一種電動(dòng)舵機(jī)間隙參數(shù)自動(dòng)測(cè)量方法*

江　義　王　卓　黃　川

(華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院　武漢　430074)

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一種電動(dòng)舵機(jī)間隙參數(shù)自動(dòng)測(cè)量方法*

江義王卓黃川

(華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院武漢430074)

電動(dòng)舵機(jī)間隙對(duì)系統(tǒng)的性能起著重要作用,但間隙角度小對(duì)精確測(cè)量提出了挑戰(zhàn)。針對(duì)這一問題,論文采用了一種結(jié)合位移傳感器和壓力傳感器。通過實(shí)時(shí)采集兩者數(shù)據(jù)畫出曲線,根據(jù)曲線計(jì)算出系統(tǒng)的間隙角度值,并利用PLC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用該方法能夠有效地測(cè)量系統(tǒng)間隙角度參數(shù)。

電動(dòng)舵機(jī); 間隙; 位移傳感器; 壓力傳感器

Class NumberTP391

1　引言

現(xiàn)代國防科技在國家發(fā)展過程中起著國家安全戰(zhàn)略保障的作用,航空航天技術(shù)在國防技術(shù)中扮演著重要的角色[1～4]。電動(dòng)舵機(jī)在航空飛行器中作為執(zhí)行器得到了廣泛的應(yīng)用,電動(dòng)舵機(jī)是飛控系統(tǒng)的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)[5],隨著對(duì)飛行器控制精度要求越來越高,對(duì)電動(dòng)舵機(jī)技術(shù)也提出了更高的需求。而間隙非線性特性對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行起著重要作用[6～7],系統(tǒng)間隙過大會(huì)導(dǎo)致控制精度下降；系統(tǒng)間隙過小會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)摩擦力加大,機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損大等不利影響。因此在電動(dòng)舵機(jī)伺服系統(tǒng)生產(chǎn)過程中需要保證適當(dāng)?shù)拈g隙。

隨著控制技術(shù)的不斷提高,對(duì)間隙參數(shù)的檢測(cè)技術(shù)也在不斷發(fā)展過程中。2012年北京機(jī)電工程研究所提出《一種適合于非線性舵系統(tǒng)的間隙測(cè)量方法》[8],并申請(qǐng)專利；2013年北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所提出了《一種電動(dòng)舵機(jī)間隙測(cè)試方法》[9],并申請(qǐng)專利。在該專利中,采用砝碼和百分表來測(cè)量間隙。測(cè)試過程先將砝碼懸掛在設(shè)置了百分表端的掛鉤上,消除一端間隙,再將砝碼懸掛至另一端掛鉤,讀取兩次懸掛砝碼后百分表的刻度值。間隙計(jì)算如下式所示。

上述介紹的測(cè)量方法中主要還是使用人工檢測(cè)[10]的方法,在測(cè)量過程中存在著較大的不確定性。本文采用一種結(jié)合位移傳感器和壓力傳感器的高精度檢測(cè)方法,并設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化測(cè)試軟件,實(shí)現(xiàn)間隙角度測(cè)量。完成間隙測(cè)量實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證測(cè)量方案、重復(fù)測(cè)量精度等實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明該方法能夠有效地測(cè)量系統(tǒng)的間隙角度參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)高剛度測(cè)量桿與電動(dòng)舵機(jī)輸出軸進(jìn)行連接,方便角度測(cè)量。

2　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本測(cè)量系統(tǒng)以西門子s7-1200PLC控制器為核心,結(jié)合位移傳感器和壓力傳感器進(jìn)行位移和壓力信號(hào)采集。PLC通過控制氣動(dòng)平移臺(tái)的移動(dòng)狀態(tài)來控制壓力傳感器擠壓測(cè)量桿的方向,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓力給力的控制。在Windows7計(jì)算機(jī)端,結(jié)合Step7、WinCC等軟件實(shí)現(xiàn)控制程序設(shè)計(jì)與交互界面設(shè)計(jì)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要基于Windows7 32位平臺(tái)開發(fā),控制程序開發(fā)使用Step7,人機(jī)交互界面使用WinCC軟件開發(fā)?？刂栖浖饕獙?shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)平移臺(tái)的移動(dòng)控制,同時(shí)采集位移、壓力傳感器值,并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行過程；人機(jī)交互界面主要顯示控制器通過以太網(wǎng)傳輸?shù)牟杉瘮?shù)據(jù)曲線,顯示計(jì)算結(jié)果,并且進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行過程如下所示,測(cè)試界面如圖2所示。

圖2　自動(dòng)化測(cè)試流程

3　測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中,兩個(gè)位移傳感器間距為常量,通過運(yùn)動(dòng)過程中位移傳感器的變化換算得到間隙角度值,測(cè)量示意圖如圖4所示。由于間隙角度值很小,一般在10角秒左右,在計(jì)算過程中采用近似計(jì)算,計(jì)算公式如下式所示。

式中θ為間隙角度,Δd1為上端位移傳感器位移差值,Δd2為下端位移傳感器位移差值,L為兩傳感器之間的距離。

圖4　測(cè)量原理圖

系統(tǒng)中位移傳感器為基恩士接觸式傳感器,測(cè)量過程中,首先將位移傳感器測(cè)量部件推至于測(cè)量桿接觸,并有一定壓縮量,保證測(cè)量過程中位移傳感器與測(cè)量桿的接觸。然后移動(dòng)右邊氣缸,右氣缸與右連接桿運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)右壓力傳感器向左運(yùn)動(dòng),壓力傳感器不斷擠壓測(cè)量桿,當(dāng)右壓力傳感器讀數(shù)大于設(shè)定值時(shí)停止運(yùn)動(dòng),氣缸復(fù)位。再移動(dòng)左側(cè)氣缸,左氣缸與左連接桿運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)左壓力傳感器向右運(yùn)動(dòng),壓力傳感器不斷擠壓測(cè)量桿,當(dāng)左壓力傳感器讀數(shù)大于設(shè)定值時(shí)停止運(yùn)動(dòng),氣缸復(fù)位。如圖5中測(cè)量原理所示,系統(tǒng)存儲(chǔ)了氣缸運(yùn)動(dòng)中采集的所有位移傳感器和壓力傳感器的數(shù)值并繪制曲線,通過測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)間隙角度的大小。

圖5　測(cè)量系統(tǒng)圖

3.2間隙測(cè)量方案驗(yàn)證

為了驗(yàn)證間隙測(cè)量系統(tǒng)的方案正確性,將測(cè)量桿固定在駿河精機(jī)旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)上,旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)能夠給定固定角度(滑臺(tái)每旋轉(zhuǎn)一格約為55″),使用本測(cè)量方案對(duì)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行測(cè)量,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1　算法驗(yàn)證數(shù)據(jù)

測(cè)量數(shù)據(jù)擬合后的曲線如下圖6所示。圖中虛線為旋轉(zhuǎn)角度曲線,實(shí)線為測(cè)量計(jì)算角度曲線。由圖可知兩條曲線基本重合,在一定手動(dòng)誤差以及滑臺(tái)固有誤差情況下,測(cè)量算法正確。

圖6　測(cè)量數(shù)據(jù)擬合曲線

4　測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在間隙模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成,實(shí)驗(yàn)針對(duì)同一系統(tǒng)進(jìn)行多次測(cè)量,對(duì)比多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性。測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2　設(shè)定值5N實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知測(cè)量變化范圍在±4.5″,滿足實(shí)際測(cè)量重復(fù)性精度需求。

5　結(jié)語

本文在現(xiàn)有常用手動(dòng)使用砝碼和百分表來測(cè)量間隙的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種采用位移傳感器和壓力傳感器來精確測(cè)量間隙角度和系統(tǒng)剛度的方案,結(jié)合PLC與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行,解決了手動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)操作麻煩、測(cè)量精度不高的缺點(diǎn),提高自動(dòng)化檢測(cè)水平。并且通過模擬平臺(tái)與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)應(yīng)用的檢測(cè)過程,驗(yàn)證測(cè)量方案的正確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

根據(jù)采集的位移傳感器數(shù)據(jù)以及壓力傳感器數(shù)據(jù),除了計(jì)算角度參數(shù)之外還可以計(jì)算系統(tǒng)的剛度參數(shù),使得系統(tǒng)具有一定的功能擴(kuò)展性。根據(jù)實(shí)際需求,本研究后期可以在實(shí)現(xiàn)剛度測(cè)量的方向做更進(jìn)一步的努力。

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An Automatic Measurement Method For The Clearance of Electromechanical Actuator

JIANG YiWANG ZhuoHUANG Chuan

(School of Automation, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan430074)

The clearance of electromechanical actuator plays an important role in the system performance, while, it’s a challenge to have an accurate measurement for the small clearance angle. In order to solve this problem, this paper adopts a method that uses both displacement sensor and pressure sensor. Through real-time gathering the data the curve is drawed, then the clearance is calculated through the curve, and PLC is used to make it an automatic operation system. The experimental results show that this method can measure the clearance parameters of the system effectively.

electromechanical actuator, clearance, displacement sensor, pressure sensor

2016年3月8日,

2016年4月26日

江義,男,碩士研究生,研究方向：過程控制。王卓,男,博士,講師,研究方向：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),過程控制。黃川,男,碩士研究生,研究方向：過程控制。

TP391DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.09.043