金矗贤，李东升，罗红宇
（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191）
摘要：介绍了一个新型的可以进行偏焦测量的数控馈源定位装置。该装置利用伺服电机进行驱动，使得馈源相位中心实现横向和纵向的高精度运动，紧缩场内可以在偏焦状态下进行电磁测量。在实验过程中已经确定了一条精确的偏焦轨迹线，并且已经写入了控制程序，方便以后的实验。该系统采用倍福Twin CAT软PLC控制伺服电机精确地完成运动；上位机界面采用C#进行开发，实现了较好的人机交互，方便了实际操作。该馈源定位装置已经在某紧缩场中得到了实际应用，定位精度等也都达到了设计要求。
关键词：紧缩场；馈源定位装置；C#编程 中图分类号：TP273
0 引言
馈源定位装置是紧缩场中一个重要的组成部分，定位装置的定位精度直接影响着馈源喇叭相位中心的定位精度。馈源相位中心在反射面焦点处发射的球面电磁波经过旋转抛物面板反射之后形成平面波，从而达到远场的测试要求。传统的馈源定位装置是固定式的，其结构简单功能单一，无法满足一些新型紧缩场的测试需求。
在某紧缩场的设计研制过程中，需要完成左右偏焦测量任务，并且要求达到0.1 mm的定位精度。馈源系统拥有单馈源测量和双馈源测量两种工作方式，单馈源测量主要测量目标天线的方向图，馈源的相位中心位于抛物面焦点之上，当偏焦测量时，馈源的相位中心位于一条特定的曲线上；双馈源测量主要是测量目标物体的雷达散射截面数据( RCS)，两馈源对称分布，连线中点位于抛物面焦点之上，当偏焦测量时，连线中点位于上述特定曲线上。在天线测量过程中，馈源需要完成特定角度极化以及特定速度绕轴线旋转两种动作；在RCS测量过程中，两个馈源喇叭需要完成特定角度极化动作。所有极化旋转都是需要自动完成的，以提高工作效率。
1 馈源定位装置机械结构设计
1.1机械结构总体设计
馈源定位装置运动要求简图如图1所示。为了满足左右偏焦的需求，馈源定位装置需要实现以下3种运动：①馈源定位装置在垂直于紧缩场电轴方向（以下称为横向扫描运动轴）关于暗室对称，实现左、右各1450 mm的平移运动；②在前后方向（以下称为纵向补偿轴）实现平移运动，范围为相位中心往前150 mm，往后50 mm;③以馈源相位中心所在竖直线为旋转轴，实现左、右各9。的旋转调整运动。通过这3个运动，可以满足馈源定位装置精确定位馈源喇叭的位置，实现偏焦测量。
为了实现馈源喇叭极化角的自动调整以及天线测量时连续旋转的功能，两个馈源喇叭需要安装到特定的数控转台上，利用程序精确控制每一个喇叭的极化转角。
经过设计制造的馈源定位装置总体结构由安装基板、横向扫描运动轴、纵向补偿轴、馈源喇叭、电控转台、调整机构组成，如图2所示。
安装基板是馈源定位装置的安装平台，由3块钢板组成，每一块钢板通过定位孔安装在预埋在地基中的地脚螺栓上，最后利用螺母进行固定。
横向扫描运动轴的有效行程为3 000 mm，满足了设计中要求左、右各1450 mm的移动量。伺服电机通过弹性联轴器直接驱动丝杠转动，丝杠带动负载平台在精密直线导轨上完成准确定位运动。横向扫描运动轴安放在安装基板之上，在装调完毕以后通过压紧装置进行固定。
纵向补偿轴的有效行程为260 mm，该轴是由伺服电机通过同步轮同步带传动带动丝杠转动，丝杠带动负载平台做高精度直线运动。该轴直接安装在横向扫描轴负载平台之上，通过定位孔进行精确定位，最终通过螺栓进行固定。
旋转轴的设计采用了现代工业机器人关节中常用的RV减速器。减速器的输入轴与输出轴在同一轴线上，它的安装法兰通过定位孔安装在补偿轴的负载平台之上。伺服电机与减速器高速轴通过同步轮同步带进行传动，最终伺服电机与减速器输出轴之间通过一个特定的减速比精确控制。
馈源数控极化转台采用了高精度涡轮蜗杆电控极化转台装置。伺服电机通过联轴器与蜗杆相连，通过一定的减速比精确带动涡轮转动。涡轮的输出盘与馈源喇叭架连接，带动馈源喇叭实现设定的极化定位。
1.2 定位装置微调机构设计
为了保证在装调过程中能够更加精确地进行定位，在系统机械结构中设计两个方面的微调机构：①横向扫描轴水平和平行微调机构；②馈源相位中心高度微调机构。
当横向扫描运动轴安放在安装基板上以后，整个装置并不位于一个水平面以内，轴运动方向与暗室电轴方向不严格垂直，因此需要设计微调机构，如图3所示。扫描轴有3组共12个水平调节螺钉，通过调节每一个螺钉顶起高度，可以将运动轴调整在同一水平面内，误差在0.1 mm以内；有3组共6个平行调节螺钉，调节这3组螺钉，可以将轴的运动方向调整至与暗室电轴方向垂直。在调整完成之后，利用压紧装置，将运动轴固定在安装基板之上。
在馈源定位装置安装固定之后，需要对馈源相位中心高度做最后的微调，将高度调整至理论设计位置。所设计的高度调整装置安装在旋转轴RV减速器与支撑斜臂之间，其结构如图4所示。
高度调整装置分成固定架、活动架、螺柱以及锁紧装置，高度微调的量为26 mm。固定支架通过螺栓与减速器输出轴安装孔相连，高度固定不变。活动支架与固定支架通过导柱进行组装。活动支架内有螺纹，与螺柱上的螺纹相配合。螺柱通过推力轴承安装在固定支架内部，当旋转螺柱时，活动支架就能够沿着螺柱上下运动，完成最后微调的过程。在微调完成后，用锁紧螺钉将螺柱顶紧，高度固定。
2控制系统设计
2.1 控制系统硬件设计
该馈源定位装置共有5个运动轴，每一个运动轴都采用伺服电机进行驱动。控制系统中，采用了先进的Twin CAT软PLC作为控制中心。以工控机为核心，利用Ether CAT总线，将各模块连接成一张网络，如图5所示。
工控机通过以太网Ether CAT总线将控制信息传递给端子模块，然后再发送给每一个伺服电机的驱动器。驱动器控制对应的电机，完成精确的运转。在横向轴与纵向轴两端设置了行程开关，以保证设备运行安全。行程开关数据信息通过导线传递给端子输入模块。该方法实现了信息快速、准确的双向实时交互。
2.2 控制系统软件设计
本控制系统中软件设计分为底层PLC程序以及上位机人机交互界面两部分。在系统中，PLC采用了倍福Twin CAT软PLC，它融合了传统硬PLC的功能和PC环境在数据、通信上的各种优点，编程语言遵循IEC61131-3标准。在本控制程序中PLC采用了ST语言、FBD语言混合编程方法，使得PLC程序更加灵活。
控制系统上位机界面采用了C#进行编写，利用Windows窗体应用程序编程技术，使得编程过程更加简单。在编程过程中，C#通过调用“Twin CAT. Ads.d11”这一动态链接库与Twin CAT程序建立通讯联系。C#通过句柄与PLC程序进行数据传递交换。该方法实现了通过C#程序控制Twin CAT程序中变量的功能，继而实现了控制整个装置的运转。天线测量控制界面和RCS测量控制界面如图6和图7所示，可以实现天线测量以及RCS测量。RCS测量过程中，程序控制两个馈源转动；天线测量过程中，程序只控制一个馈源转动。
3现场装调
馈源相位中心定位精度要求与抛物面焦点件误差小于0.1 mm，利用激光跟踪仪，结合专用的SA测量软件，经过实际测量，得到抛物面焦点坐标为(0. 190 200,-1. 886 000，8 299. 899 400)，馈源相位中心的定位位置为（0.132 2，-0.187 88，8 299. 924 5），测量数据如图8所示。计算得到相位中心位置与抛物面焦点之间位置距离为0. 063 mm，小于0.1 mm，符合设计要求。
4结论
该馈源定位装置具有横向平动、纵向平动和旋转功能，实现了偏焦测量。在运动机构中，选用了高精度滚珠丝杠和高精度直线导轨，保证了运动的准确性。每个运动轴采用伺服电机驱动，使得运动控制更加容易、准确。控制软件采用了C#和Twin CAT混合编程技术，使得编程更加灵活，既能够实现底层软PLC技术的精确控制，也建立了一个很好的人机交互界面，使得实际操作简单方便。该馈源定位装置的研发制造，为今后紧缩场更多新型馈源定位装置的研制提供了很多参考。
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