王東，梅繁，吳法勇，劉曉鵬

（沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015）

1 引言

柵后測量位移機構(gòu)是平面葉柵風洞試驗器重要的測量支持裝置之一。隨著葉柵試驗技術(shù)的發(fā)展，詳細全面測量柵后流場特性已成為平面葉柵試驗的重要組成部分。因此，1套適合于柵后測量、定位精度高、角位移隨動良好的4軸伺服控制系統(tǒng)成為決定平面葉柵試驗測試質(zhì)量優(yōu)劣的重要設(shè)備。

本文介紹了4軸伺服位移控制系統(tǒng)的開發(fā)和應用過程，并給出了后續(xù)改進建議。

2 系統(tǒng)組成

4軸伺服位移控制系統(tǒng)采用PLC可編程控制技術(shù)，并利用組態(tài)王和VB軟件做為2次開發(fā)平臺，與上位機進行通訊，完成實時控制與通訊，形成自身的閉環(huán)控制，從而確保被控探針精確到位。該系統(tǒng)是由機械傳動、伺服控制、測試及通訊4部分組成的全閉環(huán)位移控制系統(tǒng)，系統(tǒng)控制原理如圖1所示。下面著重介紹機械傳動和伺服控制2部分。

2.1 機械傳動部分

機械傳動部分由3個單滑塊滾珠絲杠傳動定位單元和1維旋轉(zhuǎn)平臺組成(如圖2、3所示)，其直線定位最小檢測單位為±0.005 mm,角位移最小分辨率為0.036°。在4個坐標軸中，X軸為葉柵額線方向，Y軸為柵后位置調(diào)整方向，Z軸為葉高方向，M軸為角向。

使用該機構(gòu)可實現(xiàn)下列方式的柵后逐點跟蹤測量：（1）角向旋轉(zhuǎn)平臺繞X軸聯(lián)動；（2）角向旋轉(zhuǎn)平臺繞X軸、Y軸直線插補；（3）角向旋轉(zhuǎn)平臺繞X、Y軸直線插補和Z軸聯(lián)動；（4）角向旋轉(zhuǎn)平臺繞X軸、Y軸非同步逼近的圓弧插補。

2.2 伺服控制部分

伺服控制部分主要由PLC可編程控制器、4個伺服驅(qū)動器及外圍電器元件組成，如圖4所示。

3 系統(tǒng)特性

該控制系統(tǒng)的X、Y、Z軸的位移指令和被控量均為直線位移；M軸的位移指令為角位移，被控量為探針測得的方向壓差。由于方向壓差信號隨流場條件改變而變化，因此設(shè)計系統(tǒng)時賦予了該信號較高的靈敏性和準確性。

圖5給出了角向位置隨動原理方案，其中PLC模塊起到處理器的作用。角向位置隨動工作原理是：探針2個方向孔測到的壓差，通過差壓變送器轉(zhuǎn)換成電流信號，送入PLC采集模塊并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后經(jīng)過偏差計數(shù)器，與PLC初始采集靜態(tài)探針方向壓差信號比較，經(jīng)過角度修正后，轉(zhuǎn)化成伺服驅(qū)動器識別的控制移動指令再驅(qū)動伺服電機，從而拖動探針隨實際氣流方向轉(zhuǎn)動。探針轉(zhuǎn)動的角度從伺服驅(qū)動器中讀出，并經(jīng)PLC將絕對碼轉(zhuǎn)換成標準的0～20 mA電流信號，送入VXI數(shù)采系統(tǒng)，其最小分辨率可達到5μA。

當偏差計數(shù)器為零時，探針楔面壓差為零，表明探針方向與氣流方向一致，系統(tǒng)處于靜止狀態(tài)；當偏差信號大于±10個碼值(滿量程的1/400)時,控制移動指令讓伺服驅(qū)動系統(tǒng)帶動探針朝壓差信號減小的方向運動，因此控制探針始終跟蹤氣流的方向，偏差小于±0.3°。

從實際應用情況看，該系統(tǒng)的直線定位精度達到0.01 mm,直線插補定位精度達到0.015 mm，角位移隨動系統(tǒng)精度達到0.3°。圖6舉例給出了某試驗中實測的角位移隨動控制曲線。從圖中看出，該控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和重復性，其主要指標可以滿足試驗要求。

4 控制指令與后置處理算法

從4軸位移控制系統(tǒng)組成和分析來看，對不同試驗件要執(zhí)行不同測試功能。因此，后置處理算法的主要任務就是控制探針與試驗件的相對位置，隨動控制精度，然后經(jīng)過幾何變換、數(shù)值計算與求解，最終通過控制代碼的轉(zhuǎn)換與插值來實現(xiàn)對位移機構(gòu)的控制。

4.1 角向算法與旋轉(zhuǎn)指令

角向隨動系統(tǒng)控制是將被控探針感受的壓力變化通過傳感器轉(zhuǎn)換成標準電流信號，然后與PLC采集的實時校準數(shù)據(jù)比較，經(jīng)過運算發(fā)出控制指令(如圖7所示)，驅(qū)動可逆電機轉(zhuǎn)動；為控制探針轉(zhuǎn)角的大小,利用測得的總壓、2楔面的方向孔壓力,經(jīng)PLC計算取得Ka修正系數(shù),用于控制伺服驅(qū)動器的轉(zhuǎn)角指令脈沖,并以該脈沖控制伺服電機帶動探針按轉(zhuǎn)角指令轉(zhuǎn)動，從而使探針在跟蹤氣流方向上達到自動平衡。探針各測點的標號如圖8所示。

Ka系數(shù)的計算為

由于柵后實測來流馬赫數(shù)并不等于標定時的馬赫數(shù)，所以角度計算時，先用實測值按式（2）計算出Aw2，然后與如圖9所示的角度標定曲線比較，若二者差值小于0.5%，則認為探針已對準氣流方向，

否則將繼續(xù)轉(zhuǎn)動探針。

4.2 帶角向旋轉(zhuǎn)的X、Y軸直線同步插補指令與算法

目標軸(X，Y)的位移量是由上位機給定，2軸插補的速度按式（3）、（4）計算，相關(guān)指令如圖10所示。

4.3 帶角向旋轉(zhuǎn)的X軸、Y軸直線同步插補指令與Z軸聯(lián)動控制算法

為實現(xiàn)全流場的測試，采用雙軸直線同步插補與Z軸聯(lián)動對流場進行逐行測量及角度自動跟蹤方式。該方式對研究平面葉柵二次流的機理有很大意義。

4.4 空間任意曲線多軸聯(lián)動的控制指令

該系統(tǒng)可通過單獨發(fā)送3個軸的定位脈沖，來執(zhí)行空間任意曲線多軸聯(lián)動命令。圖11舉例給出了X軸直線定位指令。

5 結(jié)束語

（1）該系統(tǒng)的位移機構(gòu)設(shè)計新穎，布局合理，控制精度高，使用壽命長。

（2）該系統(tǒng)的直線定位精度為0.028 mm，M軸角向位移定位精度為0.036°,角向隨動控制精度為0.3°，完全可以滿足常規(guī)試驗需要。

（3）該系統(tǒng)實現(xiàn)了對柵后流場的全方位測量，使用靈活、方便、可靠，不僅可加快試驗進程,而且可保護探針的使用安全，具有很強的推廣使用價值。

目前，使用該系統(tǒng)測得的角度未考慮到齒系誤差，需要在后續(xù)工作中進一步改進。

[1] Panasonic可編程控制器FP系列編程手冊[CP].ARCT1F313 0409.

[2] YASKAWA.Σ-Ⅱ系列SGM H/SGDH用戶手冊[CP].SIGPS80000005A.

[3] 松下電工株式會社.可編程控制器FP-X用戶手冊[CP].ARCT1F409C.