基于離心機的超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合試驗平臺設(shè)計

任 逸，馬博涵，馬紅磊，肖艷華，尚世龍，王健全，祝 郁，李富柱

（1.江蘇大學(xué) 機械學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2.北京市八一學(xué)校，北京 100080；3.中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094）

0 引言

隨著我國航空事業(yè)的迅猛發(fā)展，第四代戰(zhàn)機列裝部隊對飛行人員的身體素質(zhì)和飛行能力提出了更高的要求[1-2]。機動飛行引起的力學(xué)環(huán)境改變會對人體的前庭反應(yīng)和心血管功能產(chǎn)生影響[2-3]，如在完成大角度轉(zhuǎn)彎、側(cè)翻、旋轉(zhuǎn)等多種失速機動動作時，常常會誘導(dǎo)空暈病、空間定向障礙及意識喪失等現(xiàn)象[1,4]。此外，載人航天器交會對接、應(yīng)急返回等過程中也涉及復(fù)雜的動態(tài)載荷。因此，如何有效訓(xùn)練、評價人體前庭功能穩(wěn)定性及過載耐受能力已成為目前航空航天醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重點研究內(nèi)容之一。

生物反饋訓(xùn)練可以有效減輕運動病的癥狀，但對地面模擬試驗設(shè)備提出較高的要求[5-6]。目前針對航空航天環(huán)境地面模擬平臺的研制已有許多成果，例如載人離心機作為地面模擬超重最有效的裝備，可使受試者真切感受到飛行對人體生理、心理的影響，并且能夠輔助檢查并評估飛行人員的過載耐受能力[7-8]；轉(zhuǎn)椅、轉(zhuǎn)床等設(shè)備可實現(xiàn)對人體多方位的前庭刺激，用于評定人體前庭功能穩(wěn)定性及心血管功能[2,6]。然而，航空航天任務(wù)涉及極為復(fù)雜的復(fù)合動力學(xué)環(huán)境，上述設(shè)備雖然安全穩(wěn)定、參數(shù)精確可控、重復(fù)性強，但通常只能模擬單一的特定運動環(huán)境，無法模擬實際飛行過程中復(fù)雜運動耦合的情況。因此，亟需研制復(fù)合環(huán)境模擬試驗平臺。

超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合環(huán)境作為航空航天過程中常見的力學(xué)環(huán)境，目前國內(nèi)外尚無相關(guān)的模擬設(shè)備或研究。本文基于超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合力學(xué)環(huán)境的特點開展試驗平臺的功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計，借助轉(zhuǎn)臂式離心機及自轉(zhuǎn)座椅模擬超重、旋轉(zhuǎn)及超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合環(huán)境，重點圍繞設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件選型及連接、軟件控制等方面展開論述，并開展精度測試驗證。

1 主要結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計

轉(zhuǎn)臂式離心機是模擬超重環(huán)境最主要的設(shè)備形式，可通過臂架旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力模擬超重力，且可以調(diào)整末端座椅來改變超重加載的方向[9]。為設(shè)計超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合試驗平臺，在離心機的基礎(chǔ)之上，采用框架式自轉(zhuǎn)座椅替代傳統(tǒng)的固定座椅，并且以鏈式傳動作為座椅旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動方式，可在減小系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的同時提高設(shè)備的安全性與穩(wěn)定性。

超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合試驗平臺的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括底座（含離心電機、減速器、支撐臺架及傳動結(jié)構(gòu)等）、旋轉(zhuǎn)支架（含轉(zhuǎn)臂、平衡臂及配重塊等）、自轉(zhuǎn)座椅（含自轉(zhuǎn)電機、傳動鏈條、連接框架、座椅及蓄電池等）和控制柜（含可編程邏輯控制器PLC、控制單元及功率單元等）。離心機與自轉(zhuǎn)座椅各自采用單獨的控制系統(tǒng)，離心機旋轉(zhuǎn)支架由伺服電機驅(qū)動，自轉(zhuǎn)座椅由步進電機通過鏈式傳動來驅(qū)動，以確保在超重旋轉(zhuǎn)過程中二者走線互不影響。

圖1 超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合試驗平臺樣機Fig.1 Prototype of the integrated hypergravity rotation test platform

結(jié)構(gòu)及質(zhì)量問題是航天產(chǎn)品研制過程中需要考量的重要因素[10]。圖2 為自轉(zhuǎn)座椅結(jié)構(gòu)，其框架采用3003 鋁合金材料，可在保證足夠強度的同時減小設(shè)備整體質(zhì)量；座椅的鏈式傳動機構(gòu)采用06B單排鏈輪及06B 鏈條的組合，并在鏈條嚙合處增加滑輪式防脫裝置，機構(gòu)的傳動比為1∶2。

圖2 自轉(zhuǎn)座椅結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the self-rotating seat

本文所設(shè)計的超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合試驗平臺主要用于中小型動物及設(shè)備等的超重、旋轉(zhuǎn)及超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合模擬試驗，以檢測不同空間環(huán)境下生物/設(shè)備的生理/工作狀況。試驗平臺的主要技術(shù)指標(biāo)為：離心機轉(zhuǎn)臂半徑1.8 m，最大轉(zhuǎn)速100 r/min，加速時間不少于10 s，最大模擬過載20g（控制精度±0.05g）；自轉(zhuǎn)座椅最大轉(zhuǎn)速100 r/min，最大承重約12 kg。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

為避免離心過程中臂架旋轉(zhuǎn)對自轉(zhuǎn)座椅的控制系統(tǒng)走線產(chǎn)生影響，對離心機與自轉(zhuǎn)座椅采用單獨的控制系統(tǒng)來驅(qū)動。離心機控制系統(tǒng)采用PC+PLC+伺服電機+編碼器的總體方案，系統(tǒng)框圖如圖3 所示。該方案具有較強的靈活性與可擴展性，可確保緊湊設(shè)計下的高性能。其中，PC 負責(zé)人機交互，與PLC 直接通信；PLC 借助PID 控制器技術(shù)對象和工程組態(tài)SIMATIC STEP 7 Basic 中提供的支持編輯器進行控制回路組態(tài)；伺服電機采用位置控制模式的三閉環(huán)負反饋PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)，反饋控制原理如圖4 所示。

圖3 離心機控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of centrifuge control system

圖4 離心機控制系統(tǒng)伺服電機的反饋控制原理Fig.4 Feedback control principle of servo motor in centrifuge control system

自轉(zhuǎn)座椅控制系統(tǒng)采用IPC+驅(qū)動器+步進電機的總體方案，結(jié)構(gòu)簡單、控制可靠，整體走線沿臂架分布，能確保不受離心旋轉(zhuǎn)的影響。IPC 與驅(qū)動器依靠24 V 蓄電池供電，步進電機采用兩相86 型步進電機，由IPC 直接發(fā)送脈沖信號控制。

2.2 硬件設(shè)計選型

離心機控制系統(tǒng)硬件參數(shù)如表1 所示。伺服電機自帶 AS24DQI 編碼器以及滑鍵和抱閘；控制單元控制單軸驅(qū)動，帶有 PROFINET 和 TTL/HTL 編碼器的檢測電路，承擔(dān)與功率單元的通信、開/閉環(huán)控制以及與 PLC 的通信，并通過 FM-IF 接口與功率單元相連；功率單元為標(biāo)準規(guī)格帶集成進線濾波器；外接編碼器集電極開路輸出（PNP），與電機內(nèi)置編碼器協(xié)同構(gòu)成三閉環(huán)負反饋 PID 控制；操作面板 BOP20 可設(shè)定參數(shù)、讀取診斷信息（如報警和故障消息）并且確認故障；CF 卡固件版本為V4.8。

表1 離心機控制系統(tǒng)硬件參數(shù)Table 1 Hardware parameters of the centrifuge control system

自轉(zhuǎn)座椅控制系統(tǒng)各硬件參數(shù)如表2 所示。

表2 自轉(zhuǎn)座椅控制系統(tǒng)硬件參數(shù)Table 2 Hardware parameters of the self-rotating seat control system

2.3 控制系統(tǒng)原理

離心機控制電路如圖5 所示，采用三相四線制，U、V、W 為相線，N 為零線。所用的信號連接線均為雙絞線，以避免信號間的相互干擾。電氣柜中所有電氣組件接地端子都使用12 平黃綠線連接在接地母排PE 上。信號線接地柱與強電接地柱間距4 m 以上，以抑制強電信號對弱電信號的干擾。

圖5 離心機控制電路Fig.5 The centrifuge control circuit

自轉(zhuǎn)座椅控制系統(tǒng)中，采用24 V 直流輸出蓄電池給IPC 與電機驅(qū)動器供電，如圖6 所示。步進電機與驅(qū)動器組成開環(huán)控制系統(tǒng)，通過脈沖輸入直接控制電機動作，控制可靠，動態(tài)響應(yīng)迅速。

圖6 自轉(zhuǎn)座椅控制系統(tǒng)接線示意Fig.6 Wiring diagram of the self-rotating seat control system

3 軟件控制

人機交互系統(tǒng)與PLC 基于變量形式搭建人機界面（HMI）與控制過程之間的通信，I/O 模塊則是PLC 與控制過程交流的橋梁。HMI 利用變量讀取或?qū)懭隤LC 的控制數(shù)據(jù)，在PC 上進行控制界面的組態(tài)，包括變量設(shè)置以及與PLC 之間的鏈接。

3.1 離心機控制界面

離心機控制系統(tǒng)采用SIMATICTIA Portal V15.1作為編程與控制軟件，集PLC 編程與wincc 編程于一體。其主頁面如圖7 所示，包括參數(shù)設(shè)置區(qū)、參數(shù)顯示區(qū)、控制按鈕及狀態(tài)顯示區(qū)、實際運行狀態(tài)顯示區(qū)以及手動調(diào)速區(qū)等。其中，參數(shù)設(shè)置區(qū)主要為離心參數(shù)的輸入，包括載荷曲線路徑、旋轉(zhuǎn)半徑、數(shù)采周期與總數(shù)、載荷給定總數(shù)等；參數(shù)顯示區(qū)主要提示當(dāng)前讀取的載荷以及離心機實時的運行情況；控制按鈕及狀態(tài)顯示區(qū)可以控制離心機啟/停、正/反轉(zhuǎn)及手動/自動模式等；實際運行狀態(tài)顯示區(qū)顯示實際載荷的曲線。超重離心結(jié)束后，載荷曲線會以數(shù)組的形式存放在wincc 的HMI 變量和PLC變量中，讀取結(jié)束后會自動生成Excel 文件。

圖7 離心機控制軟件主頁面Fig.7 Main interface of the centrifuge control software

3.2 自轉(zhuǎn)座椅控制界面

自轉(zhuǎn)座椅控制系統(tǒng)采用三菱GX Works 2 作為組態(tài)工具，在進行軟件系統(tǒng)設(shè)計時，力求界面直觀、簡潔。其控制界面如圖8 所示，輸入?yún)?shù)主要為運行時間、座椅轉(zhuǎn)速以及正/反轉(zhuǎn)等。

圖8 自轉(zhuǎn)座椅控制軟件界面Fig.8 Interface of the self-rotating seat control software

4 測試驗證

為測試超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合試驗系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，設(shè)計精度測試方案，包括單一超重精度測試、單一旋轉(zhuǎn)精度測試及超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合精度測試，分別選用2.5、5.0、10.0 kg 重力替代物進行多運轉(zhuǎn)水平模擬。

4.1 單一超重精度測試

此測試僅控制離心機運動，設(shè)置數(shù)據(jù)采集周期為1 s，待離心機穩(wěn)定運行后連續(xù)采集100 個數(shù)據(jù)點并取平均值與輸入?yún)?shù)對比，記錄結(jié)果見表3。

表3 單一超重精度測試記錄表Table 3 Hypergravity accuracy test record sheet

4.2 單一旋轉(zhuǎn)精度測試

此測試僅控制自轉(zhuǎn)座椅運動，采用秒表、測角儀等設(shè)備記錄旋轉(zhuǎn)一定圈數(shù)所需時間，多次測量后取平均值，記錄結(jié)果如表4 所示。

表4 單一旋轉(zhuǎn)精度測試記錄表Table 4 Rotation accuracy test record sheet

4.3 超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合精度測試

此測試中同時控制離心機與自轉(zhuǎn)座椅運動，通過Gopro 運動相機記錄復(fù)合加載過程中自轉(zhuǎn)座椅運動情況，離心機運動狀態(tài)仍通過實時采點取均值的方式進行監(jiān)測，記錄復(fù)合加載下兩系統(tǒng)運動情況，記錄結(jié)果如表5 所示。

表5 超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合精度測試記錄表Table 5 Hypergravity rotation composite accuracy test record sheet

通過各組測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：各運轉(zhuǎn)水平下，離心機過載輸出相對誤差不超過0.5%；自轉(zhuǎn)座椅由于引入鏈條傳動及手工測試的原因，旋轉(zhuǎn)相對誤差略大，但均平穩(wěn)完成測試。綜合對比表3、表4 和表5測試結(jié)果，離心機和自轉(zhuǎn)座椅控制系統(tǒng)間無明顯干擾，試驗平臺效果達到預(yù)期要求。

5 結(jié)束語

本文在基于離心機的超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合試驗平臺設(shè)計中，采用自轉(zhuǎn)座椅代替?zhèn)鹘y(tǒng)固定座椅，分別搭建了獨立的離心機控制系統(tǒng)及自轉(zhuǎn)座椅控制系統(tǒng)，并開展了精度測試驗證。結(jié)果表明，該平臺可實現(xiàn)超重、旋轉(zhuǎn)及超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合等環(huán)境模擬，控制系統(tǒng)方便穩(wěn)定，運行可靠，能有效支撐相關(guān)模擬試驗。

后期將進一步完善平臺的結(jié)構(gòu)，提高運行精度，用于航空航天特因環(huán)境下人體生理與防護技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。