本发明涉及机械工程技术领域，具体涉及一种真空环境下不同信号天线的三自由度转换系统及方法。
背景技术：
在空间等离子体环境模拟与研究系统真空子系统的环境模拟试验中，为实现不同工作频段的微波传输测量，需要准确切换至所需频段天线的装置。之前设计一套转换机构夹具，但需要手动进行装夹不同工作频段的天线，因在真空环境下，人手动进行安装不仅破坏其真空度，而且操作效率低下，安装位置精确度遭到破坏。目前，在真空环境下不同信号天线的转换机构装置实现自动化，采用两个mgc104与mgc103电控倾斜台切换所需频段天线，但其存在问题是：与不同工作频段天线连接的mgc104电控倾斜台自身重，所带中心负载比较小，最重要的是电控倾斜台只能实现不同工作频段天线在yz面摆动一定角度，如果要实现不同工作频段天线摆动不同角度，此设计的转换机构装置无法达到要求。
技术实现要素：
为了解决现有的在真空环境下不同信号天线的转换机构装置存在的操作率低、定位精确度较低及无法实现任意角度摆动天线等问题，本发明提供了真空环境下不同信号天线的三自由度转换系统及方法。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
真空环境下不同信号天线的三自由度转换系统，其特征是，其包括：plc控制器、第一伺服驱动器、第一伺服电机、平移传动机构、t型连接板、电控倾斜台、第二伺服电机、第二伺服驱动器、折弯板、电控旋转台、第三伺服电机、第三伺服驱动器、l型连接板和信号天线夹具；
该系统设置在真空罐中，提供真空环境；
plc控制器与第一伺服驱动器连接，第一伺服驱动器与第一伺服电机连接，第一伺服电机与平移传动机构连接，平移传动机构固定在真空罐顶端；平移传动机构与t型连接板连接，实现信号天线沿x方向的移动；t型连接板与电控倾斜台连接，电控倾斜台与第二伺服电机连接，第二伺服电机与第二伺服驱动器连接，第二伺服驱动器与第一伺服驱动器连接，电控倾斜台实现信号天线在xz面的转动；电控倾斜台与折弯板连接，折弯板的侧表面与电控旋转台连接，电控旋转台与第三伺服电机连接，第三伺服电机与第三伺服驱动器连接，第三伺服驱动器与第二伺服驱动器连接，电控旋转台实现信号天线yz面的转动；电控旋转台与l型连接板连接，l型连接板下表面与信号天线夹具连接。
真空环境下不同信号天线的三自由度转换方法，其特征是，其包括以下步骤：
步骤一，第一伺服电机与平移传动机构的滚珠丝杠螺栓连接，滚珠丝杠通过第一伺服电机传动驱动力，能实现精确定位；平移传动机构中的底座上表面固定在真空罐顶端，平移传动机构中的底座下表面与滑轨固定，滑轨通过螺钉与滑台连接，平移传动机构实现信号天线沿x方向的移动；
步骤二，滑台与t型连接板连接，t型连接板与电控倾斜台连接，电控倾斜台中的第一蜗轮蜗杆传动机构固定在倾斜台底座里面，第一蜗轮蜗杆传动机构与第二伺服电机连接，传动驱动力，能实现精确定位；倾斜台底座与倾斜台弧形滑轨连接，倾斜台弧形滑轨与倾斜台连接，实现倾斜台沿倾斜台弧形滑轨移动，从而实现电控倾斜台带动信号天线在xz面的摆动一定角度，当摆动到指定位置能实现自锁；
步骤三，电控倾斜台中的倾斜台下表面通过螺栓与折弯板连接，折弯板的测表面通过螺栓与电控旋转台中的旋转台底座一侧连接，旋转台底座另一侧与旋转台一侧连接，第二蜗轮蜗杆传动机构与第三伺服电机连接，传动驱动力，能实现精确定位，电控旋转台实现信号天线yz面的转动；旋转台的另一面与l型连接板连接，l型连接板下表面与信号天线夹具通过螺栓连接；
步骤四，安装信号天线，信号天线a装夹在夹具，信号天线b装夹在夹具，信号天线c装夹在夹具；
步骤五，连接控制部分；plc控制器通过ethercat通信网线与第一伺服驱动器连接，第一伺服驱动器通过线缆与第一伺服电机连接；第一伺服驱动器通过ethercat通信网线与第二伺服驱动器连接，第二伺服驱动器通过线缆与第二伺服电机连接；第二伺服驱动器通过ethercat通信网线与第三伺服驱动器连接，第三伺服驱动器通过线缆与第三伺服电机连接；
步骤六，一切安装完成后，若需要实现信号天线a在指定位置与其它天线进行通讯，plc控制器通过向第一伺服驱动器发射脉冲，第一伺服驱动器驱动第一伺服电机带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠机构将旋转运动变为直线运动；第一伺服电机转速为n1，单螺线滚珠丝杠的导程为ph在x方向上的位移s，时间为t1；计算公式为：
s＝n1×ph×t1
当到达指定位置，第一伺服电机的编码器将位置信息反馈到plc控制器，
plc控制器控制第一伺服电机停止转动，实现抱闸；
步骤七，plc控制器通过向第二伺服驱动器发射脉冲，第一伺服驱动器驱动第二伺服电机带动第一蜗轮蜗杆传动机构转动，传动驱动力变为倾斜台沿倾斜台弧形滑轨摆动，从而带动信号天线a在xz面摆动一定角度；第二伺服电机转速为n2，电控倾斜台的传动比为i1,极限摆动角为30°，电控倾斜台在xz面摆动角度为θ1，时间为t2；计算公式为：
当到达指定位置，第二伺服电机的编码器将位置信息反馈到plc控制器，plc控制器控制第二伺服电机停止转动，实现抱闸；
步骤八，plc控制器通过向第三伺服驱动器发射脉冲，第三伺服驱动器驱动第三伺服电机带动第二蜗轮蜗杆传动机构转动，传动驱动力变为旋转台的旋转，从而带动信号天线a在yz面旋转一定角度；第三伺服电机额定转速为n3，电控旋转台的传动比i2为180，旋转角为360°，电控倾斜台在xz面摆动角度为θ2，时间为t3，计算公式为：
当到达指定位置，第三伺服电机的编码器将位置信息反馈到plc控制器，plc控制器控制第三伺服电机停止转动，实现抱闸；从而使信号天线a精确切换至所需要位置与其它天线进行通讯；
步骤九，若实验需要将信号天线b或信号天线c摆动到一定角度与其他信号天线通讯，则操作步骤重复步骤六、步骤七、步骤八。
本发明的有益效果：
本发明实现了在不破坏真空度的情况下，自动准确的切换至所需频段的天线，并在yz面摆动任意角度的功能，能实现连续动作，且电控倾斜台内采用蜗轮蜗杆传动驱动力大；内采用弧形滚珠导轨，传动平稳，可靠；并带有自锁功能，编码器实现半闭环控制，能实现精确的定位有效提高了实验过程的操作率及保证实现真空度。
附图说明
图1是本发明的真空环境下不同信号天线的三自由度转换系统的结构示意图。
图2是平移传动机构内部结构示意图。
图3是精密电控倾斜台内部结构示意图。
图4是精密电控旋转台内部结构示意图。
图5是不同信号天线的夹具结构示意图。
图6是本发明真空环境下不同信号天线的三自由度转换方法的工作流程图。
图中：1、plc控制器，2、第一伺服驱动器，3、第一伺服电机，4、平移传动机构，4-1、滚珠丝杠，4-2、底座，4-3、滑轨，4-4、滑台，5、t型连接板，6、电控倾斜台，6-1、倾斜台座，6-2、第一蜗轮蜗杆传动机构，6-3、倾斜台弧形滑轨，6-4、倾斜台，7、第二伺服电机，8、第二伺服驱动器，9、折弯板，10、电控旋转台，10-1、旋转台底座，10-2、第二蜗轮蜗杆传动机构，10-3、旋转台，11、第三伺服电机，12、第三伺服驱动器，13、l型连接板，14、信号天线夹具，14-1、信号天线a16的夹具，14-2、信号天线b17的夹具，14-3、信号天线c18的夹具，15、圆柱形真空罐，16、信号天线a，17、信号天线b，18、信号天线c。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，真空环境下不同信号天线的三自由度转换系统包括：plc控制器1、第一伺服驱动器2、第一伺服电机3、平移传动机构4、t型连接板5、电控倾斜台6、第二伺服电机7、第二伺服驱动器8、折弯板9、电控旋转台10、第三伺服电机11、第三伺服驱动器12、l型连接板13和信号天线夹具14。
该系统设置在圆柱形的真空罐15中，提供真空环境。
plc控制器1通过ethercat通信网线与第一伺服驱动器2的串口ⅰ连接，第一伺服驱动器2通过线缆与第一伺服电机3连接，第一伺服电机3与平移传动机构4连接，平移传动机构4固定在真空罐15顶端。平移传动机构4与t型连接板5连接，实现信号天线沿x方向的移动。t型连接板5与电控倾斜台6连接，电控倾斜台6与第二伺服电机7连接，第二伺服电机7通过线缆与第二伺服驱动器8连接，第二伺服驱动器8通过ethercat通信网线与第一伺服驱动器2连接，电控倾斜台6实现信号天线在xz面的转动。电控倾斜台6与折弯板9连接，折弯板9的侧表面通过螺栓与电控旋转台10连接，电控旋转台10与第三伺服电机11连接，第三伺服电机11通过线缆与第三伺服驱动器12连接，第三伺服驱动器12通过ethercat通信网线与第二伺服驱动器8连接，电控旋转台10实现信号天线yz面的转动。电控旋转台1与l型连接板13连接，l型连接板13下表面与信号天线夹具14通过螺栓连接。
水平向右为x正方向，竖直向上为z正方向，垂直纸面向外为y正方向。
如图2所示，平移传动机构4包括滚珠丝杠4-1，底座4-2，滑轨4-3和滑台4-4。滚珠丝杠4-1固定在底座4-2里面，第一伺服电机3与平移传动机构4的滚珠丝杠4-1螺栓连接，滚珠丝杠4-1通过第一伺服电机3传动驱动力，能实现精确定位。底座4-2上表面固定于真空罐15顶端，底座4-2下表面与滑轨4-3连接，滑轨4-3与滑台4-4连接。滑台4-4与t型连接板5连接。平移传动机构4实现信号天线沿x方向的移动。
如图3所示，电控倾斜台6包括倾斜台底座6-1、第一蜗轮蜗杆传动机构6-2、倾斜台弧形滑轨6-3和倾斜台6-4。第一蜗轮蜗杆传动机构6-2固定在倾斜台底座6-1里面，倾斜台底座6-1与倾斜台弧形滑轨6-3连接，倾斜台弧形滑轨6-3与倾斜台6-4连接，实现倾斜台6-4沿倾斜台弧形滑轨6-3移动，传动平稳、可靠。从而实现电控倾斜台6带动信号天线在xz面的转动，当转动到指定位置能实现自锁。
第一蜗轮蜗杆传动机构6-2与第二伺服电机7连接，第一蜗轮蜗杆传动机构6-2通过第二伺服电机7传动驱动力，能实现精确定位。
电控倾斜台6中的倾斜台6-4下表面通过螺栓与折弯板9连接。
如图4所示，电控旋转台10包括旋转台底座10-1、第二蜗轮蜗杆传动机构10-2和旋转台10-3。第二蜗轮蜗杆传动机构10-2固定在旋转台座10-1里面，第二蜗轮蜗杆传动机构10-2与第三伺服电机11连接，第二蜗轮蜗杆传动机构10-2通过第三伺服电机11传动驱动力，精加工的第二蜗轮蜗杆传动机构10-2，能实现精确定位。折弯板9的测表面通过螺栓与电控旋转台10中的旋转台座10-1一侧连接，旋转台座10-1另一侧与旋转台10-3一侧连接，旋转台10-3带动信号天线在yz面的转动，当转动到指定位置能实现自锁。
如图5所示，天线夹具14包括可装夹信号天线a16的夹具14-1，可装夹信号天线b17的夹具14-2，可装夹信号天线c18的夹具14-3，可以装夹不同工作频段的天线。信号天线a16的夹具14-1与信号天线b17的夹具14-2在yz面呈呈30°分布，信号天线a16的夹具14-1与信号天线c18的夹具14-3在yz面呈60°分布。
真空环境下不同信号天线的三自由度转换方法，包括以下步骤：
步骤一、第一伺服电机3与平移传动机构4的滚珠丝杠4-1螺栓连接第一伺服电机3与平移传动机构4的滚珠丝杠4-1螺栓连接，滚珠丝杠4-1通过第一伺服电机3传动驱动力，能实现精确定位。平移传动机构4中的底座4-2上表面固定在真空罐15顶端，平移传动机构4中的底座4-2下表面与滑轨4-3固定，滑轨4-3通过螺钉与滑台4-4连接，平移传动机构4实现信号天线沿x方向的移动。
步骤二、滑台4-4与t型连接板5连接，t型连接板5与电控倾斜台6连接，电控倾斜台6中的第一蜗轮蜗杆传动机构6-2固定在倾斜台底座6-1里面，第一蜗轮蜗杆传动机构6-2与第二伺服电机7连接，传动驱动力，能实现精确定位。倾斜台底座6-1与倾斜台弧形滑轨6-3连接，倾斜台弧形滑轨6-3与倾斜台6-4连接，实现倾斜台6-4沿倾斜台弧形滑轨6-3移动，从而实现电控倾斜台6带动信号天线在xz面的摆动一定角度，当摆动到指定位置能实现自锁。
步骤三、电控倾斜台6中的倾斜台6-4下表面通过螺栓与折弯板9连接，折弯板9的测表面通过螺栓与电控旋转台10中的旋转台底座10-1一侧连接，旋转台底座10-1另一侧与旋转台10-3一侧连接，第二蜗轮蜗杆传动机构10-2与第三伺服电机11连接，传动驱动力，能实现精确定位，电控旋转台10实现信号天线yz面的转动。旋转台10-3的另一面与l型连接板13连接，l型连接板13下表面与信号天线夹具14通过螺栓连接。
步骤四、安装信号天线，信号天线a16装夹在夹具14-1，信号天线b17装夹在夹具14-2,信号天线c18装夹在夹具14-3。
步骤五、完成机械部分连接后，连接控制部分。plc控制器1通过ethercat通信网线与第一伺服驱动器2连接，第一伺服驱动器2通过线缆与第一伺服电机3连接；第一伺服驱动器2通过ethercat通信网线与第二伺服驱动器8连接，第二伺服驱动器8通过线缆与第二伺服电机7连接；第二伺服驱动器8通过ethercat通信网线与第三伺服驱动器12连接，第三伺服驱动器12通过线缆与第三伺服电机11连接。
步骤六、一切安装完成后，若需要实现信号天线a16在指定位置(在x方向移动到某位置，在xz面摆动一定角度，在yz面旋转一定角度)与其它天线进行通讯。plc控制器1通过向第一伺服驱动器2发射脉冲，第一伺服驱动器2驱动第一伺服电机3带动滚珠丝杠4-1转动，滚珠丝杠4-1机构将旋转运动变为直线运动。第一伺服电机3额定转速n1为1500r/min，单螺线滚珠丝杠4-1的导程为ph在x方向上的位移s，时间为t1。计算公式为：
s＝n1×ph×t1＝1500r/min×ph×t1
当到达指定位置，第一伺服电机3的编码器将位置信息反馈到plc控制器1，plc控制器1控制第一伺服电机3停止转动，实现抱闸。
步骤七、plc控制器1通过向第二伺服驱动器8发射脉冲，第一伺服驱动器2驱动第二伺服电机7带动第一蜗轮蜗杆传动机构6-2转动，传动驱动力变为倾斜台6-4沿倾斜台弧形滑轨6-3摆动，从而带动信号天线a16在xz面摆动一定角度。第二伺服电机7额定转速n2为1500r/min,电控倾斜台6的传动比为i1,极限摆动角为30°，电控倾斜台6在xz面摆动角度为θ1，时间为t2。计算公式为：
当到达指定位置，第二伺服电机7的编码器将位置信息反馈到plc控制器1，plc控制器1控制第二伺服电机7停止转动，实现抱闸。
步骤八、plc控制器1通过向第三伺服驱动器12发射脉冲，第三伺服驱动器12驱动第三伺服电机11带动第二蜗轮蜗杆传动机构10-2转动，传动驱动力变为旋转台10-3的旋转，从而带动信号天线a16在yz面旋转一定角度。第三伺服电机11额定转速n3为1500r/min,电控旋转台10的传动比i2为180，旋转角为360°，电控倾斜台6在xz面摆动角度为θ2，时间为t3，计算公式为：
当到达指定位置，第三伺服电机11的编码器将位置信息反馈到plc控制器1，plc控制器1控制第三伺服电机11停止转动，实现抱闸。从而使信号天线a16精确切换至所需要位置(在x方向移动到某位置，在xz面摆动一定角度，在yz面旋转一定角度)与其它天线进行通讯。
步骤九、若实验需要将信号天线b17或信号天线c18摆动到一定角度与其他信号天线通讯，则操作步骤重复步骤六、步骤七、步骤八。