为直线运动，需要用锁舌将雷达天线固定。

而其动力来源是电动机，电动机输出的运动形式是旋转运动，而且转速较大。

所以需要有涡轮蜗杆传动机构来改变运动方向和降低转速。

图2.1为雷达天线锁的传动机构示意图：

第3章雷达天线锁传动系统的设计

3.1常见的传动系统种类

在机械传动方面，常见的传动种类：

带传动，链传动，轴传动，齿轮传动，蜗杆涡轮传动，摩擦轮传动，螺旋传动，液压传动，气压传动。

带传动一般有以下特点：

1．带有良好的饶性，能吸收震动，缓和冲击，传动平稳噪音小。

2．当带传动过载时，带在带轮上打滑，防止其他机件损坏，起到过载保护作用。

3．结构简单，制造，安装和维护方便；

4．带与带轮之间存在一定的弹性滑动，故不能保证恒定的传动比，传动精度和传动效率较低。

5．由于带工作时需要张紧，带对带轮轴有很大的压轴力。

6．带传动装置外廓尺寸大，结构不够紧凑。

7．带的寿命较短，需经常更换。

由于带传动存在上述特点，故通常用与中心距较大的两轴之间的传动传递功率一般不超过50KW。

链传动兼有带传动和齿轮传动的特点。

主要优点：

与摩擦型带传动相比，链传动无弹性滑动和打滑现象，因而能保持准确的传动比（平均传动比），传动效率较高（润滑良好的链传动的效率约为9798%）；又因链条不需要象带那样张得很紧，所以作用在轴上的压轴力较小；在同样条件下，链传动的结构较紧凑；同时链传动能在温度较高、有水或油等恶劣环境下工作。

与齿轮传动相比，链传动易于安装，成本低廉；在远距离传动时，结构更显轻便。

主要缺点：

运转时不能保持恒定传动比，传动的平稳性差；工作时冲击和噪音较大；磨损后易发生跳齿；只能用于平行轴间的传动。

链传动主要用在要求工作可靠,且两轴相距较远,以及其他不宜采用齿轮传动的场合。

齿轮传动的特点：

1.效率高在常用的机械传动中，以齿轮传动效率为最高，闭式传动效率为96%~99%，这对大功率传动有很大的经济意义。

2.结构紧凑比带、链传动所需的空间尺寸小。

3.工作可靠、寿命长设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可长达一二十年，这也是其它机械传动所不能比拟的。

这对车辆及在矿井内工作的机器尤为重要。

4.传动比稳定传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。

齿轮传动获得广泛应用，正是由于其具有这一特点。

但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过

大的场合。

滚珠丝杆的主要优点有：

1.滚动摩擦系数小，传动效率高，其效率可达90%以上，摩擦系数f=0.002～0.005；

2.摩擦系数与速度的关系不大，故起动扭矩接近运转扭矩，工作较平稳；

3.磨损小且寿命长，可用调整装置调整间隙，传动精度与刚度均得到提高；

4.不具有自锁性，可将直线运动变为回转运动。

滚珠丝杆的缺点有：

1.结构复杂，制造困难；

2.在需要防止逆转的机构中，要加自锁机构；

3.承受能力不如滑动螺旋传动大。

3.2雷达天线锁传动系统的设计方案

根据雷达天线锁的工作概况及工作要求，需要通过一些传动形式将电机的旋转运动转化为锁舌的线型运动，并且电机的转速太大，必须要设计出一种可以将电机的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。

由以上的一些工作要求，然后经过分析、设计几种传动方案，并在其中选择最优方案作为雷达天线锁传动系统的最终传动形式。

3.2.1凸轮顶杆机构

方案A，凸轮顶杆机构的特点是结构简单、紧凑、设计方便，可实现从动件任意预期运动。

但其缺点也很明显，其最终运动形式为直线往复运动，难以控制其一个方向的行程量。

3.2.2涡轮蜗杆、齿轮齿条机构

方案B包括涡轮蜗杆机构、齿轮齿条机构，蜗轮与齿轮同轴固定，进而带动齿轮齿条机构运动，齿条通过弹簧的弹性力使锁舌伸出。

这种形式具有结构简单、可靠性高、密封效果好等优点。

但是此传动系统所需要的空间较大，且最终的运动方向并不符合工作要求。

3.2.3涡轮蜗杆、丝杠螺母进给构

与方案B不同的是方案C用丝杠螺母进给机构代替了齿轮齿条机构,明显的改变是空间占用小、传动比大，符合此次设计的要求，并且这样的结构同样具有结构简单、可靠性高、密封效果好等优点。

天线锁传动系统主要由蜗轮蜗杆传动机构、丝杠螺母进给机构、限位机构和驱动电机等部分组成。

3.2最优方案的确定

综上所述，方案C是最适合本课题研究所需要的传动方案。

电机（或手动）带动涡杆、蜗轮（i=35，k=1，m=1）实现变速，自动锁工作时，直流力矩电机通过弹性联轴器驱动蜗杆蜗轮传动机构运动，蜗轮与丝杠同轴固定，进而带动丝杠做旋转运动，使锁舌直线伸出，插入稳定平台的锁孔内，即完成锁定任务，且在断电情况下，又可采用手动实现运动过程。

锁舌上固定有凸轮滑块，当锁舌伸出距离20mm时，凸轮滑块转动碰触微动开关，对锁头的行程和往返进行控制，实现开锁和闭锁。

锁在锁定后能够自锁。

机构的设计简单，且涡轮蜗杆的生产技术已经较为成熟，生产成本较低，机构的工作强度也较强，可以满足大多数的民用和工业用情况。

同时，该机构便于拆卸，可以大量的简约资源，提高资源的重复利用率。

如：

展板使用完成后，可以将固定机构拆卸，则两固定杆和固定雷达天线自锁机构都可以重复利用。

第4章雷达天线锁的结构设计

4.1电动机的选取

电机选择西安徽安电机研究所生产的永磁直流电动机40-ZY02，电机的额定转矩为39.2mN·m，额定转速为3500r/min，详细参数见表4-1：

表4-140-ZY02型电机参数：

检验项目

外观、外型尺寸

冷态绝缘电阻

额定电压

额定电流

额定转矩

额定转速

输出功率

技术要求

符合技术条件

500v

100M

24V

1.1A

39.2mN

M

r/min

W

电机的外形及安装尺寸图如图4.1。

4.2雷达天线锁各零部件的设计

本次设计的雷达天线锁的工作环境为海洋潮湿环境，并且在露天环境下工作，为了保证其内部传动系统正常工作，需要设计一些相关的零件来实现辅助和保护功能。

主要工作零件（涡轮、蜗杆、丝杠、支架等）的设计在第五章的各零部件的三维实体建模中实现。

外壳尺寸图见附录一图1。

1.电机罩

电机防护罩主要用于防止灰尘，雨雪等给电动机的运转带来的损害，确保电动机正常连续工作。

防护罩应尽量采用封闭结构，有足够的强度、刚度，因此应采用金属材料制造。

电机罩尺寸图，如图4.2。

2.法兰盘

本课题用到的就是减速器法兰，用于电机与减速机的连接，以及减速机与其它设备之间的连接。

法兰连接的主要特点是拆卸方便、强度高、密封性能好。

法兰盘尺寸图，如图4.3。

3.法兰盘处的密封垫

由于密封面的形式及加工精度等因素的影响，密封面上存在间隙在所难免，这就造成密封面不完全吻合，从而发生泄漏。

使用垫片的目的就是利用垫片材料在压紧载荷的作用下较容易产生塑性变形的特性，使之填平法兰密封面的微小凹凸不平，从而实现密封。

由法兰盘的尺寸设计出的密封垫尺寸图，如图4.4。

4.大端盖

为了固定涡轮尾部的大轴承，因此根据轴承的尺寸设计大端盖的尺寸，大端盖的尺寸图，如图4.5。

5.螺纹端盖

为了固定涡杆尾部的小轴承，因此根据轴承的尺寸设计螺纹端盖的尺寸，螺纹端盖的尺寸图，如图4.6。

6.顶盖

根据外壳的尺寸设计得出顶盖的尺寸图，如图4.7。

7.顶盖处的密封垫

同样由于密封面的形式及加工精度等因素的影响，需要使用垫片填顶盖密封面的微小凹凸不平，从而实现密封。

由顶盖的尺寸设计出的密封垫尺寸图，如图4.8。

8.支架

为了实现对锁头的行程和往返进行控制和开锁和闭锁，需要在锁舌上设计支架，当锁舌伸出距离20mm时，支架在滑动时碰触微动开关，由此设计得出支架的尺寸图，如图4.9。

4.3雷达天线锁的环境适应性设计

4.3.1天线锁常用金属的腐蚀形态

常规雷达天线通常工作环境为海洋潮湿环境，多数采用钢、铝及铝蒙皮蜂窝夹心复合材料等，因此这里重点讨论这种情形的防腐。

金属常见的腐蚀形态有：

均匀腐蚀电偶腐蚀、小孔腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳及磨损腐蚀等。

这些腐蚀形态可能会多个同时出现在一部雷达天线上，以及雷达天线锁，所以从天线锁结构的设计到生产的每一个环节都要综合考虑防腐的应用，以避免或减少上述腐蚀形态的出现。

按照腐蚀的原理通常把腐蚀分为化学腐蚀、电化学腐蚀及物理腐蚀。

对于工作在大气中的天线来说，发生较多的是电化学腐蚀和物理腐蚀，或者是两者结合。

上述腐蚀形态中，前五种形态主要是由于电化学腐蚀引起的，后三种形态主要是由于电化学腐蚀和物理腐蚀共同作用引起的为了保证其内部电器元件正常工作，主要考虑密封设计和防腐蚀设计。

4.3.2密封设计

自动锁的密封分为两种情况:

一种为静密封，一种为动密封。

静密封可采用一般的O型密封圈或密封垫两种方式密封，并在端面涂抹密封胶，其密封等级可以达到防水式密封。

动密封存在两种情况:

一种是锁舌与套筒之间的直线运动密封;一种是旋转轴与壳体之间的旋转密封。

如图4.10所示锁舌与套筒之间的直线运动密封通过毛毡实现，主要防止液态水和灰尘进入齿轮腔体内。

旋转轴与壳体之间的旋转密封采用德氏封的MA47旋转密封圈密封。

MA47旋转密封圈是以聚四氟乙烯为材料主体，以金属张力弹簧作为预压力的U形密封圈，密封性能好，并具有较低的摩擦力，其密封等级可以达到防水式密封。

4.3.3防腐蚀性设计

防腐蚀性设计主要是对零部件材料的选择，以及对零部件涂镀处理工艺的选择。

该自动锁的壳体均采用5A06防锈铝机械加工而成，并经化学氧化处理（Ct·O）;锁舌、齿轮和齿条等零件选用1Cr18Ni9Ti机械加工而成。

旋转密封圈将自动锁内的腔体分为两个腔体，即齿轮腔体和密闭腔体。

齿轮腔体内部的零部件均采用1Cr18Ni9Ti机械加工而成，防锈蚀性能好，允许进入少量的水汽;密闭腔体为防水式密封，保证了内部蜗轮蜗杆传动机构和电器部分的正常工作。

对于雷达天线锁的防腐还可以从以下方面综合考虑：

1.切断腐蚀介质与金属的接触，这可以通过表面喷涂来实现；

2.提高金属本身的防腐能力，除采用特殊材料外，可以通过提高材料的表面粗糙度、对材料进行热处理改变其晶间结构或消除内应力来实现；

3.采用适当的天线结构和连接方式，避免局部应力过大或应力集中，避免缝隙的产生；

4.避免不同金属的连接，或采用损失阳极的阴极保护法防止腐蚀。

第5章对传动系统的三维实体建模和运动仿真

5.1pro/E软件的简介

Pro/E软件的基本功能介绍

Pro/E软件是美国PTC公司推出的大型CAD/CAM/CAE一体化软件。

无论是造型设计、工程出图，以及3D装配等方面，Pro/E软件都具有操作容易、使用方便、可动态修改的特点。

Pro/E更是以其基于特征的参数化设计、单一数据库下的全相关性等新概念而闻名于世。

另外还具有模具设计，动态、静态干涉检查，计算质量特征（如质心、惯性矩）等功能模块。

用Pro/E创建的三维参数化零件模型，不但可以在屏幕上自由的翻转动态观察结构形体，更可以进行方便的动态修改和调整。

进行力学分析、运动分析、数控加工等。

Pro/E是在Windows环境下开发的，因此已成为目前计算机平台上的主流三维设计软件之一。

1．参数化设计

相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。

2．基于特征建模

Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。

这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

3．单一数据库（全相关）

Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。

所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。

换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。

例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。

这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。

这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。

4.虚拟装配

虚拟装配是产品数字化定义中的一个重要环节，在对部件或整体进行有限元分析或动态分析之前要先将它们装配起来。

其内涵就是在计算机上完成产品零部件的实体造型、装配、干涉分析等设计过程，并通过统一的产品数据管理实现三维设计过程与产品零部件制造、装配过程的高度统

一。

虚拟装配时，须定义出各零件之间的关系，系统根据给出的约束函数，实现零件自动装配。

虚拟装配的土要目的是根据产品结构图和装配顺序实施对装配结构的分析、评价，可对设计提出改进建议、优化零件结构，以便丁加工、

装配，减少加工和装配的时间。

5.运动仿真与分析

机构运动仿真技术就是通过对机构添加运动副、驱动器，使其运动起来，实现机构的运动模拟。

机构运动仿真可以在任意时刻查看各个组成部件的位置、速度、加速度、轨迹、位移、运动干涉等参数并加以分析，根据结果调整模型设计，以达到最优的零件机构配置。

机构仿真还可分析力与运动之间的关系，分析运动量以及各运动副之间的相互运动关系，关键部件的受力情况，实时测量指定部分的各种参数并绘制相应曲线、图表，可直观了解运动主体上某点的运动轨迹。

5.2传动系统各部件的的三维实体建模

零部件设计是虚拟装配、运动仿真分析等的基础，具有重要地位。

一般零部件设计首先规划出零部件结构，然后建立简单的几何体，如圆柱、长方体等基本结构，然后在其上进行挖切、拉伸等操作。

对于旋转体，一般可先建立简单的切面轮廓线，通过旋转等操作完成。

对于重复性结构，可使用镜像和阵列的应用技巧，在本次对于各个零件的建模中就大量的使用了旋转、拉伸和阵列的技巧。

此传动系统包括对蜗杆、涡轮丝杠和支架等零件的建模，壳体的建模见附录一图2。

1.蜗杆的建模

2.蜗轮的建模

3.丝杠的建模

4.支架的建模

5.大轴承的建模

一组大轴承用来固定涡轮的两端，大轴承的三维实体图如图5.5。

6.小轴承的建模

一组小轴承用来固定涡杆的两端，小轴承的三维实体图如图5.6。

5.3传动系统的运动学仿真

5.3.1运动仿真过程

首先将传动系统各部件进行装配，然后选择“拖动”，再点击“快照”按钮，关闭保存当前快照，此操作时为了记录当前配置，在之后机构分析的时候做初始位置。

此过程如图5.7。

图5-7传动系统运动仿真过程1-1

然后选择“应用程序”菜单，选择“机构”，然后选择“齿轮”，定义齿轮副，将齿轮1的类型选择为‘一般’，并将运动轴选择为蜗杆的中心轴,设置节圆直径为20mm，如图5-8。

同理，将齿轮1的类型选择为‘涡轮’，并将运动轴选择为蜗轮的中心轴,。

如图5-9。

最后选择‘属性’，压力角不做改动，将螺旋角改为“

（20）”，

（20）代表反正切20的值，即为螺旋角的值，数字20代表的是涡轮的节圆直径。

如图5-10。

选择“伺服电机”按钮，然后选择旋转轴为元件添加的动力。

如图5-11。

然后在‘轮廓’选项中将“规范”一行的“位置”改为速度，设计电动机的速度为50，如图5-12。

然后选择“机构分析”按钮，对机构进行分析，设置终止时间为‘100’，帧频为‘5’，选择“初始配置”中的“快照”，点击“运行”按钮进行运动仿真（如运动方向不正确，在“伺服电动机”里选择“反向”即可），点击“确定”按钮保存当前运动分析。

如图5-13。

最后通过“回放”选项，选择