航空精密儀表自動(dòng)充氮系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

李 航

（廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510403）

0 引言

航空、宇航等領(lǐng)域中應(yīng)用到許多精密儀器、儀表。這些精密儀器、儀表往往價(jià)格昂貴，人們希望這些儀器儀表能有較長(zhǎng)的使用壽命和可靠的使用性能。給這些設(shè)備的內(nèi)部封閉空間充填氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體能有效防止儀器儀表被氧化，延長(zhǎng)精密儀表的使用壽命，保證精密儀表其有可靠的性能，因此，出廠時(shí)生產(chǎn)廠家往往都會(huì)對(duì)這些儀表內(nèi)部空間充填氮?dú)鈁1]。航空儀表總是會(huì)有需要維修的時(shí)候。維修時(shí)必須打開這些精密儀表的外殼，自然，原來充填于里面的保護(hù)氣體就跑掉了。合格的維修是必須在這些儀表修好后對(duì)其內(nèi)部封閉空間充填氮?dú)?。擁有自?dòng)充氮系統(tǒng)意味著在航空精密儀表的維修方面具備更強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。所以，設(shè)計(jì)開發(fā)自動(dòng)充氮設(shè)備是很有必要的。

1 航空精密儀表自動(dòng)充氮系統(tǒng)

1.1 航空精密儀表自動(dòng)充氮系統(tǒng)性能指標(biāo)及其結(jié)構(gòu)

航空精密儀表自動(dòng)充氮系統(tǒng)要求按照航空維修有關(guān)手冊(cè)的要求，先把待充氮儀表加熱到80±2℃，接著恒溫烘焙3小時(shí)，然后抽真空到一定的真空氣壓（真空氣壓可以設(shè)定，但不能高于70毫米汞柱），接下來用99.9%的純氮將儀表充氮?dú)獾揭粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓760±50毫米汞柱，最后用焊錫將精密儀表的充氣嘴焊接密封，保證氮?dú)獠煌饴2,3]。

本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路是：將待充氮?dú)獾膬x表置于一個(gè)密封的作業(yè)控制室，利用計(jì)算機(jī)控制，通過加熱作業(yè)控制室的整體溫度并烘焙實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表的加熱烘焙；通過對(duì)作業(yè)控制室的抽真空充氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)對(duì)儀表的抽真空充氮?dú)狻Ｗ鳂I(yè)控制室中同時(shí)安放自動(dòng)焊接密封機(jī)構(gòu)用于充氣完畢焊接密封儀表的充氣嘴。

整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、充氮作業(yè)控制室、抽真空泵、氮?dú)夤藜俺涞獨(dú)夤艿冉M成。

1.2 系統(tǒng)各部分功能說明

1.2.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是系統(tǒng)的控制核心，整個(gè)系統(tǒng)的作業(yè)邏輯由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行控制，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制下，系統(tǒng)按照要求準(zhǔn)確完成作業(yè)任務(wù)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由上位機(jī)控制終端和單片機(jī)后臺(tái)控制系統(tǒng)組成[2,3]。

1） 上位機(jī)控制終端

上位機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)控制終端負(fù)責(zé)向單片機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出控制命令、設(shè)置控制參數(shù)，同時(shí)接受單片機(jī)控制系統(tǒng)回發(fā)的氣壓、溫度、操作進(jìn)程等數(shù)據(jù)在圖形終端界面上顯示出來供人機(jī)對(duì)話使用?？刂平K端界面上有虛擬氣壓表、虛擬溫度表、進(jìn)程說明公告板、氣壓參數(shù)設(shè)定框、氣壓參數(shù)設(shè)定按鈕、溫度參數(shù)設(shè)定框、溫度參數(shù)設(shè)定按鈕和有關(guān)的操作命令按鈕等。

2） 單片機(jī)后臺(tái)控制系統(tǒng)

單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱為單片機(jī)，又稱為微控制器，使微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支。單片機(jī)是70年代中期發(fā)展起來的一種大規(guī)模集成電路芯片，是集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統(tǒng)于同一硅片的器件。

航空精密儀表自動(dòng)充氮系統(tǒng)下位機(jī)是由單片機(jī)開發(fā)實(shí)現(xiàn)的后臺(tái)控制系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制算法主要運(yùn)行于單片機(jī)后臺(tái)控制系統(tǒng)。后臺(tái)單片機(jī)控制系統(tǒng)接受上位機(jī)控制終端發(fā)來的各種命令和參數(shù)參數(shù)，根據(jù)不同命令和參數(shù)完成相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定和控制操作，實(shí)時(shí)采集作業(yè)過程中的溫度、氣壓等參數(shù)并發(fā)送給上位機(jī)控制終端。主要由電磁氣閥組成氣路控制系統(tǒng)，通過氣路控制系統(tǒng)完成抽真空、充氮?dú)獾裙δ埽瑲饴房刂葡到y(tǒng)直接受單片機(jī)控制。

3）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的通訊

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用RS232串口通訊，通訊波特率為1200bps， 1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的各種命令和參數(shù)都通過串口傳送。

1.2.2 充氮作業(yè)控制室

洋山港主航道附近島嶼眾多，急漲水時(shí)，由于受汊道的影響，筲其島和顆珠山附近的流向與主航道走向夾角可達(dá)20°，會(huì)導(dǎo)致重載船的操縱能力變差。港內(nèi)航道邊界緊鄰碼頭泊位，錨地稀少，可僅供1艘大型船舶應(yīng)急使用。目前，每天約有30艘大型船舶進(jìn)行靠離泊作業(yè)，若大型船舶在發(fā)生緊急情況，幾乎沒有可用于大幅轉(zhuǎn)向避讓的可航水域。

充氮作業(yè)控制室是整個(gè)系統(tǒng)的主要工作場(chǎng)所，待充氮?dú)獾木軆x表在這里完成自動(dòng)充氮、焊接密封全過程?？刂剖艺置娣胖糜杏糜谕瓿勺詣?dòng)焊接密封的機(jī)械裝置。機(jī)械裝置通過控制電纜連接至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)的控NT，機(jī)械裝置完成自動(dòng)焊接密封全過程。同時(shí)?？刂剖視灻嫜b有溫度、壓力傳感器和加熱裝置，通過控制電纜，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能夠利用溫度、壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)控制室內(nèi)的溫度、壓力等參數(shù)， 利用加熱裝置給控制室的空間加熱?？刂剖遗c計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有氣管相連，通過氣管計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)控制室的抽真空、充氮?dú)獠僮鳌?/p>

1.2.3 抽真空泵

抽真空泵是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)抽真空功能的動(dòng)力心臟，抽真空泵通過氣管連接計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。抽真空泵由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制，在計(jì)算機(jī)的控制下抽真空泵完成抽真空功能。

1.2.4 氮?dú)夤?/p>

氮?dú)夤蘩锩鎯?chǔ)存有高純度液態(tài)氮，裝有氣壓表和氣閥、氣嘴。利用氮?dú)夤尥ㄟ^氮?dú)夤芘c計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的氣路控制系統(tǒng)連接，在計(jì)算機(jī)的控制下充氮?dú)鈺r(shí)氮?dú)夤掎尫诺獨(dú)夤┚軆x器充氮?dú)馐褂谩?/p>

1.2.5 氦氣管

氮?dú)夤苡糜谶B接氮?dú)夤夼c計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，連接作業(yè)控制室與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，連接抽真空泵與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。氮?dú)夤芘c電磁氣閥共同組成系統(tǒng)的氣路系統(tǒng)，氣路系統(tǒng)直接由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的氣路控制系統(tǒng)控制。氣路系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 氣路系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總述

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體上有八個(gè)模塊：焊接機(jī)構(gòu)控制驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、溫度采集模塊、氣壓采集模塊、通訊模塊、加熱模塊、烙鐵控制模塊、氣路控制模塊和抽真空控制模塊。在系統(tǒng)軟件的統(tǒng)一調(diào)度控制下，各硬件模塊分工合作組成一個(gè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的期望功能。

2.2 系統(tǒng)硬件各模塊詳細(xì)說明

2.2.1 焊接機(jī)構(gòu)控制驅(qū)動(dòng)模塊

焊接機(jī)構(gòu)控制驅(qū)動(dòng)模塊用于控制驅(qū)動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)，使得焊接機(jī)構(gòu)完成焊接、倒車等各種動(dòng)作。焊接機(jī)構(gòu)控制驅(qū)動(dòng)模塊直接出軟件控制驅(qū)動(dòng)，焊接機(jī)構(gòu)控制驅(qū)動(dòng)模塊直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)。

工作原理：步進(jìn)電機(jī)有4相繞組，驅(qū)動(dòng)電路由 Q1-Q4，Q14-Q17，D1，D2，R8，R9，R17，R18組成。取其中一相分析，Q1，Q14，D1，R8組成第一相驅(qū)動(dòng)電路，P1.0輸出”1”時(shí)Q1，Q14導(dǎo)通，該相驅(qū)動(dòng)電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，D1起保護(hù)作用，R8為基極驅(qū)動(dòng)電阻。其余各相驅(qū)動(dòng)原理類同。

2.2.2 顯示模塊

顯示模塊用于工作時(shí)點(diǎn)亮有關(guān)的指示等，指示工作狀態(tài)、進(jìn)度。顯示模塊直接由軟件控制驅(qū)動(dòng)。工作原理：顯示驅(qū)動(dòng)模塊由R10～R13，Q6～Q9組成。取“CHARGE”顯示驅(qū)動(dòng)分析，P0.3輸出”1”時(shí)Q7導(dǎo)通相應(yīng)的指示燈被點(diǎn)亮，R11為基極驅(qū)動(dòng)電阻，其余顯示驅(qū)動(dòng)工作原理類同。

2.2.3 溫度采集模塊

溫度采集模塊用于采集作業(yè)過程中的溫度參數(shù)，工作原理：溫度采集模塊由AD7888，R21，R22，LM324(U4B)組成。溫度傳感器感應(yīng)的溫度信號(hào)經(jīng)R21，R22，LM324(U4B)組成的放大器放大后被輸往AD7888的A12，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后通過SPI總線接口由單片機(jī)讀取。

2.2.4 氣壓采集模塊

氣壓采集模塊用于采集作業(yè)過程中的氣壓參數(shù)。工作原理：溫度采集模塊由AD7888，LM324 (U4C)組成。溫度傳感器感應(yīng)的溫度信號(hào)經(jīng)LM324 (U4C)組成的跟隨器電壓跟隨后被輸往AD7888的A11，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后通過SPI總線接口由單片機(jī)讀取。

2.2.5 通訊模塊

通訊模塊用于負(fù)責(zé)后臺(tái)控制系統(tǒng)與控制終端問的通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。工作原理：由C4～C8，MAX232ACSE組成電平轉(zhuǎn)換模塊。通過電平轉(zhuǎn)換模塊就可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。

2.2.6 加熱模塊

加熱模塊用于負(fù)責(zé)控制過程中所需要的加熱，加熱模塊直接由軟件控制驅(qū)動(dòng)。工作原理：加熱模塊由D3，R14，Q10，繼電器K1組成。D3起保護(hù)作用，R14為基極驅(qū)動(dòng)電阻，Q10用于驅(qū)動(dòng)繼電器K1，P2.6輸出”1”時(shí)Q10導(dǎo)通，K1吸合電源電壓加到加熱絲上加熱。

2.2.7 烙鐵加熱控制模塊

烙鐵加熱控制驅(qū)動(dòng)模塊用于控制電烙鐵的加熱，與焊接機(jī)構(gòu)控制驅(qū)動(dòng)模塊合作完成焊接密封功能，烙鐵加熱控制模塊直接由軟件控制驅(qū)動(dòng)。工作原理：烙鐵加熱模塊由R19，Q18，Q5組成。R19為基極驅(qū)動(dòng)電阻，Q10用于驅(qū)動(dòng)功率管Q5，P0.5輸出”1”時(shí)Q18導(dǎo)通，Q5輸出約5W的功率加熱電烙鐵。

2.2.8 氣路控制模塊

氣路控制模塊負(fù)責(zé)氣路系統(tǒng)的控制，抽真空和充氮功能都必須通過氣路完成，氣路控制模塊直接由軟件控制驅(qū)動(dòng)。工作原理：烙鐵加熱模塊由 D4，D5，R15，R16，Q11，Q12，K2，K3 組成。取第二路控制模塊分析，第二路由D5，R16，Q12，K3組成，P2.4輸出”1”時(shí)Q12導(dǎo)通K3吸合相應(yīng)的氣閥打開。第一路由D4，R15，Q11組成，原理與第二路類同。

2.2.9 抽真空模塊

抽真空模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)的抽真空。抽真空模塊直接由軟件控制驅(qū)動(dòng)。工作原理：烙鐵加熱模塊由D8，R20，Q13，繼電器K4組成。R20為基極驅(qū)動(dòng)電阻，Q13用于驅(qū)動(dòng)繼電器K4，P2.7輸出”1”時(shí)Q13導(dǎo)通，繼電器K4吸合驅(qū)動(dòng)抽真空泵工作。

3 結(jié)束語

航空精密儀表自動(dòng)充氮系統(tǒng)是一個(gè)完整的機(jī)、電、氣一體化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的引入使得系統(tǒng)具有高度的控制智能，能按照行業(yè)要求完成復(fù)雜的作業(yè)邏輯操作。在計(jì)算機(jī)的控制下機(jī)、電、氣渾然成為一個(gè)有機(jī)的自動(dòng)控制作業(yè)整體，能精確地自動(dòng)完成有關(guān)的作業(yè)任務(wù)。系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)涉及到軟件設(shè)計(jì)、電子線路硬件設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、氣路設(shè)計(jì)等寬廣的領(lǐng)域，是控制、軟件、電子線路、機(jī)械、氣流等領(lǐng)域知識(shí)的有機(jī)整合。

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