多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性檢測(cè)系統(tǒng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

液壓天線舉升系統(tǒng)是將天線陣面舉升到一定高度，且對(duì)天線陣面的仰角有一定要求。負(fù)載變化較大且對(duì)運(yùn)動(dòng)速度平穩(wěn)性要求較高的液壓天線舉升系統(tǒng)，往往采用調(diào)速閥對(duì)液壓缸進(jìn)行速度控制[1]。特別是對(duì)多級(jí)液壓缸，為了保證速度運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)，調(diào)速閥控制的每一級(jí)流量都是變化的。為了實(shí)現(xiàn)天線液壓舉升系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的均勻，通常需要額外系統(tǒng)來檢測(cè)多級(jí)液壓缸運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。除肉眼定性的判斷外，定量判斷則需要安裝專用的檢測(cè)舉升機(jī)構(gòu)速度、振動(dòng)等信息的裝置和儀器。多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，油缸除缸桿伸出外，還伴隨著油缸鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，這給專用檢測(cè)裝置和儀器的安裝帶來了不小的困難。

為了提高檢測(cè)裝置及方法的通用性，本文提出了一種檢測(cè)方法。在該檢測(cè)方法中檢測(cè)裝置不僅通用性好、便于安裝，特別適用于大型多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)，而且能有效地判斷出多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的速度變化，識(shí)別天線舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性差異。

1 多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)

多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)的組成如圖1 所示，包括基座1、舉升油缸2、天線負(fù)載3、轉(zhuǎn)軸5、6、7。其中：基座1 固定在安裝平臺(tái)上；基座1 與舉升油缸2 一端通過轉(zhuǎn)軸6 活動(dòng)連接；舉升油缸2 一端與天線負(fù)載3 通過轉(zhuǎn)軸7 活動(dòng)連接；天線負(fù)載3 與基座1 通過轉(zhuǎn)軸5 活動(dòng)連接。其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律是通過舉升油缸2 將天線負(fù)載3 圍繞其轉(zhuǎn)軸5 舉升到一定高度，且對(duì)舉升后的天線負(fù)載3 平行面與基座1 水平面夾角有一定要求。S1、S2分別表示天線負(fù)載3 的起始位置與終點(diǎn)位置[2]。

圖1 多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

對(duì)于本文所討論的多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，實(shí)際上指的是通過舉升油缸2 將天線負(fù)載由初始位置S1運(yùn)動(dòng)至終點(diǎn)位置S2的過程中其自身運(yùn)動(dòng)速度的均勻性。舉升油缸是三級(jí)油缸，每級(jí)缸桿的直徑是變化的：當(dāng)天線負(fù)載由S1運(yùn)動(dòng)至S2時(shí)，舉升油缸的缸桿直徑變化趨勢(shì)是由大變??；當(dāng)天線負(fù)載由S2運(yùn)動(dòng)至S1時(shí)，舉升油缸的缸桿直徑變化趨勢(shì)是由小變大。由于缸桿直徑的變化，每一級(jí)油缸的流量也是變化的。本文使用電控液壓調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸流量的控制。舉升油缸2 在伸出或收回的過程中，兩端是通過轉(zhuǎn)軸6 和7 一起進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從相對(duì)運(yùn)動(dòng)來說，實(shí)現(xiàn)了天線負(fù)載3 圍繞轉(zhuǎn)軸5 的轉(zhuǎn)動(dòng)。舉升油缸2 自身不僅有缸桿的直線運(yùn)動(dòng)，還包含了舉升油缸自身的轉(zhuǎn)動(dòng)。

通過調(diào)速閥對(duì)舉升油缸的直線運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)天線負(fù)載的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。從舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析可知，為了精確實(shí)現(xiàn)天線負(fù)載的勻速運(yùn)動(dòng)及檢測(cè)運(yùn)動(dòng)過程中是否平穩(wěn)，就必須安裝相關(guān)的專用檢測(cè)設(shè)備以得到具體的量化數(shù)據(jù)和指標(biāo)。目前，市場(chǎng)上現(xiàn)有的檢測(cè)方法通常是將拉線位移傳感器等類似的裝置安裝在油缸行程的兩端，通過計(jì)算運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度與時(shí)間的比值來確定油缸的運(yùn)行速度。這種裝置安裝和使用方式受油缸的長(zhǎng)度和長(zhǎng)期運(yùn)行的環(huán)境因素影響較大。特別對(duì)于油缸運(yùn)動(dòng)過程中是否平穩(wěn)需要進(jìn)行檢測(cè)而言，對(duì)這類傳感器的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的精度要求很高，甚至還要結(jié)合檢測(cè)油缸流量和振動(dòng)等信息的裝置來配合定量判斷。為此，本文提出了一種用于多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性檢測(cè)系統(tǒng)，它不僅檢測(cè)裝置能方便安裝，而且檢測(cè)系統(tǒng)能準(zhǔn)確地量化舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

2 平穩(wěn)性檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 基于四連桿原理的檢測(cè)裝置

實(shí)際應(yīng)用中多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)往往結(jié)構(gòu)尺寸比較大。為了方便安裝，本文基于四連桿的原理[3-9]設(shè)計(jì)了平穩(wěn)性檢測(cè)裝置，其結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 基于四連桿原理的檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖

檢測(cè)裝置由2 根連桿203、205，2 根轉(zhuǎn)軸204、207，編碼器安裝支架202，安裝板206，絕對(duì)式編碼器201 組成。安裝板和編碼器安裝支架分別固定在被檢測(cè)的舉升天線負(fù)載和其天線基座上；天線負(fù)載的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)絕對(duì)式編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)，其輸出信號(hào)即為天線舉升機(jī)構(gòu)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)脈沖數(shù)值。圖3是檢測(cè)裝置安裝在天線舉升機(jī)構(gòu)上的安裝尺寸示意圖，其結(jié)構(gòu)參數(shù)包括轉(zhuǎn)軸5 與轉(zhuǎn)軸207 中心距L1，轉(zhuǎn)軸207 與轉(zhuǎn)軸204 中心距L2，轉(zhuǎn)軸204 與絕對(duì)式編碼器中心距L3，絕對(duì)式編碼器與轉(zhuǎn)軸5 中心距L4，共4 組長(zhǎng)度尺寸。由于安裝板和編碼器安裝支架分別固定在天線負(fù)載和支座上，因此其桿件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以等效為雙搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。對(duì)應(yīng)上述的4 個(gè)長(zhǎng)度尺寸，L4等效的桿件為靜桿，L1和L3等效的桿件為搖桿，做往返擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，L2等效的桿件為連桿，做平面運(yùn)動(dòng)。

2.2 平穩(wěn)性檢測(cè)系統(tǒng)

圖3 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)安裝尺寸圖

在檢測(cè)裝置中，絕對(duì)式編碼器是連接舉升機(jī)構(gòu)與檢測(cè)系統(tǒng)之間的媒介。絕對(duì)式編碼器輸出數(shù)值由其自身轉(zhuǎn)軸的機(jī)械位置所決定[10-11]。絕對(duì)式編碼器轉(zhuǎn)軸的每個(gè)機(jī)械位置是唯一的。在轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)量光電碼盤各道刻線，以獲取其唯一的編碼，再通過同步串行輸出編碼器轉(zhuǎn)軸位置脈沖。本文設(shè)計(jì)的平穩(wěn)性檢測(cè)系統(tǒng)連接框圖，如圖4 所示。

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)連接框圖

從圖4 可知，檢測(cè)裝置采集相關(guān)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出舉升機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性差異。檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。

圖5 檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

檢測(cè)裝置除了向數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)輸入采集到的絕對(duì)式編碼器的實(shí)時(shí)脈沖之外，還需要提供舉升機(jī)構(gòu)的初始化參數(shù)，如圖3 所示，包括：中心距L1、L2、L3、L4；機(jī)構(gòu)處于起點(diǎn)S1時(shí)轉(zhuǎn)軸204 與轉(zhuǎn)軸207 中心距L5；絕對(duì)式編碼器轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)軸5 在水平方向上的垂直距離L6；機(jī)構(gòu)處于終點(diǎn)S2時(shí)天線負(fù)載與水平面的夾角θ2，該夾角θ2簡(jiǎn)化為天線仰角θ2，通常來說，天線負(fù)載的仰角是已知的，或者說可以通過簡(jiǎn)單的儀器測(cè)量出來。

數(shù)據(jù)采集模塊在天線負(fù)載從起點(diǎn)S1實(shí)際運(yùn)動(dòng)至終點(diǎn)S2過程中，以采樣周期T讀取絕對(duì)式編碼器的反饋脈沖數(shù)值，運(yùn)動(dòng)過程的總時(shí)間記為采樣時(shí)間t。以運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)S1為原點(diǎn)建立oxy坐標(biāo)系，其中橫坐標(biāo)為采樣時(shí)間、縱坐標(biāo)為讀取的脈沖數(shù)值，擬合出天線舉升機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線。起點(diǎn)S1是指天線負(fù)載運(yùn)動(dòng)起始時(shí)的狀態(tài)；終點(diǎn)S2是指舉升天線負(fù)載運(yùn)動(dòng)終止時(shí)的狀態(tài)。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型模塊在采樣時(shí)間t內(nèi)天線負(fù)載勻速舉升過程中，根據(jù)公式（1）得到絕對(duì)式編碼器脈沖值的變化，并擬合出天線舉升機(jī)構(gòu)理論運(yùn)動(dòng)曲線。公式（2）中各參數(shù)含義為：θ1為天線負(fù)載處于起點(diǎn)S1時(shí)中心距L1與水平面夾角，θ1由公式（3）獲得；θ2為天線負(fù)載處于終點(diǎn)S2時(shí)的天線仰角；t為采樣時(shí)間；t1為在區(qū)間[0，t]范圍內(nèi)以采樣周期T累加的變化時(shí)間。

數(shù)據(jù)對(duì)比分析模塊依據(jù)擬合的天線舉升機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線和理論運(yùn)動(dòng)曲線，建立OTS坐標(biāo)系。在同一采集時(shí)間t內(nèi)，平均n等分分段實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線和理論運(yùn)動(dòng)曲線，n≥6，先得出殘差平方和，再依據(jù)公式（4）得出擬合度指標(biāo)R。根據(jù)擬合度指標(biāo)R識(shí)別多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性差異。公式（4）中Si、分別為第i等分段實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線和理論運(yùn)動(dòng)曲線的脈沖值。

當(dāng)擬合度指標(biāo)R在（0.95，1]范圍內(nèi)，則判定為合格，表明多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性符合要求；當(dāng)擬合度指標(biāo)R在（0.95，1]范圍之外，則判定為不合格：因此，根據(jù)輸出的脈沖差值Si-，定性判斷多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)哪些運(yùn)動(dòng)階段需要速度調(diào)整。

2.3 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于檢測(cè)系統(tǒng)的硬件，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6 所示。結(jié)合檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，平穩(wěn)性檢測(cè)系統(tǒng)操作流程如下。

步驟1，將檢測(cè)裝置安裝在多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)上，并采集初始化參數(shù)，在檢測(cè)裝置與數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)之間建立通信連接。

圖6 檢測(cè)系統(tǒng)軟件流程圖

步驟2，將安裝后的初始化參數(shù)值輸入至數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。

步驟3，由檢測(cè)裝置按采樣周期T獲取天線舉升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)脈沖數(shù)值和從起點(diǎn)S1運(yùn)動(dòng)至終點(diǎn)S2的采集時(shí)間t，并輸入至數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。

步驟4，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)根據(jù)接收到的天線舉升機(jī)構(gòu)的采樣時(shí)間點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)脈沖數(shù)值，擬合舉升機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線和理論運(yùn)動(dòng)曲線。

步驟5，由數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)對(duì)實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線和理論運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行分段，計(jì)算殘差平方和，進(jìn)而得出擬合度指標(biāo)R。

步驟6，根據(jù)擬合度指標(biāo)值R識(shí)別舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是否平穩(wěn)，找出舉升機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中平穩(wěn)性差異區(qū)域，并輸出。

3 平穩(wěn)性檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

將平穩(wěn)性檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于某多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的天線負(fù)載的角度通過三級(jí)油缸伸出長(zhǎng)度來保證，舉升到位后角度為83.5°，三級(jí)油缸缸徑從大到小依次分別為200、160、120 mm，其對(duì)應(yīng)桿徑變化為180、140、100 mm。將檢測(cè)裝置安裝在舉升機(jī)構(gòu)上后，記錄多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)從起點(diǎn)S1運(yùn)動(dòng)至終點(diǎn)S2的時(shí)間t。得到的初始化參數(shù)如表1 所示。

按照檢測(cè)系統(tǒng)的操作流程，將初始化參數(shù)輸入至檢測(cè)系統(tǒng)。擬合出的理論運(yùn)動(dòng)曲線、實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線，分別如圖7、8 所示，同時(shí)計(jì)算出的擬合度指標(biāo)R，如圖9 所示。根據(jù)擬合度指標(biāo)對(duì)原多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)的液壓閥的流量做相應(yīng)的改進(jìn)控制，多次循環(huán)采集相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算出多組擬合度指標(biāo)，進(jìn)而使多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)趨于理論勻速運(yùn)動(dòng)。利用擬合度指標(biāo)的量化數(shù)據(jù)，可以直接反映出2 臺(tái)或多臺(tái)舉升機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)差異性。針對(duì)實(shí)際的多級(jí)液壓機(jī)構(gòu)，依據(jù)擬合度數(shù)據(jù)可以定向的對(duì)各級(jí)液壓機(jī)構(gòu)流量做出針對(duì)性的調(diào)整。

表1 初始化參數(shù)表

圖7 實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線

圖8 理論運(yùn)動(dòng)曲線

4 結(jié)論

本文針對(duì)多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性識(shí)別問題，建立了一種檢測(cè)系統(tǒng)，介紹了具體的檢測(cè)方法和檢測(cè)裝置。對(duì)某多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性檢測(cè)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)不僅通用性好、便于安裝，而且能有效地判斷出多級(jí)液壓天線舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的速度變化，得出擬合度指標(biāo)的量化數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)偏差數(shù)據(jù)，并依據(jù)擬合度數(shù)據(jù)定向地對(duì)各級(jí)液壓機(jī)構(gòu)流量做出針對(duì)性調(diào)整。該檢測(cè)系統(tǒng)還可為后續(xù)預(yù)防性維護(hù)和預(yù)測(cè)維修提供指導(dǎo)依據(jù)。

圖9 平穩(wěn)性運(yùn)動(dòng)分析圖