基于LabVIEW的直驅(qū)式液壓調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院, 杭州 310000)

0 引言

在傳統(tǒng)的導(dǎo)彈發(fā)射平臺上，應(yīng)用的是機械支腿，依靠人力手搖調(diào)節(jié)支腿高度，同時觀測水平儀來達到最終調(diào)平的目的，其不僅費時費力，而且操作起來較為困難，人為手動調(diào)節(jié)支腿無法有效地控制調(diào)節(jié)量，因此出現(xiàn)了液壓支腿，依靠減壓閥和三位四通電磁閥來精確控制油缸行程，同時結(jié)合傳感器的反饋參數(shù)來達到調(diào)平目的[1-2]。這種方法相對于機械支腿有了很大程度的提升，包括時間和操作上，但是此時的液壓支腿的供給油箱是和起豎的油箱連接在一起，造成管路復(fù)雜的問題，容易因為管路問題而影響最后的起豎[3-4]。故本設(shè)計采用了基于LabVIEW的直驅(qū)式液壓調(diào)平系統(tǒng)，其不僅解決了管路復(fù)雜的問題，而且操作界面簡單直觀，調(diào)平時間依然較短，精度也可以得到保障，而且在一定程度上起到了節(jié)能的作用[5-6]。

LabVIEW是基于虛擬儀器而產(chǎn)生的一種新的開發(fā)環(huán)境，是一種由流程圖取代程序代碼的圖形化的編程語言，更加貼近于技術(shù)人員、科學(xué)家和工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念。其相對于其他的編程語言，具有構(gòu)建靈活、層次體系清晰，功能強大且人機界面友好的優(yōu)點，被外界所廣泛的接受。就目前而言，其廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)測試、研究分析以及過程控制等。所有的LabVIEW應(yīng)用程序包括前面板、流程圖以及圖標(biāo)/連接器三部分。前面板主要為用操作界面，各種直觀的圖形化元器件可以讓操作人員更加清晰明了地指導(dǎo)儀器的各種功能和操作方式，流程圖中包含各種功能的圖標(biāo)，以及簡單的連線連接，即可實現(xiàn)各種所需功能完成程序開發(fā)，其簡單的編寫方式大大縮短了用戶的學(xué)習(xí)時間，加快了開發(fā)速度[7-8]。

1 直驅(qū)式液壓調(diào)平方案設(shè)計

1.1 直驅(qū)式液壓調(diào)平系統(tǒng)基本設(shè)計思路

常見的支撐方式有剛性支撐、半剛性支撐和彈性支撐三種，其中剛性支撐是指支腿全部為剛性構(gòu)件，平臺上的載荷全部通過剛性支腿直接傳遞到地面，其主要包括有三點支撐、四點支撐及六點支撐3種支撐方式。半剛性支撐是指設(shè)備的工作平臺用前輪和后千斤頂支撐于地面，形成所謂的前彈性、后剛性的支撐。使用這種支撐，起豎平臺由行軍狀態(tài)轉(zhuǎn)換為戰(zhàn)斗狀態(tài)時，后面的兩個千斤頂下降，著地后將全車抬起，后輪逐步減少負載，到一定值后停止。彈性支撐是指起豎平臺用前后車輪支撐于地面，起豎時的載荷通過前、后車輪傳遞給地面。車體上的懸掛可以鎖死，只有車胎的彈性支撐。也可以不鎖住，由輪胎和懸掛的彈性串聯(lián)支撐。由上述三種支撐方式可知，三種支撐方式中剛性支撐方式的剛性最好，所以精度也最高，穩(wěn)定性最好，本實驗臺采用剛性支撐方式。

由于調(diào)平平臺自身存在撓度變形、耦合等因素，且嚴(yán)格意義上來說實際的平臺調(diào)平系統(tǒng)存在很強的非線性特性。為了提高平臺的剛性減小撓度變形，采用的方法大多數(shù)是增加平臺的支撐腿數(shù)量。但此方法引入了一個新的問題——靜不定問題，這將導(dǎo)致平臺可能在調(diào)平時并非四條支撐腿都接觸在地面，致使平臺不穩(wěn)發(fā)生傾覆現(xiàn)象；不僅如此，支撐腿數(shù)量的增多還將使控制變得復(fù)雜；支撐腿數(shù)量越少，調(diào)平越容易實現(xiàn)，但三點支撐方式與平臺的矩形結(jié)構(gòu)不匹配，且容易傾覆；六點支撐平臺可以適應(yīng)較重負載情況和負載分布不均勻的情況，但調(diào)平過程復(fù)雜。四點支撐方式可以適應(yīng)大多數(shù)情況，且結(jié)構(gòu)對稱，穩(wěn)定性好，綜合考慮，本項目選取四點支撐方式。

四點支撐完全利用液壓支腿來完成，同時在平臺中線安裝了兩個傾角傳感器，水平傳感器的精度和安裝位置將直接影響調(diào)平的時間和精度，故本設(shè)計采用了具有0～10 V輸出的SRH220DR/180/180/A2/5/D/A和STT280/20/P5傾角傳感器，經(jīng)過信號調(diào)節(jié)之后直接與控制器相連，將左右方向的傾角信號α1和α2以及前后方向的傾角信號β反饋到控制器。而且在油箱處裝有壓力傳感器，可以觀測油箱內(nèi)外腔的壓力。其次在每個支腿上裝有位移傳感器，可以在每次實驗是觀察支腿伸縮狀況。本設(shè)計可以充分觀察在調(diào)平過程中各點參數(shù)的變化情況，方便進行后續(xù)的調(diào)節(jié)和完善。設(shè)備的基本設(shè)計要求為調(diào)平的時間確保在1 min中內(nèi)，精度在±0.2°以內(nèi)。

圖1 起豎結(jié)構(gòu)傳感器安裝與支撐結(jié)構(gòu)

1.2 調(diào)平控制原理設(shè)計

調(diào)平過程是基于LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制作用下，多個電機同時運行，控制液壓缸伸縮，以保證快速完成。首先依靠調(diào)平油缸的壓力反饋，我們可以快速完成第一階段，即四條支腿完全落地，支撐整個平臺，當(dāng)每個支腿都完全落地時，無桿腔壓力會增大，有桿腔的壓力會減小。其次，根據(jù)設(shè)置的調(diào)平高度以及此時反饋的傾角參數(shù)，我們根據(jù)最長伸出支腿可以計算得出達到指定的高度每個液壓支腿還需要伸出的長度，此時就可以完成第二階段，雖然經(jīng)過計算達到的距離應(yīng)該時可以完全調(diào)平的，但是在運行過程中會產(chǎn)生疊加誤差，故需要進行后續(xù)微調(diào)。然后就是依照第二階段結(jié)束后反饋的左右傾角α，對與前后邊進行左右調(diào)平，此時應(yīng)該保持最長伸出支腿不動進行調(diào)節(jié)，有利于簡單方便的進行調(diào)節(jié)。最后就是依據(jù)前后傾角β進行前后調(diào)平，完成整體調(diào)平。通過對目標(biāo)裝置的分析，在第一階段平臺落地之后，根據(jù)不同的路面狀況會產(chǎn)生共4種不同的情況，分別為四個支腿其中某個為最長伸出腿即標(biāo)準(zhǔn)支腿，，然后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)支腿進行后續(xù)的調(diào)節(jié)，這樣我們可以減少各個支撐腿調(diào)節(jié)至水平所需要的伸縮距離，還可以避免出現(xiàn)設(shè)備超調(diào)的現(xiàn)象。在第二階段完成之后反饋傾角也有4種狀態(tài)，分別為前端左偏或者右偏，后端左偏或者右偏。第三階段完成之后也有兩種工況，即前高后低或者前低后高。以下就列舉以支腿1為最長支腿的8種工況，其處理流程見圖2。我們可以看到對于不同的工況，每個支腿都有其獨特的運行軌跡。其中，在第二階段的處理過程中，我們選擇讓油缸2和油缸4的調(diào)節(jié)同時動作以完成傾角α1和傾角α2的調(diào)平，之后在第三階段的調(diào)節(jié)過程中讓油缸3和油缸4同時動作完成β角的調(diào)平，這樣處理的好處是可以充分縮短調(diào)平所需時間，而且調(diào)節(jié)過程變得清晰明了，避免了編程的復(fù)雜。

圖2 傾角調(diào)平流程

2 自動調(diào)平控制電路設(shè)計

調(diào)平系統(tǒng)控制電路原理見圖3。根據(jù)調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計原理并結(jié)合平臺的特點，閉環(huán)自動調(diào)平系統(tǒng)主要由NI的數(shù)據(jù)采集模塊和控制模塊、控制信號的輸出以及伺服驅(qū)動單元組成。其中采集模塊采集的數(shù)據(jù)主要包括兩個傾角傳感器，四個油缸共八個壓力傳感器以及四個支腿上的位移傳感器，其中壓力傳感器用于測試油缸內(nèi)外腔的壓力，用于測試支腿著地情況，避免出現(xiàn)調(diào)節(jié)完畢三腿支撐的狀況或者有虛腿的情況。數(shù)據(jù)處理的設(shè)備主要有裝有LabVIEW的的計算機構(gòu)成，用來獲取各個傳感器的輸出信號，并通過程序加以處理編輯，轉(zhuǎn)換成所需要的控制信號，輸出給伺服驅(qū)動器，控制電機轉(zhuǎn)速，讓液壓支腿伸縮以達到調(diào)平目標(biāo)。本設(shè)計還額外增加了可以在不同的離地高度進行調(diào)節(jié)的功能，這樣不僅可以適應(yīng)各種路況，而且還可以縮短調(diào)平時間，可以充分應(yīng)用到各種野外的特殊環(huán)境，應(yīng)用范圍廣泛。在基本的控制電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，我們還增加了急停和報警的功能，這樣不僅僅可以在可能出現(xiàn)意外的情況下，提前警示操作人員，還可以及時地預(yù)防和處理出現(xiàn)的狀況，對于突發(fā)的危險狀況，我們也可以通過急停按鈕暫時斷開控制電源，使強電部分缺少控制信號，從而停止工作，避免出現(xiàn)更加嚴(yán)重的意外事件。

圖3 系統(tǒng)控制電路原理

3 系統(tǒng)液壓回路的設(shè)計

調(diào)平系統(tǒng)采用四支腿單獨泵控EHA的方式，主要有伺服電機、雙向外嚙和齒輪泵、油箱、吸排閥、平衡閥和溢流閥等組成。液壓缸在工作過程中的最大壓力為21 MPa，泵向液壓缸提供的流量為2.85 L/min，若回路中的泄露按液壓缸輸入流量的10%計算，則泵的總流量為3.17 L/min，考慮泵0.9的容積效率，并選擇電機同步轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，則泵的排量為1.76 ml/r。選擇鈺盟雙向齒輪泵，型號為AMM2N02，轉(zhuǎn)速為600～4 000 r/min，公稱排量為2 ml/r，額定工作壓力為23 MPa，最高工作壓力為27 MPa,完全滿足需求。泵的效率0.9，電機效率0.9，則電機功率1.611 kW，電機選型：SIEMENS伺服電機型號為1FL6067-1AC61-0AA1，相應(yīng)的伺服驅(qū)動器選用6SL3210-5FE12-0UA0。系統(tǒng)額定壓力21 MPa，額定流量2.85 L/min。泵由伺服電機帶動，由溢流閥7.1，7.2控制系統(tǒng)安全壓力，液控方向閥5控制液壓缸的伸縮，雙向液壓鎖6.1，6.2鎖緊液壓缸，手動安全閥8用于單腿出現(xiàn)故障時的應(yīng)急伸出。系統(tǒng)工作時，由位移傳感器、壓力傳感器檢測液壓缸位移以及兩腔壓力信號，傾角傳感器檢測平臺傾角信號，傳送給信號采集控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)輸出控制信號給伺服電機，通過控制系統(tǒng)流量大小和方向，控制液壓方向閥，精確控制調(diào)平實驗平臺。

1．油箱; 2.吸排閥; 3.伺服電機; 4.雙向外嚙合齒輪泵; 5.充液閥; 6.平衡閥; 7.溢流閥; 8.手動安全閥;9.壓力傳感器; 10.雙作用活塞缸。圖4 液壓回路設(shè)計圖

4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

4.1 軟件界面和模塊設(shè)計

基于LabVIEW的調(diào)平軟件界面如圖5和圖6所示。在界面上我們分為兩個模塊:一個為顯示模塊;另一個為操作模塊。圖3為顯示模塊，我們可以清晰直觀地觀察到在設(shè)備運行過程過中各個參數(shù)的變化狀況，包括各個狀態(tài)的指示燈，以及報警指示燈，這樣我們在操作時，可以及時發(fā)現(xiàn)各種不同的問題，加以處理解決，防止出現(xiàn)嚴(yán)重后果。圖四為操作模塊，在界面上可以清晰地看到有調(diào)平開關(guān)的啟停、調(diào)平高度的設(shè)定以及高度鎖定按鈕。調(diào)平開關(guān)的啟停是作用于伺服驅(qū)動器的勵磁，而且只有在鎖定調(diào)平高度的前提下，我們才能進行下一步的操作，保證了操作的順序，增加了操作的安全性。在用戶設(shè)定完成之后，可以通過控制柜上的調(diào)平啟動按鈕，開啟自動調(diào)平，而且在開始階段，會詢問是否需要記錄數(shù)據(jù)，可以完整地保存一次實驗的全部數(shù)據(jù)，用與分析和留檔，而且在右側(cè)進行了油缸壓力和支腿位移的變化曲線繪制，可以清晰地看見在實驗過程中的所有參數(shù)的變化過程?；緷M足了用戶的所有需求。另外我們還增加了用戶管理模塊，主要用于對軟件編程界面的保護，首先我們可以避免不熟悉的人員擅自修改后臺程序，導(dǎo)致出現(xiàn)問題，也可以防止程序的泄露。

圖5 軟件界面指示燈顯示界面

圖6 軟件界面調(diào)平操作界面

4.2 軟件程序的設(shè)計

自動調(diào)平系統(tǒng)軟件是基于LabVIEW組態(tài)軟件在Windows系統(tǒng)下快速構(gòu)建的，實現(xiàn)了對外部傳感器的數(shù)據(jù)采集和計算處理，同時輸出控制信號給到伺服驅(qū)動器，控制液壓系統(tǒng)工作。當(dāng)系統(tǒng)軟件啟動之后，為確保操作系統(tǒng)的安全性，設(shè)置了軟件的使用權(quán)限，用戶需要登陸之后才能進行具體操作。其具體的工作流程如圖7所示。軟件在設(shè)計過程中，由于是直驅(qū)式的液壓系統(tǒng)，無法進行小范圍調(diào)節(jié)，不能像閥控一樣精準(zhǔn)的操控伸縮量，對調(diào)平的實現(xiàn)造成了巨大的困難。所以在設(shè)計的過程中，筆者針對系統(tǒng)特性，經(jīng)過反復(fù)測試，獲取一個補償量，在調(diào)平的過程中對于傾角進行補償，使得最終測得的數(shù)據(jù)可以達到目標(biāo)精度。調(diào)節(jié)過程為閉環(huán)控制，程序通過采集的傳感器數(shù)據(jù)進行計算分析，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的控制信號，最終將裝置調(diào)整到水平狀態(tài)。在軟件中還添加了數(shù)據(jù)記錄的功能，能夠準(zhǔn)確的記錄各個傳感器在運行過程中的所有數(shù)據(jù)，用于后續(xù)的分析計算。鑒于在工作過程中會出現(xiàn)意外的情況，在軟件中還添加了暫停的功能，可以暫時停止調(diào)平過程，后續(xù)如果需要繼續(xù)或者重新開始都可以，主要取決于操作員的需求。

圖7 自動調(diào)平程序運行流程

5 實驗結(jié)果分析

對于該起豎平臺，筆者進行了實際運行，記錄了在調(diào)平過程中各個傳感器反饋的參數(shù)，并進行了繪制，如圖8和圖9所示。

圖8 傾角變化

圖9 支腿位移

筆者的該次實驗驗證的是離地高度為450 mm的位置進行調(diào)平，從圖1可見，前一段部分為支腿伸出到落地之前的過程，傾角幾乎沒有發(fā)生改變，等到落地之后由于車體本身傾斜，角度發(fā)生大幅度變化，等到達指定位置后，進行微調(diào)，為確保精度，從圖中可見，精度在0.2以內(nèi)，調(diào)節(jié)時間控制在50 s以內(nèi)，完全符合設(shè)計初衷。從圖2可見，支腿伸出過程較為平穩(wěn)，并沒有出現(xiàn)某個支腿大幅落后或者超前的跡象，運行較為穩(wěn)定，安全可靠，而且在快要結(jié)束部分可以明顯看到有支腿在進行調(diào)節(jié)，以確保傾角精度。

6 結(jié)論

使用伺服電機控制泵排量和方向的直驅(qū)式液壓調(diào)平系統(tǒng)，筆者在實際平臺運行過程中獲取了真實的數(shù)據(jù)，驗證了該方案的可行性，足夠達到用戶指定的指標(biāo)要求，不僅僅簡化了平臺上的管路分布，減少了故障發(fā)生的可能，而且保障了調(diào)平的時間，有效地提高了調(diào)平的效率，而且在歷史方案的基礎(chǔ)上增加了高度調(diào)節(jié)的功能，可以適應(yīng)各種不同的路況和環(huán)境，應(yīng)用范圍較廣。最大的優(yōu)點為有效地降低了能耗，對于現(xiàn)代社會而言，節(jié)能會成為越來越重要的指標(biāo)。因此本方案也具有廣泛的應(yīng)用前景。