多臂多自由度動物離心機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

潘俊孜，周好斌，高 峰，徐向前

(西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

0 引言

由于現(xiàn)代化戰(zhàn)機(jī)的大量服役及空戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜化，在飛行過程中持續(xù)產(chǎn)生的高過載可引起飛行人員的短暫黑視、空間定位錯(cuò)覺、甚至意識喪失(G-LOC)，嚴(yán)重影響飛行安全。因此，航空航天環(huán)境模擬技術(shù)已經(jīng)成為航天醫(yī)學(xué)的重中之重。在這個(gè)背景下，亟需開發(fā)研制一臺多臂多自由度動物離心機(jī)，旨在通過預(yù)編程的方式模擬高G值(高加速度環(huán)境)、不同G值增長率、單相和多相G值組合的飛行環(huán)境，并通過動物的生理學(xué)實(shí)驗(yàn)為研究飛行人員對加速度耐力不足、由加速度引起意識喪失等問題提供參考[1-3]。本文設(shè)計(jì)基于“PC+運(yùn)動控制器”控制架構(gòu)的動物離心機(jī)控制系統(tǒng)，并通過多軸運(yùn)動控制器完成載物臺多自由度的協(xié)同運(yùn)動，以獲得X、Y、Z三軸復(fù)合加速度。

1 動物離心機(jī)基本結(jié)構(gòu)及運(yùn)動分析

動物離心機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由主軸系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臂系統(tǒng)、支撐傳動系統(tǒng)和多自由度載物臺系統(tǒng)組成。其中，主軸系統(tǒng)包括主軸伺服電機(jī)4及回轉(zhuǎn)軸承7，核心功能是實(shí)現(xiàn)動物離心機(jī)圍繞其中心軸線的360°回轉(zhuǎn)運(yùn)動；轉(zhuǎn)臂系統(tǒng)包括4只轉(zhuǎn)臂8、9、10、11，這樣能更好地提高實(shí)驗(yàn)效率，同時(shí)也可以以對角線為一組的形式，即“兩兩一組”進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，大大提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集效率，且對于整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)來講，主軸受力更加平衡，運(yùn)行更加平穩(wěn)；支撐傳動系統(tǒng)主要包括減速器5、支撐方軸6，其作用是支撐離心機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳遞輸出扭矩和轉(zhuǎn)速；多自由度載物臺系統(tǒng)主要包括載物臺1、自轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)2、步進(jìn)電機(jī)電動推桿3，自轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)電動推桿分別控制沿實(shí)驗(yàn)平臺切線方向的180 (°)/s的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和沿法線方向的俯仰運(yùn)動。

動物離心機(jī)運(yùn)行過程中，伺服電機(jī)通過減速機(jī)帶動回轉(zhuǎn)軸承使整個(gè)動物離心機(jī)圍繞中心主軸實(shí)現(xiàn)不同速度的回轉(zhuǎn)運(yùn)動以獲得Z軸(沿離心方向)的加速度，在主軸回轉(zhuǎn)的同時(shí)可通過運(yùn)動控制器對轉(zhuǎn)臂上8臺電機(jī)的同步控制分別獲得X軸(沿載物臺法線方向)和Y軸(沿載物臺切線方向)的加速度。

1-載物臺;2-自轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī);3-步進(jìn)電機(jī)電動推桿;4-主軸伺服電機(jī);5-減速器;6-支撐方軸;7-回轉(zhuǎn)軸承;8，9，10，11-轉(zhuǎn)臂

2 總體控制方案

動物離心機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下：①實(shí)現(xiàn)主軸最大回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速90 r/min；②離心重力加速度增長速率6 g/s(起始值為1 g)；③載物臺沿其切線方向180 (°)/s的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和沿法線方向的俯仰運(yùn)動。

為了保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，本次設(shè)計(jì)采用主從站的控制架構(gòu)。整個(gè)控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，主要是由運(yùn)動控制模塊、驅(qū)動模塊、執(zhí)行模塊和反饋模塊組成的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。其中運(yùn)動控制模塊又分為主軸控制和多軸載物臺控制，各自采用相對獨(dú)立的驅(qū)動單元，互不干涉。

圖2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于動物離心機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)，對系統(tǒng)的硬件做出選擇。

上位機(jī)選用PC機(jī)，其具有靈活、開放、便捷的軟件開發(fā)環(huán)境和對數(shù)據(jù)強(qiáng)大的處理能力，對于使用者來講，PC機(jī)具有成本低廉、操作簡單和開放友好的人機(jī)交互的特點(diǎn)。

由于多轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，致使整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量大大提高，對主軸電機(jī)的性能要求也變得尤為苛刻。而交流伺服電機(jī)具有抗過載能力強(qiáng)、對速度精確控制等特點(diǎn)[4]，適用于有瞬間負(fù)載波動及快速啟停的場合；同時(shí)編碼器具有良好的抗干擾性，反饋數(shù)據(jù)的可靠性得到提高。因此，選用配有絕對值編碼器的交流伺服電機(jī)及控制器，經(jīng)計(jì)算確定選用的電機(jī)功率為10 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min。

多軸運(yùn)動控制器是整個(gè)載物臺控制系統(tǒng)的核心[5]，載物臺在運(yùn)動過程中需要進(jìn)行多自由度的組合運(yùn)動。為了避免控制過于集中化和便于后期維護(hù)，本次設(shè)計(jì)選用八軸運(yùn)動控制器，分別控制載物臺沿切線方向的180 (°)/s的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和沿法線方向的俯仰運(yùn)動，選擇Modbus-RTU協(xié)議通信，支持8路高速脈沖輸出，各軸可獨(dú)立運(yùn)行，也可多軸聯(lián)動。

伺服控制器、八軸運(yùn)動控制器與上位機(jī)之間均通過RS485串口總線進(jìn)行通訊。RS485通訊線必須用屏蔽雙絞線，同時(shí)用屏蔽線將所有控制器的GND地連接起來，若通訊不穩(wěn)定可在終端控制器A+、B-間并聯(lián)120 Ω電阻。

電氣結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，分為供電部分和邏輯控制部分。電機(jī)的邏輯控制部分由多軸運(yùn)動控制器、伺服控制器組成；供電部分采用380 V接入，經(jīng)過空氣開關(guān)進(jìn)入伺服控制器為伺服電機(jī)供電。取三相中的一相線路和零線組成220 V電壓，通過24 V開關(guān)電源為載物臺系統(tǒng)供電，且系統(tǒng)設(shè)有應(yīng)急保護(hù)、過電流電壓保護(hù)等保護(hù)措施。

圖3 電氣結(jié)構(gòu)示意圖

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

VS2015集成開發(fā)環(huán)境采用分級結(jié)構(gòu)，通過各層級之間的交互，使整個(gè)軟件系統(tǒng)更易于維護(hù)、升級。本次設(shè)計(jì)基于Windows操作系統(tǒng)環(huán)境借助VS2015集成開發(fā)環(huán)境，使用VB.NET可視化編程語言進(jìn)行基于PC機(jī)的動物離心機(jī)控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了邏輯運(yùn)算和邏輯控制功能。系統(tǒng)軟件包括通訊程序、系統(tǒng)初始化程序、各軸動作子程序等。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程

軟件系統(tǒng)分為界面層和程序編譯層，交互界面力求簡潔、直觀。軟件控制界面如圖5所示，主要分為通訊區(qū)、功能控制區(qū)、參數(shù)設(shè)置區(qū)和實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測區(qū)，包括運(yùn)動參數(shù)設(shè)定、運(yùn)動啟停控制、運(yùn)動模式設(shè)定、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測等功能；程序編譯層包括運(yùn)動控制器及伺服控制器控制指令的編譯并運(yùn)用多線程技術(shù)允許CPU對多個(gè)控制指令同時(shí)進(jìn)行處理，很大程度上提高了對數(shù)據(jù)幀的處理效率。

圖5 軟件控制界面

其中，實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測區(qū)通過格式轉(zhuǎn)換、平滑濾波等預(yù)處理辦法，用波形圖將伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況呈現(xiàn)出來；通訊區(qū)通過RS485串口發(fā)送Modbus-RTU協(xié)議數(shù)據(jù)幀對運(yùn)動控制器及伺服控制器設(shè)定從站號、方向/脈沖信號等參數(shù)；自動控制區(qū)在不同模式下直接設(shè)定X、Y、Z三軸G值，通過關(guān)系轉(zhuǎn)換函數(shù)分別得出主軸、載物臺切線方向及法線方向的轉(zhuǎn)速并自動運(yùn)行；手動控制區(qū)包括主軸控制區(qū)和載物臺控制區(qū)，主軸控制區(qū)通過設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速及加減速度獲得Z軸的加速度；載物臺控制區(qū)通過對自轉(zhuǎn)角度及俯仰角度的設(shè)定實(shí)現(xiàn)載物臺的多自由度組合運(yùn)動，以獲得X、Y軸的復(fù)合加速度。

5 結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的基于“PC+運(yùn)動控制器”控制架構(gòu)的多臂多自由度動物離心機(jī)控制系統(tǒng)可靠性、實(shí)時(shí)性、抗干擾性相對較好，且多自由度載物臺的組合運(yùn)動平穩(wěn)，能夠獲得多樣化的復(fù)合加速度組合；通訊穩(wěn)定性較好，能夠?qū)崿F(xiàn)主從站之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、反饋，但在多個(gè)載物臺同步控制精度方面仍存在不足，還需繼續(xù)優(yōu)化。