邵益龍 田鋒 王國忠 張繼剛
杭州恒宏機械有限公司 浙江杭州 311212
目前,調(diào)平系統(tǒng)主要有三種形式:液壓調(diào)平、機電調(diào)平及手動調(diào)平。液壓調(diào)平形式大量應(yīng)用在工程車輛上[1],包括起重機械和建筑機械等設(shè)備上,但對于調(diào)平要求較高的車輛或平臺,往往采用液壓伺服系統(tǒng)進行控制,它的缺點是液壓系統(tǒng)要一直處于工作狀態(tài),即使采用液壓鎖也不能保證平臺較長時間處于高精度位置參數(shù)要求的穩(wěn)定狀態(tài)。
而普通的機械電控形式通常裝置于調(diào)平平臺上,以四點調(diào)平的形式進行調(diào)平。調(diào)平系統(tǒng)工作時由水平傳感器傳遞角度信號給控制系統(tǒng)[2],控制系統(tǒng)通過控制電機、傳遞系統(tǒng)實現(xiàn)對平臺的精確調(diào)平,并通過電機制動器的制動,對調(diào)平后的支撐系統(tǒng)進行長時間的鎖定[3]。機械電控的形式可以達到長時間的鎖定調(diào)平,但是也存在調(diào)平時間較長,調(diào)平步驟較繁瑣的問題。
手動電控形式是目前有些單位為節(jié)約成本后實行的一種新型調(diào)平形式。缺點是調(diào)平時間過長,優(yōu)點是成本較低。
本項目研制的自動調(diào)平系統(tǒng),可以更加高效地完成調(diào)平,可適用于特種車輛以及其他有調(diào)平需求的車輛及場合。其調(diào)平精度高、速度快、操作使用簡便,能夠極大地縮短調(diào)平時間,并且使其裝載大噸位化,達到單腿最大支撐30 t。可擴展使用范圍,適用于有調(diào)平需求的雷達、通訊、檢測等特種車輛,使車輛在特殊情況下利用電動調(diào)平支腿實現(xiàn)自動或手動調(diào)平,從而具有平穩(wěn)、防盜和防車輛輪胎老化等功能,該系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景和較高的使用價值。
本項目以多點智能自動調(diào)平系統(tǒng)為研究對象,通過設(shè)計過程控制系統(tǒng)、頂升機構(gòu)、機械系統(tǒng)和信號傳輸系統(tǒng),保證系統(tǒng)在正常工作時穩(wěn)定、可靠,最終推廣并實現(xiàn)大批量生產(chǎn)、應(yīng)用。
系統(tǒng)由四個主要部分組成,如圖1所示。調(diào)平支腿系統(tǒng)主要由電動機械支腿及調(diào)平系統(tǒng)組成;下位機控制系統(tǒng)主要由單片機系統(tǒng)構(gòu)成;液晶屏服務(wù)系統(tǒng)主要由嵌入式系統(tǒng)和觸摸式液晶屏組成;遙控器無線系統(tǒng)主要由無線收發(fā)模塊和指令系統(tǒng)組成。
圖1 控制線路示意圖
設(shè)計一種以電機做動力裝置的支腿機構(gòu),實現(xiàn)寬范圍的調(diào)速功能和大噸位的舉升。機械傳動由四部份組成,如圖2所示。
圖2 調(diào)平系統(tǒng)總體示意圖
a. 動力系統(tǒng)。動力系統(tǒng)由DC24V無刷電機承擔(dān),主要負責(zé)系統(tǒng)動力的供給,系統(tǒng)采用DC24V的直流無刷電機,能夠提高整套系統(tǒng)的工作精度,使之能夠滿足工業(yè)以及軍工要求。
b. 減速系統(tǒng)。通過行星減速機對電機直接減速,再通過齒輪箱減速,使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降低,同時增大輸出扭矩。減速系統(tǒng)的主要任務(wù)是把電機輸出的較高轉(zhuǎn)速降低至適宜于系統(tǒng)運動要求的低轉(zhuǎn)速,同時逐級傳遞并放大系統(tǒng)的扭矩,使各項參數(shù)符合系統(tǒng)設(shè)計要求的數(shù)值,以保證系統(tǒng)處于正常、平穩(wěn)的工作狀態(tài)。
c. 頂升系統(tǒng)。由減速系統(tǒng)輸出軸帶動絲桿副運動,絲桿副使系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動,達到頂升需要的運動形式;頂升系統(tǒng)的主要工作是把動力系統(tǒng)經(jīng)過減速系統(tǒng)后的低轉(zhuǎn)速、大扭矩的工況轉(zhuǎn)化成上下的舉升運動,以達到系統(tǒng)要求的運動工況;考慮到系統(tǒng)使用的是有限的車載電源,因此在這里不采用傳統(tǒng)的磨擦傳動副,而使用高效率的滾動傳動副——滾珠絲桿副,以提高效率,降低有限的車載電源消耗。
d. 信號傳輸系統(tǒng)。根據(jù)電子控制的需要,在一些特定的位置設(shè)置電信號傳送裝置,以告知控制系統(tǒng)支腿的運動狀況。為配合電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)要求的控制功能,在支腿運動到極端位置時,設(shè)置了位置信號,位置信號由微動開關(guān)或接近開關(guān)擔(dān)任,為配合電氣控制系統(tǒng)正確判斷支腿的工作狀態(tài)及工作進程,防止系統(tǒng)的誤動作。
設(shè)計一種具有友好人機交互界面和高速高精度特點的控制系統(tǒng),可完成實時快速采樣目標平臺的水平值及支腿狀態(tài)數(shù)據(jù)值。進行軟件程序設(shè)計,通過控制系統(tǒng)控制支腿狀態(tài),實現(xiàn)對目標平臺快速高精度調(diào)平,采用無線發(fā)射技術(shù)方便操作??刂葡到y(tǒng)框圖如圖3所示。
圖3 控制系統(tǒng)框圖
控制系統(tǒng)分為三部分:嵌入式控制系統(tǒng)部分、液晶屏控制部分和遙控器控制部分,如圖4所示。嵌入式控制系統(tǒng)部分主要負責(zé)支腿電壓電流信息的采集、支腿位置狀態(tài)的采集和支腿接觸器的繼電器控制,由Atmega64單片機負責(zé)嵌入式控制系統(tǒng)的運行;液晶屏控制部分提供四個支腿狀態(tài)信息的顯示和四個支腿的動作控制,以Atmel ARM9為處理核心,提供自動控制和手動控制兩種方式;遠程通訊系統(tǒng)提供手動控制支腿上行、支腿下行、停止等功能。嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計方案如下。
圖4 控制系統(tǒng)設(shè)計圖
2.3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
嵌入式控制系統(tǒng)部分(圖5)主要負責(zé)四個支腿電壓電流信息的采集、支腿位置狀態(tài)的采集和支腿接觸器的繼電器控制,由Atmega64單片機總體負責(zé)嵌入式控制系統(tǒng)的運行。
2.3.2 軟件控制程序的設(shè)計
人機控制程序的設(shè)計顯示內(nèi)容如圖6所示。
a. 當(dāng)前水平度——角度值;
b.各電機工作電流——4個電機;
c.各電機升降運動狀態(tài)——升、降、停止、轉(zhuǎn)腳四種;
d.限位信息——上下限位,只需要提示,針對4個電機;
e.當(dāng)前電壓值——總電壓值;
f.電機觸地狀態(tài)——觸地、未觸地,兩種狀態(tài);
g.系統(tǒng)故障點顯示——嵌入式控制系統(tǒng)提供;
h.報警顯示:欠壓、過流、水平度失衡、上下限位、腳傾斜;
i.調(diào)平模式:手動、自動兩種可以任意選擇。
手動調(diào)平操作:只在手動調(diào)平時生效。為了顯示方便,可用另一個窗體來顯示手動調(diào)平模式。
預(yù)警信息:欠壓、過流、水平度失衡、上下限位、腳傾斜,同時輸出指令讓MCU板控制報警接口,協(xié)議自定。
圖6 主工作界面
3.1.1 快速收放調(diào)速機制
3.1.1.1 電機變速
使用無刷電機可調(diào)轉(zhuǎn)速的特點,將額定轉(zhuǎn)速為1800 rad/min的電機在空行程階段加速到3000 rad/min,使支腿收放速度達到10 mm/s,如果250 mm的空行程只需要25 s就可以完成。并且在接近支撐工作時可降低轉(zhuǎn)速,進入高精度的調(diào)平階段,由此大大提高工作效率。
3.1.1.2 增設(shè)自動換擋機構(gòu)
通過在電機出軸端增設(shè)無級變速器,可保證支腿下放及頂升過程中,輸出動力不間斷,同時可彌補電機調(diào)速的局限性。
3.1.2 具有通信功能智能化控制系統(tǒng)
兩個角度傳感器SCA103T負責(zé)對X、Y兩維方向的檢測,實現(xiàn)了對系統(tǒng)當(dāng)前傾角狀態(tài)的檢測,兩路ADC實現(xiàn)對支腿電壓和電流的檢測,Atmega64單片機采集4路支腿的位置狀態(tài)信息,并有4路繼電器輸出控制支腿動作。嵌入式控制系統(tǒng)通過RS485接口與液晶屏進行通信,利用MAX485芯片實現(xiàn)RS485通信,傳輸距離可達100 m。
3.1.2.1 數(shù)據(jù)實時采樣
支腿狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時采樣和目標平臺水平度數(shù)據(jù)采樣的實時性與準確性是調(diào)平系統(tǒng)實現(xiàn)調(diào)平目的的重要數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。
a. 目標平臺水平度監(jiān)控采樣高精度傾角傳感器作為檢測單元,傾角傳感器數(shù)據(jù)輸出速率達到了200 次/s,有效保證目標平臺水平度的實時檢測;
b. 設(shè)計電流、扭力檢測部件,限位及高速脈沖接收端口,實時檢測支腿當(dāng)前的狀態(tài),控制系統(tǒng)分析支腿狀態(tài),指令支腿的動作。
3.1.2.2 智能化程序算法
通過試驗建立數(shù)學(xué)模型:
調(diào)平試驗平臺在非水平狀態(tài)下的靜力學(xué)模型,也就是在調(diào)平過程沒有結(jié)束,在調(diào)平過程中對試驗平臺進行靜力學(xué)分析。試驗平臺在人為調(diào)整水平時,對平臺建立數(shù)學(xué)模型,研究各個支腿的受力情況。首先在進行建模計算時,支腿處于理想情況下,只承受豎直方向的力。
3.1.3 可靠性
因為特種車輛的使用環(huán)境有時非常惡劣,有時會在溫度非常低的北方或者戈壁灘上,因此對整套調(diào)平系統(tǒng)的耐低溫要求非常高。對此情況,筆者對整套調(diào)平系統(tǒng)進行了耐低溫設(shè)計,包括使用耐低溫的電子元器件,耐低溫的觸摸屏,-40℃的耐低溫油脂,軍工級的-40℃~+70℃低溫電機和控制器。
由于本控制系統(tǒng)中,控制元件為低溫?zé)o刷直流電機,電機轉(zhuǎn)角和滾珠絲桿的輸出位移一一對應(yīng),故采用位置型PID控制器,通過角度傳感器,輸出目標為滾珠絲桿的輸出位移。
3.2.1 一鍵調(diào)平的嵌入式智能化控制
實時采樣目標平臺的水平狀態(tài),各個支腿舉升時的負載質(zhì)量、電流、支腿的當(dāng)前狀態(tài),反饋給調(diào)平控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)通過調(diào)平數(shù)學(xué)模型計算,自動判別支腿的高低,將動作指令分配給相應(yīng)的支腿,形成完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)從自動放腿到支腿著地支撐,再到系統(tǒng)調(diào)平完畢,并自動排除虛腿,可實現(xiàn)系統(tǒng)全自動完成所有動作,并實時判別工作狀態(tài)是否異常等。
自動調(diào)平裝置控制器為自動調(diào)平裝置的控制核心,主要由嵌入式控制器、I/O接口模塊組、顯示屏、繼電器、電流測樣傳感器、蜂鳴器、電源轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)、旋鈕、連接電纜和接插件等附件組成。
3.2.2 負載自適應(yīng)性快速調(diào)節(jié)功能
根據(jù)調(diào)平系統(tǒng)的使用特點,支腿在放腿過程中,部分行程為空載運行,為了縮短調(diào)平的時間,支腿機構(gòu)設(shè)計時選用寬范圍調(diào)速的伺服電機,配合變速機構(gòu),在控制系統(tǒng)檢測到支腿為空載運行時,大范圍地提高運行速度,當(dāng)支腿承受載荷時,控制系統(tǒng)適時增加電機輸出扭矩,調(diào)整電機速度,使系統(tǒng)具有大扭力舉升的能力。
3.2.3 負載阻尼動態(tài)調(diào)整技術(shù)
當(dāng)支腿收回時受到負載向下的壓力,為了保證設(shè)備的安全,防止目標平臺下降時失控,采用自主研發(fā)的滾珠絲桿負載阻尼裝置,應(yīng)用脈沖寬度調(diào)節(jié)制式,當(dāng)外部負載發(fā)生變化時,采樣電阻上的電壓隨之發(fā)生變化,將其反饋至嵌入式控制系統(tǒng)上進行處理,從而調(diào)節(jié)輸出電流,保證調(diào)平支撐腿勻速下降。
3.3.1 基本功能
a. 自動放列:水平檢測與調(diào)平執(zhí)行子系統(tǒng)應(yīng)能接收來自控制器或者操作人員指令,自動下降電動調(diào)平支腿,直到各電動調(diào)平支腿全部著地并保證一定的著地壓力,向控制器返回放列完畢的信號;
b. 自動調(diào)平:在自動放置電動調(diào)平支腿之后,控制器應(yīng)能根據(jù)水平傳感器測量車輛傾斜的角度,控制電動調(diào)平支腿的升降使得傾斜角度滿足調(diào)平精度要求,水平檢測與調(diào)平執(zhí)行子系統(tǒng)應(yīng)能給控制器返回調(diào)平結(jié)束信號;
c. 自動撤收:水平檢測與調(diào)平執(zhí)行子系統(tǒng)在接收到撤收指令后,應(yīng)能自動完成解鎖,收回電動調(diào)平支腿,待完全到位后,給控制器返回撤收完畢信號;
d. 手動放列和撤收:在自動控制器出現(xiàn)故障或特殊情況下,系統(tǒng)應(yīng)能通過人工按鈕操作完成上述動作。
3.3.2 主要技術(shù)指標
a. 控制方式:支持手動、自動兩種方式;
b. 電壓:DC24 V或AC220 V;
c. 系統(tǒng)負載≤60 t;
d. 控制系統(tǒng)調(diào)平精度:傾斜角誤差±0.01°;
e. 系統(tǒng)頂平時間≤5 min;展開時間≤5 min;
f. 調(diào)平時間≤30 s;
g. 坡度要求≤3°。
多點智能自動調(diào)平系統(tǒng)采用了電動調(diào)平支腿、嵌入式系統(tǒng)、WINCE、線通信等高新技術(shù),實現(xiàn)對特種車輛的自動或手動水平調(diào)節(jié)。通過模擬系統(tǒng)完整工作流程的方式在實驗室中進行系統(tǒng)樣機的聯(lián)調(diào)測試與功能試驗,主要包括RS485通信測試、無線遙控距離測試、無線通信誤碼率等系統(tǒng)聯(lián)調(diào)工作,整體系統(tǒng)疲勞測試、可靠性測試,在實驗室環(huán)境中驗證系統(tǒng)總體功能和性能指標均達到行業(yè)標準要求。同時系統(tǒng)樣機的完整功能在實驗室功能測試的基礎(chǔ)通過了更嚴格的廠房現(xiàn)場測試。因此,產(chǎn)品具有廣闊的應(yīng)用前景和較高的附加值。
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