曾顯波，李志勇

(1.青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266404；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

在位移裝置的設(shè)計(jì)中，其靈活性和定位精度是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。本文介紹一種自主研制的直線(xiàn)與回轉(zhuǎn)位移裝置，用于進(jìn)行水聲聲壓校準(zhǔn)時(shí)搭載測(cè)試設(shè)備的位移平臺(tái)。湯斌等設(shè)計(jì)了2種升降回轉(zhuǎn)定位裝置，分別為框架式結(jié)構(gòu)定位裝置和中空柱式結(jié)構(gòu)定位裝置，并從工程角度分析了2種結(jié)構(gòu)的各自特點(diǎn)[1]。張金鐘等介紹了人工島格型鋼板樁回轉(zhuǎn)與升降裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工作原理，并應(yīng)用有限元方法對(duì)其在施工過(guò)程中遇到的各種工況進(jìn)行了受力分析[2]。林靖等把編碼器應(yīng)用到湖上平臺(tái)回轉(zhuǎn)升降平移裝置中，整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)以PLC為控制核心，利用增量型光電編碼器對(duì)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到了理想的控制效果[3]。之前的研究大部分只限于升降回轉(zhuǎn)位移裝置中部分的設(shè)計(jì)，本文在參考上述設(shè)計(jì)方案的同時(shí)，系統(tǒng)地介紹了水聲聲壓校準(zhǔn)用位移平臺(tái)裝置的整體設(shè)計(jì)。此外，在K. Mateti等研究機(jī)翼旋轉(zhuǎn)和升降裝置中，減振效果明顯[4]；R. L. Barnett等研究的關(guān)于汽車(chē)電梯的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中存在的隱患也給本設(shè)計(jì)提供了很大的參考[5]。

1 位移平臺(tái)裝置的整體設(shè)計(jì)

1.1 功能要求和技術(shù)指標(biāo)

位移平臺(tái)裝置的功能要求是研制一套位移裝置，該裝置可控制被測(cè)試聲結(jié)構(gòu)在水中的放置方位，同時(shí)配備水聲換能器基本參數(shù)測(cè)試軟件，可控制Y軸和Z軸2個(gè)方向及旋轉(zhuǎn)角度的自動(dòng)定位(X軸方向采用手動(dòng)控制)，并記錄這些信息。其中，要求Z軸下端法蘭盤(pán)承重載荷20 kg。

位移平臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)如下。

1)運(yùn)動(dòng)范圍(見(jiàn)表1)。

表1 運(yùn)動(dòng)范圍

2)測(cè)量精度和控制精度(見(jiàn)表2)。

表2 測(cè)量精度和控制精度

3)運(yùn)動(dòng)速度(見(jiàn)表3)。

表3 運(yùn)動(dòng)速度要求

4)其他要求。

使用環(huán)境要求溫度為0～40 ℃；濕度為<90%RH；電源為220 VAC、50 Hz。

1.2 機(jī)電控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由信捷PLC XCC-32T、THA62-MT(觸摸屏)和自行開(kāi)發(fā)的接口、細(xì)分電路組成，控制系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

位移平臺(tái)共4個(gè)軸，對(duì)其中3個(gè)軸(除X軸)進(jìn)行電控，即對(duì)平臺(tái)的Y軸、Z軸和旋轉(zhuǎn)軸用PLC進(jìn)行控制?？刂品绞讲捎檬挚攸c(diǎn)動(dòng)方式、手控連續(xù)方式和計(jì)算機(jī)程序控制方式。PLC和自行設(shè)計(jì)的接口、細(xì)分電路配合完成對(duì)位移傳感器的數(shù)據(jù)讀取，PLC的RS485提供計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程接口，液晶顯示器顯示各項(xiàng)位移數(shù)據(jù)，并接受操作員的操作指令。上述坐標(biāo)軸能分別實(shí)現(xiàn)X、Y、Z和θ方向的手動(dòng)定位，且各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，互不干擾。

1.3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)主要由有一定跨度距離的可做X向滑動(dòng)的平臺(tái)底座組成，平臺(tái)底座上設(shè)計(jì)安裝Y向滑臺(tái)，實(shí)現(xiàn)Y向運(yùn)動(dòng)。Y向滑臺(tái)上設(shè)計(jì)安裝升降回轉(zhuǎn)裝置，可以帶動(dòng)連接軸做垂直和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度均在動(dòng)力輸入端安裝手輪，以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)移動(dòng)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸側(cè)都安裝有標(biāo)線(xiàn)尺或刻度盤(pán)作為位置標(biāo)識(shí)。機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 位移平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)位移平臺(tái)是一個(gè)獨(dú)立的裝置，工作時(shí)可將平臺(tái)底座整體移動(dòng)，直接放置在水槽上方即可。Z軸下端法蘭盤(pán)搭載被測(cè)試結(jié)構(gòu)件。X方向、Y方向和Z方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)均采用鋁合金框架的直線(xiàn)單元結(jié)構(gòu)，絲杠與導(dǎo)軌等部件均封閉在框架之內(nèi)，鋁型材表面陽(yáng)極化防銹，整體外形美觀、大方。

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，位移平臺(tái)的升降回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)緊湊和升降自鎖等要求，是應(yīng)重點(diǎn)考慮的部位。本文選用自行制作蝸輪蝸桿方案(也可采購(gòu)整體絲杠升降機(jī))，用以實(shí)現(xiàn)自鎖功能。升降回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在大齒輪齒盤(pán)上，升降桿為研磨級(jí)不銹鋼空心厚壁光軸，用精密不銹鋼直線(xiàn)軸承作升降導(dǎo)向，如圖3所示。升降桿于一側(cè)表面刻制齒條，通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)。齒條背面開(kāi)方槽，可用來(lái)導(dǎo)向，并安裝升降標(biāo)尺和限位開(kāi)關(guān)。

a)結(jié)構(gòu)圖 b)結(jié)構(gòu)剖視圖圖3 升降回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2 位移平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制基本工作原理

位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)基本工作原理如下：PLC根據(jù)操作人員的指令和相應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)的位移值，計(jì)算出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)量和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，發(fā)出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)相應(yīng)的部件進(jìn)行直線(xiàn)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，PLC根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)時(shí)位移測(cè)量結(jié)果判斷位移是否完成。整個(gè)位移過(guò)程是通過(guò)閉環(huán)控制完成的，當(dāng)實(shí)際位移量與期望位移量的誤差小于系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程停止。

PC機(jī)控制端可根據(jù)要求編寫(xiě)控制軟件。PC機(jī)與控制儀通過(guò)串行接口(可以選擇RS232或RS485)進(jìn)行通信，控制儀接收PC機(jī)的通信命令，根據(jù)PC機(jī)的命令控制各軸的運(yùn)動(dòng)，將各軸的坐標(biāo)值以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)送給PC機(jī)，并實(shí)時(shí)顯示。電氣器件及控制示意圖如圖4所示。

2.1 機(jī)電系統(tǒng)工作原理

該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)均由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。采用在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)尾部安裝編碼器的方案。其中，Z向和θ向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出端接蝸輪蝸桿減速機(jī)，以提高驅(qū)動(dòng)分辨力；同時(shí)具有鎖定功能，以確保每一個(gè)位移機(jī)構(gòu)在掉電時(shí)能自鎖。

Y方向和Z方向的直線(xiàn)位移是通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)，Z方向升降直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)減速機(jī)帶動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)減速機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，在運(yùn)動(dòng)的上、下限處設(shè)置限位保護(hù)。限位保護(hù)可發(fā)出限位控制信號(hào)，該信號(hào)禁止在該方向上的運(yùn)動(dòng)；但仍可進(jìn)行反方向的運(yùn)動(dòng)，以便脫離限位保護(hù)狀態(tài)。

2.2 測(cè)量系統(tǒng)工作原理

直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)部分的測(cè)量系統(tǒng)是將編碼器固定在絲杠一端，當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，編碼器根據(jù)旋轉(zhuǎn)量的大小和方向輸出相應(yīng)的正交脈沖信號(hào)，通過(guò)絲杠旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)和脈沖個(gè)數(shù)可以計(jì)算出相對(duì)位移量。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分的測(cè)量系統(tǒng)是將旋轉(zhuǎn)編碼器固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)，編碼器讀數(shù)頭根據(jù)旋轉(zhuǎn)位移量的大小和方向輸出相應(yīng)的正交脈沖信號(hào)。

接口電路將讀數(shù)頭輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)，細(xì)分電路根據(jù)正交脈沖信號(hào)的相位判斷讀數(shù)頭運(yùn)動(dòng)方向，并產(chǎn)生細(xì)分脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，PLC計(jì)數(shù)器模塊根據(jù)脈沖信號(hào)和方向信號(hào)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而獲得到當(dāng)前位移量。

測(cè)量系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)編碼器，安裝在各個(gè)自由度的最后一級(jí)，以確保測(cè)量及校準(zhǔn)精度。測(cè)量精度要求見(jiàn)表4。

表4 測(cè)量精度要求

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 Y向參數(shù)計(jì)算

3.1.1Y方向速度計(jì)算

絲杠直徑為20 mm，導(dǎo)程為5 mm，Y向移動(dòng)速度要求為1 000 mm/min。需要電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000/4=250 r/min，所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約為600 r/min，滿(mǎn)足要求。

3.1.2Y方向轉(zhuǎn)矩計(jì)算

梯形絲杠的效率為：

(1)

式中，d為絲杠螺紋升角；μ為滑動(dòng)摩擦因數(shù)，鋼與黃銅的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.21。

所需轉(zhuǎn)矩為：

(2)

式中，F(xiàn)a為負(fù)載36 kg情況下所需克服的摩擦力，F(xiàn)a=μ2N=0.05×36×10=18 (N)；s為安全系數(shù)，此處取2；R為絲杠半徑。

選用57BYGH系列混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)矩最大為1.5 N·m，滿(mǎn)足要求。

3.1.3Y方向定位精度要求

Y方向定位精度要求為±1 mm，編碼器選用標(biāo)準(zhǔn)2000P/R產(chǎn)品，能達(dá)到的分辨率為5/2 000=0.002 5 mm，因此遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足要求。

3.2 Z向參數(shù)計(jì)算

3.2.1Z方向速度計(jì)算

Z向移動(dòng)采用齒輪齒條。齒合方式，Z向移動(dòng)速度要求為1 000 mm/min。所選蝸輪蝸桿減速機(jī)減速比10∶1，所需電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約為100 r/min，所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約為600 r/min，滿(mǎn)足要求。

3.2.2Z方向轉(zhuǎn)矩計(jì)算

(3)

式中，η為蝸輪蝸桿減速機(jī)的效率，η取0.6；Fb為負(fù)載與絲杠自重在減速機(jī)傳動(dòng)情況下需克服的磨擦力。

選用57BYGH系列混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)矩最大為1.5 N·m，滿(mǎn)足要求。

3.2.3Z方向定位精度要求

Z方向定位精度要求為±1 mm，編碼器選用標(biāo)準(zhǔn)2000P/R產(chǎn)品，能達(dá)到的分辨率為20/(2 000×10)=0.001 mm，滿(mǎn)足要求。

3.3 回轉(zhuǎn)軸θ方向參數(shù)計(jì)算

3.3.1θ方向速度計(jì)算

齒輪減速比為5∶1，θ方向轉(zhuǎn)動(dòng)要求1 r/min。所選蝸輪蝸桿減速機(jī)減速比為20∶1，需要電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為20×5=100 (r/min)，所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約為600 r/min，基本滿(mǎn)足要求。

3.3.2θ方向轉(zhuǎn)矩計(jì)算

(4)

式中，η為蝸輪蝸桿減速機(jī)的效率，η取0.6；Fc為負(fù)載以及絲杠和減速機(jī)自重在減速機(jī)傳動(dòng)情況下需克服的磨擦力。

選用57BYGH系列混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)矩最大為1.5 N·m，滿(mǎn)足要求。

3.3.3θ方向定位精度要求

θ方向定位精度要求為±0.1°，編碼器選用標(biāo)準(zhǔn)2000P/R產(chǎn)品，安裝在蝸輪蝸桿減速機(jī)輸出軸上，能達(dá)到的分辨率為：360°/(5×2 000)=0.036°，滿(mǎn)足要求。

4 不確定度的分配及評(píng)估

4.1 Z方向位移精度計(jì)算

選擇傳動(dòng)鏈級(jí)數(shù)多的Z方向傳動(dòng)進(jìn)行位移精度計(jì)算。選用57BYGH系列混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)搭配PN型減速機(jī)，減速比為10∶1，輸出轉(zhuǎn)矩為1.5 N·m(輸入電壓?jiǎn)蜗?10 V)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)編碼器最大細(xì)分?jǐn)?shù)為2000P/R，分辨率為0.05°/脈沖，則：

PN型減速機(jī)齒隙為0.034°，角度傳動(dòng)誤差為0.1°。

PN型減速機(jī)對(duì)于Z方向直線(xiàn)位移產(chǎn)生的定位誤差為：

Z方向減速機(jī)定位精度=

梯形絲杠長(zhǎng)600 mm，絲杠精度為±0.15/300 mm，絲杠累積精度=(600×0.15)/300=±0.3 mm，安裝精度按±0.2 mm計(jì)算，因此，Z方向位移總精度=電動(dòng)機(jī)控制精度+減速機(jī)定位精度+絲杠精度+裝配精度=0.000 25+0.001 86+0.3+0.2≈0.502 mm，滿(mǎn)足Z方向位移定位精度(±1 mm)的要求。

4.2 旋轉(zhuǎn)定位精度

旋轉(zhuǎn)定位精度要求為±0.1°。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由安裝在升降機(jī)構(gòu)上的電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，測(cè)量分辨率能達(dá)到0.01°。進(jìn)一步的精確定位由彈性萬(wàn)向滾珠的安裝精度(±0.1 mm)、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)凹槽的加工精度(±0.05°)與裝配精度(±0.1 mm)等來(lái)保證。

5 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了一種高頻水聲聲壓校準(zhǔn)時(shí)搭載測(cè)試設(shè)備的位移平臺(tái)的設(shè)計(jì)，該裝置主要由1套位移平臺(tái)和1臺(tái)控制儀組成，位移平臺(tái)根據(jù)實(shí)際需要可增加Y向滑臺(tái)數(shù)量。位移平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)沿長(zhǎng)軸方向的2根導(dǎo)軌靈活移動(dòng)，采用編碼器進(jìn)行直線(xiàn)位移測(cè)量和旋轉(zhuǎn)位移測(cè)量，并通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)對(duì)各運(yùn)動(dòng)部件的位移進(jìn)行控制；同時(shí)，對(duì)其機(jī)電系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)的工作原理做了相應(yīng)的介紹，最終通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

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