何 軍 平 昊 周愿愿 武麗麗 姜 恒 陳 浩 吳遠(yuǎn)峰

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航天某產(chǎn)品仰角校準(zhǔn)裝置及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何 軍 平 昊 周愿愿 武麗麗 姜 恒 陳 浩 吳遠(yuǎn)峰

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

為給航天產(chǎn)品在校準(zhǔn)過程中提供一定的仰角，設(shè)計(jì)一套仰角校準(zhǔn)裝置。該裝置由PLC、觸摸屏以及防爆伺服電機(jī)組成。通過觸摸屏實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)信息，PLC控制伺服驅(qū)動(dòng)器，在高精確傳感器的控制下，完成仰角的精確控制。結(jié)果表明：該裝置精度高、可靠性好、工作效率高，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的目的。

校準(zhǔn)裝置；仰角；高精度

1 引言

校準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)對(duì)航天產(chǎn)品相關(guān)精度進(jìn)行校調(diào)和補(bǔ)償?shù)氖侄蝃1]。在校準(zhǔn)測(cè)試過程中，需要外部裝置為產(chǎn)品提供一定的仰角，來保證測(cè)試的準(zhǔn)確性。為了滿足產(chǎn)品批量生產(chǎn)的需求，需設(shè)計(jì)一套校準(zhǔn)裝置。該設(shè)備主要校準(zhǔn)臺(tái)面、目標(biāo)源、地面氣源等輔助設(shè)備，其中校準(zhǔn)臺(tái)面主要為產(chǎn)品提供支撐、調(diào)校的平臺(tái)；目標(biāo)源是產(chǎn)品校準(zhǔn)時(shí)瞄準(zhǔn)、指示的目標(biāo)源。

2 校準(zhǔn)裝置總體設(shè)計(jì)

仰角校準(zhǔn)裝置主要由底座、防爆交流伺服電機(jī)模塊、電氣控制系統(tǒng)、產(chǎn)品支撐、目標(biāo)裝置組成。在底座下方安裝防爆伺服電機(jī)，通過減速結(jié)構(gòu)帶動(dòng)絲杠和連桿組合運(yùn)動(dòng)，使活動(dòng)支架呈水平狀態(tài)或呈現(xiàn)15°仰角狀態(tài)。航天產(chǎn)品通過操作盒控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，使裝置尾端按照設(shè)定的速度平穩(wěn)下降，直至支架與底部限位條接觸并保持位置，此時(shí)裝置平面與水平呈15°仰角，在該狀態(tài)下完成航天的校準(zhǔn)試驗(yàn)。裝載位（水平裝載狀態(tài)）和工作位（裝置平面與水平呈15°仰角狀態(tài)）是該裝置的兩種主要的狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)裝置的兩種狀態(tài)

3 校準(zhǔn)裝置部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)裝置的機(jī)械部分主要包括底座、機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、產(chǎn)品支撐結(jié)構(gòu)、目標(biāo)系統(tǒng)四個(gè)部分。

3.1 底座設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)裝置底座用于安裝電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。整個(gè)底座主要由基座、軸承座組件、運(yùn)動(dòng)支架、限位條等組成，如圖2所示。其中基座采用型鋼焊接結(jié)構(gòu)，具有較高的受壓能力和吸引地面振動(dòng)的能力?；挠覀?cè)底面安裝限位塊用以保證工作時(shí)的角度。內(nèi)側(cè)兩平面用于運(yùn)動(dòng)支架的左右限位。運(yùn)動(dòng)支架通過絲杠機(jī)構(gòu)帶動(dòng)升降，并在工作位和裝載位置安裝有定位傳感器確保運(yùn)動(dòng)支架的上下運(yùn)動(dòng)。

圖2 校準(zhǔn)裝置底座示意圖

3.2 機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

絲杠組件、連桿和滑軌是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，三者連成一體，通過PLC程序控制，在電機(jī)的帶動(dòng)下確保運(yùn)動(dòng)支架在-15°～0°之間的轉(zhuǎn)動(dòng)。

絲杠組件采用絲杠、滑軌組合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將力分散分布在絲杠和導(dǎo)軌上，避免絲杠應(yīng)受力過大而發(fā)生變形。

3.3 產(chǎn)品支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本校準(zhǔn)裝置支撐機(jī)構(gòu)用于航天產(chǎn)品的支持定位，設(shè)計(jì)采用導(dǎo)向板、托板、潤滑板等。

圖3 航天產(chǎn)品支撐結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 目標(biāo)裝置設(shè)計(jì)

目標(biāo)裝置共有11目標(biāo)源，為了滿足光源平面垂直于產(chǎn)品軸線的要求，目標(biāo)裝置的設(shè)計(jì)采用了角度塊加十字微調(diào)滑臺(tái)的形式，如圖4所示，其中十字微調(diào)滑臺(tái)是為了方便在測(cè)量調(diào)校過程中對(duì)光源的精確微調(diào)。

圖4 目標(biāo)裝置結(jié)構(gòu)

4 校準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)裝置的控制是以歐姆龍PLC（型號(hào)為CP1H-XA40 DT-D）作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心[2]，以步科觸摸屏（型號(hào)為MT4300CE）作為系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。整個(gè)系統(tǒng)的硬件包括美國Parker公司Ex系列防爆交流伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、防爆組件、制動(dòng)電阻、高精密限位接觸開關(guān)和光電開關(guān)、空氣開關(guān)、手持式控制盒、直流線圈接觸器、保險(xiǎn)絲。

其中高精密限位接觸開關(guān)安裝在底部的限位條上，用于保證工作角度處于-15°，光電開關(guān)安裝在水平位置用于保證轉(zhuǎn)動(dòng)支架處于水平位置，便于產(chǎn)品的裝卸。控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

圖5 電氣總體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的電路主要給伺服驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)電源供電和完成傳感器信號(hào)的傳遞，由光電傳感器、空氣開關(guān)、熔斷器、接觸器、繼電器、空氣開關(guān)等組成，電路示意圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)電路

4.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)校準(zhǔn)裝置的控制系統(tǒng)軟件包括：PLC、觸摸屏程序以及伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制參數(shù)設(shè)置。PLC程序完成對(duì)整個(gè)校準(zhǔn)工藝的控制，觸摸屏界面作為人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示工藝參數(shù)，伺服電機(jī)的控制參數(shù)（如加減速時(shí)間、制動(dòng)電阻參數(shù)等）會(huì)根據(jù)負(fù)載的特性提前在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器里設(shè)置好[3]。

4.3.1 PLC和觸摸屏程序設(shè)計(jì)

圖7 PLC控制流程圖

a. PLC程序設(shè)計(jì)

仰角裝置自始至終工作在兩種狀態(tài)：工作位和裝載位。若裝置既不在工作位也不在裝載位，則手動(dòng)控制電機(jī)回原位。系統(tǒng)的PLC控制流程圖如圖7所示。

b. 觸摸屏程序設(shè)計(jì)

觸摸屏界面作為人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示工藝參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)顯示、傳感器狀態(tài)顯示、權(quán)限管理、用戶登入、電機(jī)點(diǎn)動(dòng)操作等功能，觸摸屏界面包括試驗(yàn)操作界面、參數(shù)設(shè)置界面、狀態(tài)監(jiān)控界面等[4]。

4.3.2 PLC接口定義

如表1，接口定義表示PLC的I/O分配，伺服驅(qū)動(dòng)器控制口和觸摸屏界面開關(guān)按鈕地址分別與PLC的內(nèi)部寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接。

表1 PLC輸入輸出信號(hào)地址分配表

5 結(jié)果分析

5.1 校準(zhǔn)裝置與目標(biāo)之間幾何空間位置檢測(cè)

用4臺(tái)經(jīng)緯儀組成空間測(cè)量系統(tǒng)，逐條對(duì)相關(guān)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。理論要求產(chǎn)品光軸姿態(tài)同軸度不大于4′，折算為相對(duì)物理偏差為：15000×tan(4/60)=17.45 mm；其它角度的允許偏離公差為在0.05°內(nèi)，折算物理偏差為：15000×tan0.05°=13.08 mm。

由于產(chǎn)品光軸無法直接測(cè)量，通過換算到前龍門架后端面后就可得到，15000+(497.3-341-15)-74=15067.3mm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，校準(zhǔn)裝置與靶標(biāo)之間相互幾何空間位置檢測(cè)指標(biāo)要求見表2。

表2 校準(zhǔn)裝置與靶標(biāo)之間相互幾何空間位置測(cè)量值

5.2 校準(zhǔn)裝置重復(fù)性試驗(yàn)

利用不同產(chǎn)品對(duì)校準(zhǔn)裝置進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，當(dāng)產(chǎn)品由裝載位到工作位，伺服電機(jī)需運(yùn)行3min，然后通過采集軟件對(duì)產(chǎn)品關(guān)鍵部位和目標(biāo)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)比采集數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)驗(yàn)證設(shè)備的重復(fù)定位精度是否滿足要求；采集完成后產(chǎn)品由工作位到裝載位，同樣電機(jī)需運(yùn)行3min，整個(gè)試驗(yàn)完成僅需20min左右。

從表2可以看出，校準(zhǔn)裝置與目標(biāo)之間的空間位置滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，同時(shí)由測(cè)量軟件得出的采集數(shù)據(jù)也符合產(chǎn)品的校準(zhǔn)要求。

6 結(jié)束語

a. 由于產(chǎn)品的特殊性，整個(gè)校準(zhǔn)裝置采用防爆控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充分考慮到產(chǎn)品的安全性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，人機(jī)交互操作方便，狀態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示。

b. 該裝置能夠?yàn)楹教飚a(chǎn)品提供精確的仰角，重復(fù)性定位能夠滿足相關(guān)指標(biāo)的要求，為航天產(chǎn)品的批量生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。

1 薛長利，張名毅，丁勤，等. 測(cè)量不確定度在國內(nèi)航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 航天器環(huán)境工程，2013，12(6)：652～656

2 許樹業(yè)，沈林勇. 基于HostLink(FINS)協(xié)議的計(jì)算機(jī)與CP1H串行通信實(shí)現(xiàn)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2016，29(2)：13～14

3 婁宇翔. 基于PLC與伺服系統(tǒng)控制的電子凸輪應(yīng)用研究[D]. 大連理工大學(xué)，2014，(12)：33～42

4 孫立杰，馮清秀，湯漾平. 基于PLC的數(shù)控齒條磨齒機(jī)控制系統(tǒng)[J]. 機(jī)電工程，2010，10(27)：75～76

Design of Elevation Calibration Device for Spaceflight Product and Control System

He Jun Ping Hao Zhou Yuanyuan Wu Lili Jiang Heng Chen Hao Wu Yuanfeng

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

In order to provide a certain angle of elevation for spaceflight products calibration, the device of elevation calibration is designed. This set is composed of PLC, SCADA and explosion-proof servo motor. With the help of touch screen monitoring real-time status and PLC controlling servo driver, the set can accomplish accurate control over the angle under the control of high-accuracy sensor. It turns out that the set has met the expectation with high accuracy, good reliability and high efficiency.

calibration device；elevation；high precision

何軍（1987-），碩士，控制工程專業(yè)；研究方向：數(shù)控機(jī)床電氣控制及非標(biāo)設(shè)備集成。

2017-04-10