王愛(ài)民 葛 堯

（92941部隊(duì) 葫蘆島 125000）

1 引言

遙控艦船作為被攻擊目標(biāo)是在軍事試驗(yàn)領(lǐng)域的主要用途之一，主機(jī)自動(dòng)控制裝置是遙控艦船自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分，是船只在無(wú)人遙控狀態(tài)下航行時(shí)必不可少的設(shè)備之一［1］。它將接收到的變速、換向等控制指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船航行的自動(dòng)控制［2］。本方案設(shè)計(jì)的艦艇主機(jī)自動(dòng)控制裝置，適合不同艦船改裝成遙控靶艇，可較好地解決新遙控靶艇研制、建造周期長(zhǎng)、經(jīng)費(fèi)高，無(wú)法滿足使用需求的難題，也可提高退役艦艇的利用率，達(dá)到減低費(fèi)用的目的。

主機(jī)自動(dòng)控制裝置的工作原理是當(dāng)主機(jī)自動(dòng)控制裝置的主機(jī)控制器接收到中心控制設(shè)備發(fā)出的控制指令后，對(duì)送來(lái)的控制信號(hào)做出判斷和反應(yīng)，并通過(guò)執(zhí)行器完成主機(jī)的變速、換向等相應(yīng)動(dòng)作。

裝置的主要功能是：1）具有控制主機(jī)自動(dòng)變速、自動(dòng)換向、自動(dòng)連鎖和自動(dòng)保護(hù)功能；2）裝置與遙控終端間能夠進(jìn)行定時(shí)聯(lián)絡(luò)，在信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間中斷后，主機(jī)控制裝置自動(dòng)進(jìn)入程序保護(hù)狀態(tài)，信號(hào)恢復(fù)接收后，重新進(jìn)入受控狀態(tài)；3）能夠自動(dòng)采集靶艇運(yùn)動(dòng)航向、航速和當(dāng)前位置信息并送回中心計(jì)算機(jī)顯示、形成數(shù)據(jù)庫(kù)文件；4）系統(tǒng)具備可擴(kuò)充功能，并能轉(zhuǎn)入手動(dòng)操控［3～4］。

2 主機(jī)自動(dòng)控制裝置的設(shè)計(jì)

主機(jī)自動(dòng)控制裝置主要由PLC控制器、執(zhí)行器等部分組成。PLC控制器主要完成遙控指令的接收和處理并送給執(zhí)行器；執(zhí)行器是一個(gè)位置控制裝置，主要包括換向、變速裝置兩部分，它的作用是把PLC送來(lái)的動(dòng)作信息通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制主機(jī)變速和換向拉桿，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)的自動(dòng)控制。

2.1 PLC控制器

PLC控制器主要包括CPU模塊、電源模塊和功能模塊，通過(guò)接收遙控指令，經(jīng)PLC控制器譯碼和處理后發(fā)送給執(zhí)行器，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作［5～6］。

主機(jī)的控制指令多，邏輯復(fù)雜。選用可編程控制器（PLC）來(lái)完成各種邏輯控制，是因?yàn)樗哂幸韵绿攸c(diǎn)：1）可靠性高。因?yàn)樗捎梦㈦娮蛹夹g(shù)，大量的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路完成，在設(shè)計(jì)中采用一系列硬件和軟件抗干擾措施，有效地抑制了外部干擾。2）應(yīng)用靈活。由于PLC實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)的積木式硬件結(jié)構(gòu)和單元化的軟件設(shè)計(jì)，使它既可適應(yīng)復(fù)雜功能的控制要求，又適應(yīng)各種工藝流程變更較多的場(chǎng)合。3）功能強(qiáng)、通用性好。PLC不僅具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等功能，而且還具有A／D、D／A轉(zhuǎn)換、數(shù)值運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。4）編程簡(jiǎn)單。大多數(shù)PLC采用梯形圖編程方式。梯形圖與傳統(tǒng)的繼電器接觸控制線路圖有許多相似之處，與常用的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比更容易被操作者掌握［7～9］。

為了保證主控制器的可靠性，主控制器采用高可靠性的OMRON CJ1系列PLC作為主控部件。對(duì)操縱桿進(jìn)行控制的執(zhí)行元件為直流力矩電機(jī)，下面簡(jiǎn)述直流力矩電機(jī)PLC控制方案［10～11］。

在操縱桿行程范圍內(nèi)放置一定數(shù)量的位置檢測(cè)元件，圖1為直流力矩電機(jī)控制原理圖，圖中以3個(gè)元件為例，分別為SB1、SB2和SB3。對(duì)電機(jī)的控制一共采用4個(gè)繼電器，分別為KM1、KM2、KM3和KM4。

圖1 直流力矩電機(jī)控制原理圖

當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，操縱桿從左至右移動(dòng)；電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，從右至左移動(dòng)。如從SB1移動(dòng)至SB3，KM1和KM3首先接通，電機(jī)正轉(zhuǎn)，到達(dá)SB3后全部繼電器斷開(kāi)，電機(jī)停止，如在需要從SB3移動(dòng)至SB2，則KM2和KM4接通，電機(jī)反轉(zhuǎn)，到達(dá)SB2后全部繼電器斷開(kāi)，電機(jī)停止。

2.2 控制器

控制器由變速和換向裝置兩部分組成。其設(shè)計(jì)的主要目的就是要把變速和換向的手動(dòng)操縱改為自動(dòng)操縱并保持原有手動(dòng)功能。

通過(guò)調(diào)研了解，現(xiàn)有艦船的手動(dòng)操控裝置雖形式各異，但其結(jié)構(gòu)可歸納為圖2（a）、2（b）兩種，即均是通過(guò)人工扳動(dòng)換向、變速桿實(shí)現(xiàn)艦船航向、速度的變換。兩種操縱桿結(jié)構(gòu)形式的區(qū)別在于圖2（a）中的換向桿僅控制前進(jìn)和后退，圖2（b）中的換向桿不僅控制艦船的前進(jìn)和后退，還控制主機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)。本設(shè)計(jì)基于微計(jì)算機(jī)技術(shù)的主機(jī)自動(dòng)控制方案，通過(guò)使用高可靠性、高穩(wěn)定性的集成元件和機(jī)械設(shè)計(jì)滿足主機(jī)的自動(dòng)換向和變速控制功能。由于圖2（a）中變速桿和換向桿與圖2（b）中的變速桿結(jié)構(gòu)類似，控制方式一致，因此，下文中主要以實(shí)現(xiàn)圖2（b）自動(dòng)控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主，左圖中的變速桿和換向桿可利用圖2（b）中的自動(dòng)變速裝置實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)控制功能。

圖2 艦船兩種主機(jī)變速、換向操縱裝置示意圖

2.2.1 換向控制器

新設(shè)計(jì)的換向控制器由直流力矩電機(jī)（正反運(yùn)動(dòng)）、聯(lián)軸器、蝸桿減速器、齒條、拉桿和齒輪等組成，實(shí)現(xiàn)主機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)、前進(jìn)和后退。

1）原主機(jī)換向桿操縱原理

圖3 “十”字滑槽

原艇主機(jī)換向桿操縱由人工控制。換向桿共有5個(gè)位置，如圖3所示，即中間位置、啟動(dòng)位置、停車位置、正車位置和倒車位置。這5個(gè)位置是換向桿在一個(gè)“十”字滑槽中所處的位置，從操縱桿上方位置看，中間位置向右擺動(dòng)為啟動(dòng)，向左擺動(dòng)為停車，向前推為正車，向后拉為倒車。

2）換向控制器自動(dòng)操縱原理

新設(shè)計(jì)的換向控制器保留原手動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)，增加自動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)。自動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)和原手動(dòng)操縱過(guò)程類似，即通過(guò)兩套相同的齒輪—齒條拉桿機(jī)構(gòu)將原換向桿手動(dòng)左右擺動(dòng)和前推后拉改為由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)自動(dòng)左右擺動(dòng)和前后推拉。

換向控制器的結(jié)構(gòu)、原理如圖4所示，其中兩個(gè)拉桿設(shè)計(jì)在相互平行的兩個(gè)平面中。簡(jiǎn)要工作原理是直流力矩電機(jī)（1）驅(qū)動(dòng)蝸桿（3），經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)蝸輪低速空間交錯(cuò)軸輸出，在蝸輪輸出軸上固聯(lián)的直齒輪拖動(dòng)齒條（4）橫向水平移動(dòng)。與齒條（4）剛性聯(lián)接的啟、停拉桿作橫向移動(dòng)，拉桿（5）的端部固聯(lián)具有縱向?qū)Р鄣耐习?，拖板?dǎo)槽的寬度切于操縱桿外徑。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪（13）推動(dòng)齒條（4）即拉桿（5）作左右直線移動(dòng)，達(dá)左右死點(diǎn)處，將由桿（5）的端部導(dǎo)槽推動(dòng)操縱桿達(dá)停車、啟動(dòng)位置。當(dāng)拉桿5作橫向平移時(shí)，拉桿7端部的導(dǎo)槽（水平向）便是操縱桿6的水平導(dǎo)軌。同理，電機(jī)11驅(qū)動(dòng)蝸桿減速器10、齒輪9正反轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒條8將作上下縱向平移，通過(guò)拉桿7端部的水平向?qū)Р劾瓌?dòng)操縱桿作縱向位移，達(dá)上下死點(diǎn)時(shí)，為正倒車的控制位置。當(dāng)兩套系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)操縱桿的啟動(dòng)—正車、啟動(dòng)—倒車等復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

圖4 換向控制器安裝位置示意圖

換向控制器共兩套，其中一套安裝在圖4的十字滑槽左右滑槽的左端外側(cè)，且撥桿較短，撥桿從中間向右擺動(dòng)到位，即是啟動(dòng)位置；向左擺動(dòng)到位即是停車位置。另一套安裝在圖4的十字滑槽前后滑槽的后端外側(cè)，且撥桿較長(zhǎng)，撥桿從中間位置向前擺動(dòng)到位，即是正車位置，向后擺動(dòng)到位即是倒車位置。兩套機(jī)構(gòu)安裝在座板上，再將座板安裝到操作面板上。兩套機(jī)構(gòu)互相垂直放置，撥桿長(zhǎng)短不一，互不干涉。

撥桿的運(yùn)動(dòng)由直流力矩電機(jī)經(jīng)蝸輪蝸桿減速器傳至輸出軸，輸出軸經(jīng)鍵連接帶動(dòng)撥桿轉(zhuǎn)動(dòng)，以擺動(dòng)到所需角度。

3）主要技術(shù)參數(shù)的選擇與核算

（1）幾何參數(shù)

齒輪齒數(shù)Z＝23

模數(shù)m＝2mm

齒高系數(shù)h＊α＝1mm

變位系數(shù)x＝0

齒條有效長(zhǎng)度L＝150mm

寬度b＝13mm

蝸桿減速器型號(hào)：NRV30－30

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速nd＝1400r／min

蝸輪輸出轉(zhuǎn)速nd＝1400r／min

輸入功率Pw1＝0.18KW

輸出扭矩T2＝24Nm

選直流力矩電機(jī)55LYX04

峰值堵轉(zhuǎn)時(shí)：0.84Nm

空載最大轉(zhuǎn)速n0max＝1500r／min

按NRV減速器輸出扭矩T2計(jì)算直齒輪額定輸出的切向力

當(dāng)蝸桿減速器傳動(dòng)比i＝30時(shí)，則電機(jī)轉(zhuǎn)速為n1

取直流力矩電機(jī)按0.7Nm輸出轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)效率η＝0.5時(shí)，則直齒輪將獲得輸出力矩為：

此時(shí)拖動(dòng)切向力Ft＝807N

擺動(dòng)速度：1～2s

2.2.2 變速控制器

1）原主機(jī)換變速操縱原理

設(shè)齒條線速度為v2＝100mm／s時(shí)，則齒輪的轉(zhuǎn)速為（蝸輪轉(zhuǎn)速n2）

原艇主機(jī)油門桿操縱由人工控制。油門桿共有4個(gè)位置，即正車低速、中速、高速，倒車低速，這4個(gè)位置是油門桿在一個(gè)“一”字滑槽（見(jiàn)圖5）中所處的位置，從操縱桿位置看，從左向右逐漸加速。

圖5 一字滑槽圖

圖6 解脫自鎖機(jī)構(gòu)

2）變速控制器自動(dòng)操縱原理

變速控制器由電機(jī)、減速器和撥桿等組成，實(shí)現(xiàn)主機(jī)低速、中速、高速、全速控制。其組成和工作原理和換向控制器相同，不再贅述。改裝后保留原手動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)，增加自動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)。

原手動(dòng)操縱桿可以在任意位置自鎖定位，當(dāng)改為自動(dòng)控制時(shí)必須解脫自鎖，才能完成自動(dòng)控制，而其鎖緊功能改由減速器提供，因此，特設(shè)計(jì)了一個(gè)解鎖套，并將其用螺釘擰緊在手動(dòng)操作柄座上，當(dāng)需要自動(dòng)控制時(shí)，只需將手動(dòng)操作柄上的自鎖按鈕按下，即可解脫自鎖，完成速度的自動(dòng)控制。解脫自鎖機(jī)構(gòu)如圖6所示。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的主機(jī)自動(dòng)控制裝置利用軟硬件結(jié)合的方法，采用成熟技術(shù)，試驗(yàn)結(jié)果證明：具有體積小、重量輕、安裝控制方便、使用靈活和實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，適合多種艦船的改裝。

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