机电式自动调平

机电式自动调平（精选6篇）

机电式自动调平 第1篇

系统组成

调平原理

调平方式通常有3点式或4点式, 特殊的还有多点式如6腿或更多腿平台。本系统根据实际的应用情况, 采用4点式调平方式。四点支撑的工作平台X轴、Y轴是根据水平传感器的安装位置确定工作平台面上互相垂直的两个轴向, 调平原理如图1所示。

在工作平台的支撑腿着地后, 控制系统开始进行调平。通过水平传感器的检测信号, 可以找出工作平台的最高点。将水平传感器按如图1所示方向安置于工作平台上, 传感器输出含有X和Y轴信号, 它们是与水平误差 (角度) 成线性关系的数字信号。当X>0, Y<0时, 撑腿A为最高点;X<0, Y<0时, 撑腿B为最高点;X<0, Y>0时, 撑腿C为最高点;X>0, Y>0时, 撑腿D为最高点。

假设撑腿着地后撑腿A为最高点 (其他撑腿为最高点的情况相似) , 根据水平传感器的信号, 可以分别进行X轴和Y轴方向的调节。如先进行X轴调节, 其过程如下:撑腿A和D不动, 撑腿B和C同时上升一定位移, 即工作平台绕撑腿A和D为轴线旋转, 撑腿B和C同时上升, 上升的数值由控制系统根据水平传感器的X轴反馈值决定, 直至X轴呈水平状态。Y轴调节与X轴类似。若工作台的X轴和Y轴调节成水平状态, 则可认为工作台已处于水平状态。4点调平的水平误差为θ2=θ12+θ22, θ1和θ2分别为水平传感器的角度精度。若两个传感器的控制精度都为δ时, 则水平误差

4点及多点调平设计面临的一个主要问题是虚腿现象, 即有一个腿受力很小或者悬空, 这在调平过程中是不能允许的。当平台的负载均匀时, 4个支撑点的受力应该均匀。本系统设计的处理办法是把平台支撑起来后, 先进行一次粗调平 (设定一个粗精度) , 目的是使4个支撑点的受力比较接近。然后, 再按照系统设定的调平精度进行调平。这样, 调节的过程就中不会出现一腿受力过小 (虚腿) , 从而有效的预防虚腿现象的出现。

硬件组成

该自动调平系统硬件组成如图2所示。系统主要由控制部分、水平传感器、压力传感器、伺服控制器、伺服电机及伺服电动缸等组成。

水平传感器 (X、Y两个方向) 测量车载平台的倾斜度, 通过RS232串行口向控制部分发送X方向和Y方向的倾角数据, 波特率采用9600bit/s。本系统采用的水平传感器其测量精度 (零位) 为0±20", 分辨率4", 完全满足平台倾角测量和调平的要求。

压力传感器用于测量4个支撑脚承受的压力, 测量范围0~9000kg, 通过RS232串行口向控制部分发送压力数据, 波特率采用9600bit/s。

控制部分主要由控制板、伺服驱动器和驱动接口单元组成。控制板是控制部分的核心, 主要由单片机、CPLD、多路DAC、多串口扩展电路、RS232电平转换电路、看门狗电路等组成。当操作人员通过按键将控制指令发送到控制板, CPU读取水平传感器、压力传感器送来的数据进行判断并形成控制策略, 产生控制信号由DAC送达伺服控制器, 再控制驱动接口电路驱动某一路伺服电机运转, 直至调平。为了操作安全起见, 整个调平运行过程通过声、光进行指示。控制部分实时地将倾角、压力数据进行显示, 方便操作人员监控。

本车载雷达平台调平过程具体分两个阶段完成。第一阶段为架设阶段, 即车载雷达到达阵地后, 先控制四个支撑腿着地, 进行落地检测。系统通电后, 操作人员只需按操作面板上的“架设”键, 控制系统驱动伺服电机升支撑腿, 同时检测各支撑腿是否着地, 当某一支撑腿着地后停止该腿的升动作。当四个支撑腿全部着地后, 落地检测结束。第二阶段为调平阶段。操作人员按操作面板上的“调平”键, 单片机读取水平传感器送来当前车载平台的倾斜度数据以及压力传感器送来的各支撑腿的受力数据, 根据倾角数据和压力数据, 按照控制策略驱动相应电机上升相应支撑腿, 直至座车倾斜度达到雷达系统的要求。

系统程序工作流程

本系统的工作流程框图如图3所示。

结语

雷达自动调平系统是车载雷达的一个重要的组成部分, 对提高雷达的测量性能, 如目标角度的测量精度以及整机架设、撤收的速度等, 起着决定性的作用。本系统采用单片机和CPLD控制, 应用交流伺服控制, 大大提高了雷达天线架设时平台的水平精度和调整的时间, 而且具有高可靠性和维护性好的特点。

参考文献

[1]倪江生, 翟羽健.雷达天线座车调平问题的研究[J].测控技术, 1994, 12 (4) :36–39

[2]杨兴瑶, 刘行景.高精度电子倾角传感器及其在自动调平仪中的作用[J].江苏机械制造与自动化, 1994, (6) :34-35

[3]邓先荣.天线伺服系统多电机同步控制方法[J].现代雷达, 2005, 27 (6) :45–47, 51

[4]何立民.单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2002

机电式自动调平 第2篇

随着我国铁路建造的迅速发展,无渣铁轨得到了应用推广,京沪高速铁路首次采用了全线无渣轨道。在建造无渣铁轨中沥青砂浆车是必不可少的关键设备,而动态液压平衡技术是沥青砂浆车的核心技术,在调平结束后,必须满足沥青砂浆车的平衡精度(纵向为0.5o,横向为0.5o),调平时间不超过50 s。传统的调平方法是通过水准仪器来检查和发现水平误差,采用多点调整方式。这种调整方法协调动作比较困难,多点之间耦合现象明显,要达到规定的精度要求费时费力。为提高沥青砂浆车液压调平技术的自动化程度,对调试平台自动调平控制系统的原理、组成和具体控制流程等进行了研究,引入了可编程逻辑控制器(Programmable Logical Controller,简称PLC)作为调平系统的控制设备,并采用单向调整方式,将其应用于沥青砂浆车液压调平控制系统,只需启动电源就可完成平台的架设和调平,大大缩短了调平时间,提高了调平精度,达到了预期的控制效果。

1 砂浆车液压自动调平原理

调平的基本原理是基于“三点决定一个平面”的数学公理。砂浆车调平动力系统采用4个带有自锁功能的液压支腿,调平过程中调节的实际上是4条液压缸即4点的相对高度。为了避免虚腿现象的产生,各个支腿的运动遵循“只升不降”的原则,调节过程采用向最高点看齐的方法(通过倾角传感器的检测信号可以找出平台的最高点),即保持相对最高点不动,把其余相对低点调高,这样平台就只做上升运动。为防止超调,每次支腿的行程只为计算值的80%。图1为模型分析图。

在图1中,通过平台上沿纵横两个方向安装的双轴倾角传感器,可以得到平台的倾斜角α(横向)和β(纵向)。倾角传感器可以安装在平台上的任意位置,对于操作者获取α和β没有影响,平台长、宽分别为a和b。

当前α和β角度显示平台未达到平衡,需要根据角度值调节液压缸,支腿3为相对最高点,保持其不动,调节其余3个腿:

undefined

。 (1)

其中:h2、h3、h4分别为2、3、4腿相对于最低点1的高度;L1、L2、L4分别为1、2、4腿实际要调节的行程。

2 液压自动调平控制系统的开发

2.1 系统硬件设计

当砂浆车面临的路面情况不满足要求时,以汽车底盘为支撑平面,以汽车轮胎同地面的接触面为软基准面测量车身和地面的倾斜角度,对其进行调平,为此开发出4支撑液压调平装置,液压调平装置直接安装在汽车底盘上。以PLC为控制核心,开发自动调平控制系统,设计上位机模块,实时显示调平状态和故障情况,并对历史数据及时保存。

沥青砂浆车的整体调平系统由检测装置、液压执行机构和PLC控制模块3部分组成,具体包括双轴水平传感器(倾角传感器)、阀控液压缸和可编程控制器PLC。自动调平控制系统方框图见图2。

2.1.1 车体平台检测装置

其检测装置为倾角传感器,用来检测平台左右及前后方向的不水平度。其检测值的大小是系统判断是否进行调平的依据,检测精度的高低直接决定了系统的最终调平精度。本系统选择的是AT201-SIA系列倾角传感器,主要适合静态和慢速变化的动态测量,所测量的载体水平或者俯仰角度变化速度为5o/s以下的情况时测量效果良好。

为了满足精度要求,系统采用反馈控制,倾角传感器将角度信号采集输入到PLC,其检测值作为输入量来控制液压缸的行程。在调平过程中,倾角传感器实时采集车体平台的水平度,即被控量,将其反馈传输到输入端与给定量进行比较以实现闭环反馈控制。

2.1.2 车体平台液压执行机构

调平执行机构采用4个带有自锁功能的液压支腿,将其对称布置在沥青砂浆车的两侧,由相应的比例电磁阀控制,通过支腿的上下伸缩,实现沥青砂浆车的调平控制。

通过高压液压系统,可以获得很大的推动力来实现大型负载的快速举升和精确定位。基于PLC的模拟量控制的液压缸步行算法,利用电液调平伺服控制系统,可以实现砂浆车对不同路面环境的自适应调平。液压系统的工作原理见图3。

在实际调平中,根据水平传感器发出的信号,由PLC输出模拟量控制使相应的比例电磁阀产生一定的开口,对应的液压缸便产生相应的位移,直到平台达到调平精度为止;当达到调平精度时,电磁阀就回到中位,阀口关闭,同时,液控单向阀13关闭,将液压缸进、回油封死,电磁阀断电,液压缸被锁定,此时,泵也停止工作,整个系统调平结束。

1液位计;2空气滤清器;3吸油过滤器;4电机;5液压泵;6精过滤器;7电磁溢流阀;8压力表开关;9压力表;10背压阀;11电磁换向阀;12液控单向阀;13软管;14液压缸

2.1.3 车体平台PLC控制模块

控制模块是自动调平系统的核心组成部分。由于PLC具有高可靠性和接口简易性,利用PLC作控制器,通过软件编程控制调平机构动作,实现车载系统的自动调平。

基于PLC的自动调平控制系统实现液压系统中各种阀件的动作控制,自动调平控制系统的结构见图4。其中角度信号经倾角传感器采集输入可编程控制器,通过A/D、D/A转换实现系统的连续控制,液压缸的升降控制通过D/A输出的模拟量控制相应的电磁阀动作来完成。

2.2 系统软件设计

在沥青砂浆车到达一个新的路面环境后,若车体平台不满足水平精度要求,控制系统开始进行调平。根据液压自动调平原理,调平精度范围是±0.5o,只要α、β角度值在这个范围内,即可视为满足精度要求。本系统采用单向调节的方案,即先将Y轴方向调平,再将X轴方向调平。由倾角传感器采集X方向和Y方向的倾角值,按照“先Y后X”的原则。如果此时Y方向角度不满足精度要求,则系统进入调平程序,在Y方向调平以后再进入X方向的调平,两个方向分步完成,Y方向角度满足精度要求是系统调节X方向的充分条件,二者均满足要求时则退出调平程序,调平结束,自动调平系统流程图见图5。

3 液压自动调平控制系统调试

将PLC应用于沥青砂浆车液压调平控制系统,开发周期短,性能稳定,并且在调平过程中大大缩短了调平时间,提高了调平精度。砂浆车液压手动调平和自动调平分开,人机操作性能良好。

液压调平控制系统完成后,在试验平台上进行多次试验,单次自动调平结束以后,倾角传感器检测到车体平台的水平度分别为纵向±0.3o、横向±0.4o,调平时间为25 s～35 s,能够满足沥青砂浆车调平精度要求和调平速度要求。经过多次试验表明该系统是可行的,能应用于砂浆车自动调平控制系统。

4 结束语

本文开发了一种基于软基准面的液压自动调平控制装置,试验结果证明所设计的自动调平控制系统调平效果能够满足精度要求。项目研发成功不但能满足沥青砂浆车的液压平衡技术,同时能应用到多种需要移动的车载设备上,如电视转播车、市政交通车等,具有一定的推广价值,将产生显著的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]马捷.大型沥青砼摊铺机液压自动调平回路分析[J].公路与汽运,2007,118(1):131-133.

[2]郭俊岑,周浚哲,唐健.基于单片机的坦克火控调试台自动调平系统研究[J].沈阳理工大学学报,2006(3):70-76.

[3]郭晓松,占金春,冯永保,等.导弹发射台新型通用调平系统设计[J].机床与液压,2007(2):114-116.

自动调平试验台的机构结构设计分析 第3篇

自动调平设施在各种场合有广泛的应用价值。目前医院用护理床在通过有坡度的地面时床面会产生倾斜,对床上病人的身体与病情产生不利影响。在大型船只上船体随着海浪起伏而颠簸,也会对某些水平位置度要求较高的设施产生影响。自动调平机构的设计,是一种高效可靠的解决方法[1]。

本文通过设计相对简单的机构使试验台完成左右与前后两方向的倾斜调平,并且通过对空间自由度计算方法的简单介绍,计算试验台自由度,从而验证设计方案的可行性,并对试验台进行优化设计。

2 试验台空间机构分析及自由度计算

2.1 医疗床试验台的构成

医疗床试验台最初的构成如图1所示,由上台面、下台面、球铰链、十字铰链、可伸缩支撑杆和平面铰链构成。

2.2 可伸缩支撑杆的选择

根据调查,列出液压系统与电动推杆主要性能对比,如表1所示。

对照表1综合考虑,电动推杆在本机构中更加合适。所以本机构选择电动推杆作为实验台的可伸缩支撑杆。

2.3 试验台构件及运动副设计与分析

在分析计算该试验台的机构组成及自由度时,可将该电动杆视为有2个杆件由滑动副进行连接的结构。

本试验台构件数为8,机构连接方式为3个平面铰链,3个滑动副,2个球铰链和1个十字铰链(图1)。其中,滑动副空间自由度为1;平面铰链空间自由度为1;球铰链空间自由度为3;十字铰链空间自由度为2。

2.4 试验台的空间自由度计算

资料表明,根据不同情况不同机构共有30多个空间自由度计算公式[2]。如俄罗斯科学院院士陀勃罗伏尔斯基1943年建立的空间机构单封闭环自由度计算公式:

式中,W为机构的自由度;m为机构各构件在运动时所受到的公共约束数(m的值可依次取0、1、2、3及4);n为机构的活动构件数;Pk为机构的k类运动副的数量;k为机构运动副的配合级别,由运动副所产生的约束数来决定,其数值相应k为5~1[3]。又如空间机构不含公共约束的自由度计算式,是由俄罗斯的索莫夫和马雷歇夫两位教授提出的,其表示式为:

式中,n-1为可动构件数;P1~P5为I~V级运动副的数目。

本机构为空间机构不含公共约束机构,所以选择自由度的计算公式(2),由此可得:W=6(8-1)-56-41-32=2,即该结构的自由度为2。

为能够控制该机构按照特定方向运动,原动件数应等于机构数,即原动件数量也等于2。因为3个电动推杆均为执行元件,即原动件,所以必须其中2个相互配合执行运动功能,即电动杆2、3为配合构件,完成一个原动件运动功能。

3 机构及部件功能分析与实现

以上实验台的结构能够完成台面的前后倾斜调平与左右倾斜调平,但是十字铰链只能在试验台面与水平面平行的情况下完成左右倾斜调平或前后倾斜调平。如图2(a)、(b)所示,如果实验台想同时完成左右与前后调平,十字铰链就会干涉台面运动,无法达到预期位置,如图2(c)所示。

如采用可以同时进行两方向旋转的双向复合转动铰链结构。如图3所示。

经分析该结构仍不能实现台面同时进行前后与左右倾斜调平。

分析如图4所示:台面CD进行前后调平时,

∵B处是可绕Y轴方向旋转铰链

∴B、D、D1在同一直线上

∵CD=C1D1

∴床面运动到C1D1位置

又因为上台面绕双向复合铰链(点C1)进行左右旋转调平时,其左右转轴始终与电杆1垂直,如图5所示。

所以上台面的左右调整转轴轴线由CD位置转到C1D2位置。

在这种情况下如果上台面按照转轴C1D2进行左右旋转调平的话,点D1运动后在YOZ面的投影点将运动到D1D2线上某点,这样点D1运动后位置就脱离直线BD,与B点处为可绕Y轴转动的铰链干涉。

最终选取球铰代替复合铰链,机构分析如图6所示。

更改后试验台的结构分析与自由度计算如下:

本试验台构件数仍为8个,分别是上台面、下台底和3个电动推杆的上下2部分。机构连接方式为3个铰链、3个滑动副和3个球铰链。自由度计算公式:

所以,W=67-56-33=3

即该结构的自由度为3。

为能够控制该机构按照特定方向运动,原动件数应等于机构数,即原动件数量也等于3。也就是3个电动推杆各自均为原动件,可各自执行运动功能。这样台面就可以在完成前后倾斜调平的基础上进行左右调平,同时完成2个方向的调平任务。

此设计不仅达到了2个平面同时调平的效果,3个电动杆的独立性使控制部分的设计也相对简化容易。

4 结语

设计空间机构情况复杂多样,在很多情况下容易忽略某些重要问题。通过分析,采用相应的空间自由度计算方法,得出机构正确的空间自由度,从而确定原动件数量与机构之间的运动关系,这是空间机构设计的基础与要点。

参考文献

[1]李忠于.某雷达自动调平机构的设计分析[J].火控雷达技术,2002(31):43-47

[2]张一同,牟德君.空间多闭环机构自由度计算的新概念和新理论[J].中国科学,2010,40(10):1182-1188.

机电式自动调平 第4篇

1. 底盘悬挂调平系统工作原理

(1)油气调平系统

该型汽车起重机底盘悬挂油气调平系统如图1所示(局部图)。在气阀X口通气的情况下,悬挂控制阀1中的气控电磁阀5切换,悬挂缸3与蓄能器4接通,利用蓄能器4中的压力油进入悬挂缸3,便可实现汽车起重机行驶过程中的缓冲减振。当电磁阀Y17或Y15得电时,其所控制一侧悬挂缸伸出,即将车架相对车桥升高;反之,当电磁阀Y18或Y16得电时,其所控制一侧悬挂缸缩回,即将车架相对车桥降低。

第一桥左、右两侧悬挂缸各安装了2组感应距离为5mm的接近开关,其中左侧悬挂缸安装了S141、S142接近开关,右侧悬挂缸安装了S143、S144接近开关。每组接近开关在悬挂缸上的安装位置有高、低之分。当接近开关通电时,其尾部绿色电源指示灯点亮。在通电状况下,当接近开关感应到铁质物体时,会反馈一个5V的感应电压,同时其尾部黄色信号灯点亮。

1.悬挂控制阀2.压力表3.悬挂缸4.蓄能器5.气控电磁阀P压力油T回油箱Y15、Y16、Y17、Y18电磁阀S141、S142、S143、S144接近开关

当低位接近开关感应到悬挂缸活塞杆,而高位接近开关未感应到时,该悬挂缸即处于调平位置。因为第六桥左、右悬挂缸安装了同样的接近开关,所以当第一桥和第六桥的悬挂缸都处于调平位置时(二、三、四、五桥悬挂缸为随动控制),即为底盘调平状态。

(2)电气控制系统

该型汽车起重机底盘悬挂电气控制系统如图2 (局部图)所示。按下悬挂自动调平开关S10后,继电器K13得电,正极线KL15/8上的继电器K13常开触点闭合。

以一、二桥左悬挂缸为例,当左悬挂缸处于高行程位置时,安装在左悬挂缸上的高、低位接近开关都感应不到悬挂缸活塞杆(即接近开关S141、S142的3、4脚断开,继电器K14、K15未得电,K14处于开路状态、K15处于闭合状态),控制一、二桥左侧悬挂缸活塞杆伸出的电磁阀Y15不得电,而控制一、二桥左侧悬挂缸活塞杆缩回的电磁阀Y16得电,悬挂缸活塞杆回缩。当低位接近开关感应到悬挂缸活塞杆并反馈电信号,即接近开关S142的3、4脚闭合时,继电器K15得电切换,控制一、二桥左侧悬挂缸活塞杆缩回的电磁阀Y16失电,悬挂缸停止回缩方向动作。

同理,当左悬挂缸处于低行程位置时,安装在左悬挂缸上的高低位接近开关都能感应到悬挂缸活塞杆(即接近开关S141、S142的3、4脚闭合,继电器K14、K15得电),控制一、二桥左侧悬挂缸活塞杆伸出的电磁阀Y15得电,而控制一、二桥左侧悬挂缸活塞杆缩回的电磁阀Y16不得电,悬挂缸活塞杆伸出。当高位接近开关感应不到活塞杆时,接近开关S141的3、4脚断开,电磁阀Y15失电,悬挂缸停止伸出方向动作。

S10自动调平开关S141、S142、S143、S144接近开关K13、K14、K15、K16、K17继电器H50调平到位指示灯

当所有低位传感器均感应到活塞杆,而所有高位传感器均感应不到活塞杆(即K15、K17得电,K14、K16不得电)时,调平到位指示灯H50得电,仪表上显示整车已完成调平。

2. 故障案例

(1)底盘不能自动调平

对1台QAY220V633型汽车起重机进行手动底盘调平时,调平功能正常。但是开启底盘自动调平后,底盘右前方位悬挂缸活塞杆上、下自动摆动,无法实现调平。

由于该起重机单独进行底盘调平时,调平功能正常,所以可排除液压系统故障,应着重排查电气系统。排查步骤如下:

首先,启动发动机,打开自动调平开关,观察右前方位悬挂缸活塞杆上、下摆动时,其接近开关尾部的黄色信号灯随悬挂缸活塞杆上、下摆动不断闪烁。由此判定该接近开关有问题。

其次,将发动机熄火并切断电源,拆下此接近开关,检查其感应头上是否粘上了悬挂缸内的杂质。经检查其感应头上无杂质。

再次,将电源接通但不启动发动机,把已经旋出的接近开关直接碰触车架及悬挂缸的铁质部分,观察其尾部的黄色信号灯点亮,而在接近开关远离铁质部分时黄色信号灯熄灭,由此说明此接近开关及其连线正常。分析认为,故障原因可能为接近开关锁紧螺母松动,致使原调定位置改变。

然后,使用手动升降功能将底盘降到最低位置,将第一桥右侧悬挂缸上的高、低位接近开关锁紧螺母松开,将接近开关旋至极限位置(即接近开关触碰到悬挂缸活塞杆),然后退回1.5～2圈(高位接近开关可多旋出一点)。调整后必须保证底盘在最低位置时,2个接近开关尾部的黄色信号灯点亮(即活塞杆在感应范围内)。调整后保持接近开关调定位置不变,将锁紧螺母锁紧。

最后,将所有接近开关的锁紧螺母进行锁紧检查,以防止再次出现松动。启动发动机后试机,底盘自动调平功能恢复正常。

(2)自动调平功能异常

在开启1台QAY180V633型汽车起重机底盘自动调平功能后,该机驾驶室仪表显示已调平,但实际底盘左前方位置明显偏低。

根据该机故障现象,结合底盘悬挂油气调平系统及电气控制系统工作原理,进行以下排查:

首先,启动发动机并保持运转状态,扳动手动升降开关,将底盘升到最高位置,再扳动自动调平开关进行下降自动调平。等待几十秒后,观察仪表指示灯点亮,底盘已处于调平位置,这说明下降自动调平功能正常。

其次,保持发动机运转状态,扳动手动升降开关,将底盘降到最低位置,再扳动自动调平开关进行上升自动调平。等待几十秒后,观察仪表指示灯点亮,但底盘左前方位置明显偏低,由此说明故障出在上升自动调平环节。

再次,将发动机熄火(但保持通电),将底盘再次降至最低位置,按下自动调平开关,检查第一桥和第六桥悬挂缸上所有的接近开关,结果发现第一桥左悬挂缸高位接近开关的绿色电源指示灯点亮,而黄色信号灯不点亮。其他悬挂缸接近开关的绿色电源指示灯和黄色信号灯都点亮。由此说明第一桥左悬挂缸高位接近开关有问题。

然后,断开第一桥左悬挂缸高位接近开关尾部线路插接件,使用万用电表测量其红色线和黑色线的电压为12V。将此插接件与低位接近开关的插接件互换连接,低位接近开关绿色电源指示灯和黄色信号灯仍点亮,由此说明线路正常。将左悬挂缸高位接近开关旋入直至顶住左悬挂缸活塞杆,结果黄色信号灯仍不点亮。拆下该接近开关,将其感应头擦拭干净后直接与铁质部位接触,黄色信号灯依然不亮,由此判定该接近开关损坏。

机电式自动调平 第5篇

现代靶场拥有大量机动测控装备, 每次转场后都需要对装备平台进行调平。传统的调平系统采用手动调平结构, 费时费力, 已严重影响装备机动性能的发挥和任务的完成效率。自动调平系统相对人工调平系统具有调平时间短、调平精度高、可靠性高等优点。本设计以XWQJ02-001型号的倾角传感器内置的2个微机械加速度计测量x轴和y轴相对于水平面的夹角, 使用Visual C++6.0开发Windows环境下的串行口通信程序来实现微机与倾角传感器的通信, 实现机动测控装备平台的高速、高精度调平。

1 XWQJ02-001简介

1.1 产品特点

XWQJ02-001是两轴可编程加速度计方式倾角传感器, 基于ADI (analog devices, Inc) 公司iMEMS集成微电子机械系统内核, 当其处于水平安装时, 测量范围是-30°～+30°, 测角越是接近水平面其精度越高, 可在1～5 Hz/s编程设置其输出频率, 输出频率越小其测量精度越高, 经实际测量得知在-50°～+5°的测量范围内以1 Hz/s频率输出得到小于0.003°的测量精度, 输出最高分辨率为0.001°。产品具有5阶滤波器, 用户根据需要设置, 平衡选择倾角精度和倾角响应速度的关系。

倾角大小以数字量方式输出, 接口形式包括RS 232, RS 485, RS 422等多种方式。

封装外壳的防水等级IP55, 抗外界电磁干扰能力强, 承受冲击振动能力强。

1.2 工作原理

传感器的内部核心为ADI公司的微加速度计ADXL213[1], 其内部原理如图1所示。

该传感器采用iMEMS技术, 在一个硅片上包含了一个多晶体硅表面为机械传感器和信号处理电路, 实现了开环加速度测量结构。可以测量动态加速度和静态加速度, 其量程范围为±1.2 g, 输出为周期可调的占空比调制信号, 无需经过A/D转换直接与计数器或单片机连接。具有良好的温度特性, 无需外部的温度补偿电路, 具有测量精度高、功耗低、价格低等特点, 适用于较高精度的测量系统。

ADXL213输出的时周期可调的与加速度成比例的脉宽调制信号。用户通过外加电容Cx、Cy定低通滤波器的带宽, 可以提高测量分辨率、抑制噪声。

传感器单元是差动电容器, 其输出与加速度成正比。加速度计的性能依赖于传感器的结构设计。差动电容由悬臂梁构成, 悬臂梁由电容电极副构成如图1中所示。每个指状电极的电容正比例于固定电极和移动电极之间的重叠面积以及移动电极的位移, 在不同的倾斜面上得到的差动电容的大小是不一样的。悬臂梁由多晶硅弹簧支撑, 根据放置在倾斜面上得到的差动电容的大小按照一定的运算规则得到加速度传感器x轴、y轴的输出Ax、Ay加速度信号 (在标定的时候需要进行非线性补偿和温度补偿) 。则按照下面公式即可计算出倾角大小:

$\begin{array}{l}\theta =\arcsin (A{}_x/g)(1)\\ \gamma =\arcsin (A{}_y/g)(2)\end{array}$

式中:θ, γ分别为x, y轴相对于水平面的倾角;g为重力加速度。

1.3 产品应用

该产品用于测量多种需要测量倾斜变化的工业应用设备, 民用领域如:工厂机床、运动完全监视器、汽车轮位对准装置、桥梁倾斜监测、大坝边形长期检测、平台水平度监测。军用领域如:卫星天线稳定系统、火炮炮管初射角度测量、雷达车辆平台检测等。

2 传感器数据采集软件

2.1 传感器数据输出格式

XWQJ02-001数据输出为串口信号, 串口输出协议为:波特率为9 600 b/s, 没有校验位、8个数据位, 1个停止位, 即 (9 600, N, 8, 1) 。一组数据为15个字节数, 并且输出为16进制数, 具体如表1所示。

表中x, y轴角度的字节中, 最高比特位为0表示正数, 最高比特位为1, 表示负数。

2.2 软件编写

使用微软公司的Visual C++6.0编写串口通信程序, 调用软件本身提供的通用串口控件MSCOMM32.OCX编写程序, 串口命名为m_Com。

软件的初始化程序如下:

当串口接收缓冲区接收到一组15个字节的数据后就自动产生一个OnComm事件, 然后执行数据处理程序, 数据格式转换关键步骤的程序如下所示:

这样就转化为可以按照一般的数学计算法则处理的数据类型。

具体如何处理数据与传感器使用的具体情况有关系, 如在大型设备的平台调平系统中, 应该将倾角值转化为各个支撑平台支腿的伸长量。

3 双轴倾角传感器在平台调平系统中的应用

在机动测控装备工作时需要一个基准平台, 要求平台尽量水平。根据三点确定一个平面的基本原则, 设计了3个机械支腿作为载车支撑, 通过调节3个支腿的伸长量使基准平台达到水平[2]。倾角传感器的安装方式与3个支腿之间的位置关系如图2所示。

图2中A, B, C代表载车平台3个支撑支腿, x, y轴代表倾角传感器相互垂直的两个轴。安装时注意倾角传感器的两个垂直的x, y轴分别与AB、CD平行。使用Visual C++6.0编写的调平软件的人机界面如图3所示。

该软件主要编写的程序有:

(1) 接收倾角传感器的角度信号, 在界面显示角度大小;

(2) 然后根据角度信号判断出3个支点的高点及另外2个支点与高点的差距并将差距换算为脉冲个数发送给驱动板驱动支腿运行;

(3) 发送支腿预支撑、支腿撤收命令给支腿驱动板。

4 实验结果及分析

将该支撑调平系统应用于某型号大型机动测控设备上, 设备总质量为20 t, 在室内水泥地基, 无外界干扰情况下获得的调平精度为x轴小于等于20″, y轴小于等于20″。并且放置在水泥地面上静止10 h, 倾角显示无明显变化。此试验表明载车的调平精度较高, 调平时间短, 并且可以长时间保持稳定性。在室外微风情况下在柏油路面上实验, 打开光电设备自备的柴油发电机观测倾角读数的变化在20″左右, 其动载荷稳定性满足使用要求。支腿的总伸长量为0.20 m, 所以每个支腿配备一个0.50 m的垫块, 支腿回收后距离地面为0.55 m。调整步进电机的驱动频率, 实验测试表明, 最佳的启动频率为3 200 Hz, 启动后能达到最大的脉冲频率为5 000 Hz 。经过多次测试顶升加调平整个过程在120 s左右。

最后的试验结果表明:使用该型号的双轴倾角传感器较以前使用的单轴倾角传感器不论是在调平时间上还是在调平精度上都有很大的提高, 如果使用实时监测实时调整的策略还能够消除载车的低频振动, 大大提高了机动测控设备的机动性能。

5 结 语

经试验验证, 本型号的倾角传感器在使用时可靠性高、反应灵敏、抗干扰性能好。并且本文介绍XWQJ02-001此型号传感器的开发方式是比较简单实用, 能够很好地解决靶场机动测控装备的调平问题, 有利于装备机动性能的发挥, 提高任务完成效率, 具有较大的实用价值和推广意义。

参考文献

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机电式自动调平 第6篇

以往自动调平系统常采用三腿支撑, 手动调平, 存在调平耗时长, 自动化程度低、精度低等缺点。因此国内有学者提出采用Stewart并联机构作为自动调平系统的动基座支撑机构的设计方案设想[1]。但是Stewart并联机构又存在控制复杂问题。少自由度并联机构因具有结构简单、造价低、刚度大、承载能力强、控制方便等优点, 在工业生产及其他领域具有广阔的应用前景。尤其是三自由度并联机构, 譬如两转动一平移 (2R1T) 空间三自由度并联机构既具有转动和移动的运动输出特性, 又具有少自由度并联机构的优点, 恰好满足动基座自动调平系统调平特性, 因此在工业生产中具有较高的实用价值, 也渐渐地被相关学者们所关注[2,3,4,5,6,7]。本文采用螺旋理论和反螺旋理论对两转动一平移具有空间三自由度的并联机构进行构型综合, 进而从中得到一种调平性能良好的自动调平系统的支撑机构设计方案, 同时对选定机构进行了正、逆运动学分析, 获得了机构的运动特性。

1 三自由度2R1T并联机构的构型综合

并联机构的构型的任务即根据给定的机构运动平台的运动自由度的要求, 确定连接下平台 (基础平台) 和上平台 (动平台) 的支链数目以及类型, 设计其支链机构则是按照所要求进行支链机构配置后的并联机构具有给定的运动和动力学特性进行的。

基于螺旋理论和反螺旋理论并联机构构型综合方法可知:并联机构动平台的运动特性完全取决与各条运动支链对机构平台的约束力螺旋的约束情况, 该运动自由度的性质和所配置的运动支链作用于平台的约束力螺旋有直接关系。

螺旋理论中, 单位螺旋包括三个因素:螺旋的轴线位置、方向和螺旋节距, 可表示为:

这里s为螺旋轴线方向的单位矢量, r是由参考系坐标的原点到空间矢量s上任意一点的矢径, λ为螺旋的节距。如果节距等于0, 可认为一个转动副或者一个力矢量, 简化为:

式 (2) 中l, m, n分别表示的是转动副轴线或是力线矢轴线的三个方向余弦。此外, 节距λ=∞时, 可认为一个移动副或一个力偶矢量, 表示为:

$2= (l2m2n2;a2b2c2) 的互易积为零时, $1$2=l1a2+m1b2+n1c2+a1l2+b1m2+c1n2=0称$1和$2互为反螺旋互逆。上式的意义就为力螺旋对运动螺旋所做功为零, 即为作用在物体上的约束反力。

自动调平系统支撑结构设计的关键在于设计适当的支链使其提供所要求的约束;而所提供约束的性质主要取决于组成支链的运动副的类型和相互之间的几何关系。如果并联机构中的一支链提供1个力偶约束, 另两个提供2个力约束, 则该三支链对动平台一共提供了2个约束力和1个力偶三个约束, 即实现两转动一平移。

使支链提供一个约束力偶的充要条件是:所有的转动副轴线必须位于垂直力偶方向的平面内, 而移动副则可以随意安排。在支链运动螺旋系中的任一运动螺旋都可以通过5个基螺旋线性组合而成, 因为在5系中最多只有5个线性独立的零节距单位螺旋, 因此最大的转动副数目为5, 又因为线性独立的无穷节距单位螺旋是3个, 因此移动副的数目最多为3, 如果只用R或P, 则可能的运动链为:5R、4R1P、3R2P和2R3P。

使支链提供一个约束力的充要条件是:转动副轴线要与给定的约束力平行或者相交, 而移动副方向与约束力方向是正交的。

自动调平系统的支撑结构采用一支链PU可以同时约束两个力和一个力偶, 满足2R1T的设计要求, 但为了使整个动平台具有更好的稳定性, 可以另加几条零终端约束的支链加以组合, 如3-PSS/PU、3-SPS/PU、3-UPS/PU、3-PUS/PU等等, 如图1 (a) 所示。

若选用两条支链R2PS, 且两转动副轴线垂直, 另一条可以选用提供限制Z轴转动约束的支链, 可以从提供一个力偶约束的三杆两副表里选出一种结构类型进行组合配置。如选用R1U12U21, 转动副的轴线和两个虎克铰的转动轴线都垂直于Z轴, 如图所示1 (b) 所示。

当选用三条支链R2PS, 上下平台是两个等边三角形, 三个转动副的轴线呈切向分布, 移动副垂直与转动副轴线, 每条支链提供的线矢力通过每条支链的球面副的球心并且同时与转动副平行, 此时动平台剩下沿Z的移动和两个转动, 如图1 (c) 所示。

2 自动调平机构的正、逆运动学分析

本文自动调平系统的支撑结构采用第三种方案, 基平台和动平台是两个等边三角形, 动平台外接圆的半径为h, 基平台外接圆的半径为g, 点O和点P分别是基平台和动平台的几何中心。OX平行于转动副A2的轴线且垂直于A3的轴线, Z轴垂直与基平台平面。φ1是A1B1与A1O的夹角, φ2是A2B2与A2O的夹角, φ3是l1与A3O的夹角 (见图2) 。

逆向运动学所要探讨的问题是:在已知平台的姿态 (px, py, pz, α, β, γ) 的6个元素中只有3个为独立, 分别为α、β及pz, 而知道位置姿态后, 其各分支杆长可以由下面的式子求出:

自动调平系统正向运动学的问题恰好与逆向运动学的情况相反, 是在已知三个分支杆长的前提下, 欲知相对应的调平平台的位置姿态。由式 (4) 、 (5) 、 (6) 得知若给定di, 求解α、β及pz, 此为9个非线性方程 (7) 联立求解, 如下:

3 自动调平机构运动学仿真

在SolidWorks里建立调平机构几何模型, 再导入ADAMS软件中分析:在机构动平台上任取一点, 在该点上建立一个动作标系并在该点上施加一个三维的点驱动, X=0.05sin (time) ;Y=0.05cos (time) ;Z=0.3time, 然后进行20秒200步的运动学仿真, 得一分支中移动副位置随时间的变化曲线, 如图3所示。

接着利用ADAMS里的样条函数Spline函数, 把所得到的三个移动副的位移曲线插值离散, 把所得到的离散点数据加载到移动副上:

进行20秒200步的运动仿真, 可以得到自动调平系统的动平台的运动轨迹, 即而得到了3-PRS的位姿正解, 同时可得速度和加速度随时间的变化曲线, 如图4、5所示。

在动平台上施加一个1 000 N的负载, 该负载方向始终垂直与地面, 测量移动副上的力随时间的变化情况, 如图6所示。

4 结论

本文介绍了两转动一平移 (2R1T) 自动调平系统的支撑机构设计方案, 利用螺旋理论设计需要的机构, 运用ADAMS进行运动学和动力学分析, 不必花大量的时间和精力去计算, 并且可以得到比较高的精度。通过虚拟样机仿真得到机构的运动特性, 为下一步自动调平系统控制工作的开展奠定了基础。

参考文献

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