賀賓，岳銀鵬，韋隆，賀艷娜，王亞飛

(鄭州機(jī)械研究所，河南 鄭州 450052)

0 引言

基于某所研制的大型戶外配套設(shè)備[1]，建立一個(gè)地面有軌運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的模擬系統(tǒng)，通過(guò)改變目標(biāo)尺寸規(guī)格、運(yùn)動(dòng)速度，在不同的模擬背景下可檢驗(yàn)探測(cè)器對(duì)不同目標(biāo)探測(cè)的精度。地面運(yùn)動(dòng)裝置最大承載迎風(fēng)面積1×1 m、重量100 kg的模擬目標(biāo)，以14 m/s速度運(yùn)動(dòng)在700 m長(zhǎng)環(huán)形軌道上高速運(yùn)行，速度誤差小于0.1 m/s，定位誤差小于±0.1 m。地面運(yùn)動(dòng)裝置為模擬目標(biāo)提供電加熱，以便探測(cè)器的檢測(cè)。無(wú)線程控系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程駕駛，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)裝置的加速、穩(wěn)速、變速、制動(dòng)停止等功能；能夠記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)裝置運(yùn)行信息及負(fù)載信息，并根據(jù)需要向控制中心傳輸有關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)要求速度高、精度高、控制復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能要求需解決以下難點(diǎn)問(wèn)題：①如何研制一套高速運(yùn)動(dòng)裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬目標(biāo)高速、高精度運(yùn)動(dòng)，并對(duì)模擬目標(biāo)提供電加熱；②如何研制一套水平度高的環(huán)形無(wú)縫軌道，為高速高精度運(yùn)動(dòng)提供運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)；③如何在高速、重載荷的條件下,實(shí)現(xiàn)對(duì)地面運(yùn)動(dòng)裝置高精度的無(wú)線程控。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)方案包括目標(biāo)運(yùn)動(dòng)裝置、環(huán)形無(wú)縫測(cè)試軌道、變軌裝置等。系統(tǒng)布局如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)布局圖

試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)變軌裝置將回控制室軌道和環(huán)形測(cè)試軌道對(duì)接，控制目標(biāo)運(yùn)動(dòng)裝置駛?cè)霚y(cè)試軌道，再通過(guò)變軌裝置將測(cè)試軌道封閉，測(cè)試軌道封閉后，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)裝置可通過(guò)遠(yuǎn)程控制來(lái)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、高速、變速、定位、制動(dòng)等試驗(yàn)。試驗(yàn)完畢，變軌裝置將環(huán)形軌道和回控制室軌道對(duì)接，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)裝置駛回控制室，試驗(yàn)完畢。

1.1 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)裝置

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)裝置為系統(tǒng)核心裝置，承載模擬目標(biāo)做高速高精度運(yùn)動(dòng)，并為模擬目標(biāo)提供電加熱。

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)裝置采用電動(dòng)機(jī)車(chē)形式[2]，電動(dòng)機(jī)車(chē)由蓄電池供電，動(dòng)力采用直流伺服，無(wú)極變速傳動(dòng)，兩輪驅(qū)動(dòng)，具有雙向行駛功能。主要包括：直流伺服電機(jī)、蓄電池電源系統(tǒng)、車(chē)架、聚氨酯行走輪組、制動(dòng)系統(tǒng)等。

為滿足運(yùn)動(dòng)裝置14 m/s高速高精度行駛，需選用大功率直流伺服電機(jī)。電機(jī)功率計(jì)算[3]為

(1)

式中：M為阻力距，包括風(fēng)阻距M風(fēng)、加速阻力距M加和滾動(dòng)阻力距M滾等，則

M=M風(fēng)+M加+M滾=C·q·A·R+m·a·R+N·μ·R

(2)

式中：風(fēng)阻系數(shù)C=1，單位面積風(fēng)壓[4]q=0.613v2，運(yùn)行速度v=14+4 m/s，考慮試驗(yàn)時(shí)逆風(fēng)行駛風(fēng)速4 m/s(3級(jí)風(fēng))。迎風(fēng)面積A=1.2 m2，運(yùn)動(dòng)裝置及模擬目標(biāo)總重m=600 kg，加速度a=0.07 m/s2，重力N=6000 N，阻力系數(shù)μ=0.1 cm，驅(qū)動(dòng)輪半徑R=128 mm。

驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n為

(3)

式中：運(yùn)動(dòng)裝置速度v=14 m/s，驅(qū)動(dòng)輪直徑D=256 mm。

綜上可得，阻力距M=41.88 Nm，轉(zhuǎn)速n=1044 r/min，電機(jī)功率P=4.6 kw。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，直流伺服電機(jī)選用科爾摩根AKM82T直流伺服電機(jī)，其特點(diǎn)是功率大、轉(zhuǎn)速高、易于維護(hù)，配合光電編碼器使用，可以達(dá)到準(zhǔn)確定位以及精確的速度控制。

直流伺服電機(jī)、模擬目標(biāo)加熱(48 V)及傳感器、制動(dòng)器等其它弱電信號(hào)(24 V)都需要蓄電池電源系統(tǒng)[5]來(lái)供電，并配置先進(jìn)的電池組管理系統(tǒng)。電源系統(tǒng)包括：電池組、電池組管理系統(tǒng)(BMS)、電池充電機(jī)及電池組報(bào)警與保護(hù)模塊。其原理如圖2所示。

圖2 蓄電池電源系統(tǒng)圖

蓄電池電源系統(tǒng)的工作原理為，對(duì)電池組充電或電池組對(duì)外提供輸出直流電時(shí)，電池管理系統(tǒng)(BMS)實(shí)時(shí)檢測(cè)電池組的單體電壓、總電流、溫度參數(shù)，并傳輸?shù)斤@示板顯示，用戶可實(shí)時(shí)查看電池組信息；繼電器開(kāi)關(guān)K及空氣開(kāi)關(guān)K1組成電池保護(hù)模塊，對(duì)電池進(jìn)行過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、過(guò)溫及短路保護(hù)；充電機(jī)可對(duì)電池組充電，其充電模式通過(guò)CAN總線由BMS進(jìn)行控制，做到自動(dòng)充電功能。

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)裝置行走輪用特制聚氨酯材料，可以緩解高速運(yùn)行過(guò)程中的沖擊及振動(dòng)；在輪軸一端安裝制動(dòng)系統(tǒng)，意外情況發(fā)生時(shí)可緊急制動(dòng)。運(yùn)動(dòng)裝置兩端設(shè)置軌道刮板，裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)可清除軌道上雜物。

1.2 環(huán)形無(wú)縫測(cè)試軌道

測(cè)試軌道為環(huán)形軌道，由兩段各約110 m的直線段和兩端半徑分別為80 m和70 m的弧組成。

軌道采用單軌，自身結(jié)構(gòu)由鋼軌部分和聚氯乙烯部分組成。中部為鋼軌，上部、下部為聚氯乙烯材料。

700 m長(zhǎng)的鋼軌分為若干個(gè)2.6 m長(zhǎng)的軌道單元，用螺栓連接在基礎(chǔ)的鋼制預(yù)埋板上，通過(guò)墊塊、墊板調(diào)平軌道。鋼軌表面先進(jìn)行噴砂除銹處理，然后進(jìn)行表面熱鍍鋅工藝處理，以避免軌道長(zhǎng)期處于野外露天環(huán)境下受戶外風(fēng)雨等因素的影響而受腐蝕。

鋼軌單元之間連接有接縫，運(yùn)動(dòng)裝置經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)有振動(dòng)噪音，影響壽命。本方案在鋼軌上安裝高強(qiáng)度高韌性聚氯乙稀軌道嵌條，聚氯乙稀軌道嵌條為線性制品，截面尺寸穩(wěn)定性高，可以一次性擠出無(wú)限長(zhǎng)，避免了由于鋼軌接縫產(chǎn)生的振動(dòng)，從而保證了運(yùn)動(dòng)裝置在行進(jìn)中的平穩(wěn)性，降低了噪聲，提高可靠性及使用壽命。

聚氯乙烯軌道嵌條具有強(qiáng)度高、耐磨性好、韌性好、緩沖減震效果好、重量輕、耐光、氧老化、耐水解、耐酸堿腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[6]。

聚氯乙烯軌道嵌條主要原料為聚氯乙烯樹(shù)脂，通過(guò)添加增韌劑、穩(wěn)定劑、抗氧劑、紫外線吸收劑、紫外線屏蔽劑等功能性助劑，經(jīng)高速混合擠出造粒成大小均勻、塑化均勻的圓柱形顆粒(半成品)，再通過(guò)雙螺桿擠塑機(jī)融熔塑化，經(jīng)擠出模具擠壓型坯，最終經(jīng)真空定徑冷卻成型。具體工藝流程如圖3所示。

圖3 聚氯乙烯制作工藝流程圖

1.3 變軌裝置

變軌裝置可實(shí)現(xiàn)通往控制室的軌道與環(huán)形測(cè)試軌道的連接。

運(yùn)動(dòng)裝置高速通過(guò)環(huán)形軌道時(shí)有很大離心力，為保證設(shè)備運(yùn)行可靠，運(yùn)動(dòng)裝置在左右上下都設(shè)置了保護(hù)輪組，這就導(dǎo)致無(wú)法像鐵路軌道一樣變軌。

本方案將環(huán)形測(cè)試軌道的一個(gè)軌道單元采用彈簧鋼，一端固定，另一端連接電動(dòng)推桿。當(dāng)需要變軌時(shí)，通過(guò)電動(dòng)推桿推動(dòng)將該軌道單元與通向控制室軌道連接。控制系統(tǒng)可通過(guò)傳感器反饋信號(hào)得知軌道連接位置，確保運(yùn)動(dòng)裝置正確通過(guò)。

2 控制方案設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)裝置與控制室通過(guò)無(wú)線通訊交換控制信號(hào)和狀態(tài)信息，控制系統(tǒng)按照位置分為控制室部分和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)裝置部分。

控制室部分主要包括控制計(jì)算機(jī)、控制盒、無(wú)線收發(fā)站、電動(dòng)推桿、接近開(kāi)關(guān)等。

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)裝置部分主要包括直流電源、PLC、無(wú)線收發(fā)站、直流伺服驅(qū)動(dòng)器、接近開(kāi)關(guān)等。

綜上所述，控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括工作站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制PLC系統(tǒng)及位置檢測(cè)系統(tǒng)。

圖4 控制系統(tǒng)組成圖

工作站計(jì)算機(jī)通過(guò)控制界面可以對(duì)運(yùn)動(dòng)裝置發(fā)出指令[7]，指令包括運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)時(shí)間和速度等參數(shù)的設(shè)定，還可以監(jiān)視目標(biāo)運(yùn)動(dòng)裝置的速度、位置以及當(dāng)前狀態(tài)。在計(jì)算機(jī)主控界面上設(shè)計(jì)仿真模擬圖，還可以直接觀察到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)裝置在軌道中的位置。

無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將計(jì)算機(jī)的指令發(fā)送給運(yùn)動(dòng)裝置并把運(yùn)動(dòng)裝置的各數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)反饋給控制計(jì)算機(jī)[8]。無(wú)線控制距離遠(yuǎn)，速度精度高，數(shù)據(jù)延遲率低于20 ms。本方案采用美國(guó)原裝進(jìn)口的工業(yè)級(jí)無(wú)線收發(fā)電臺(tái)MDS9710，其收發(fā)速率、控制距離滿足本系統(tǒng)要求，另外其電磁兼容性強(qiáng)、適應(yīng)溫度廣、功耗低、誤碼率底、有強(qiáng)大的軟件二次開(kāi)發(fā)功能，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能提供保障。

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)PLC系統(tǒng)采用歐姆龍CP1H系列PLC，用來(lái)完成電源系統(tǒng)管理、控制指令的執(zhí)行、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)裝置位置及速度數(shù)據(jù)采集和各種控制輸出信號(hào)及檢測(cè)輸入信號(hào)。其分辨力為1/4000，運(yùn)動(dòng)速度精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足指標(biāo)要求。

2.2 控制流程

操作人員通過(guò)計(jì)算機(jī)上的控制界面發(fā)出指令，指令通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊傳輸?shù)竭_(dá)PLC，PLC根據(jù)接收到的指令控制目標(biāo)運(yùn)動(dòng)裝置做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)PLC將目標(biāo)運(yùn)動(dòng)裝置當(dāng)前的狀態(tài)、位置、運(yùn)行速度通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)控制界面上，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)控制及監(jiān)測(cè)。計(jì)算機(jī)還可通過(guò)光纖以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸功能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)預(yù)留的接口向?qū)嶒?yàn)指揮中心發(fā)送上述信息。

圖5 控制流程圖

3 關(guān)鍵措施及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在軌道上高速、高精度運(yùn)行，主要采取以下措施：①根據(jù)系統(tǒng)速度要求，選取大功率直流伺服電機(jī)；②研發(fā)高水平度、耐磨性好、緩沖減震效好的特制軌道，保證其運(yùn)行平穩(wěn)性；③選用高可靠性無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)控制PLC，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高精度控制；④在環(huán)形軌道上每間隔50 m安裝位置檢測(cè)及標(biāo)定傳感器，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)此位置重新標(biāo)定位置，消除振動(dòng)、打滑等因素引起的位置誤差，提高運(yùn)行精度。

采取了各項(xiàng)措施后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，檢測(cè)方法：在運(yùn)動(dòng)裝置上安裝GPS定位裝置，通過(guò)系統(tǒng)操作界面設(shè)置運(yùn)動(dòng)速度，運(yùn)行距離等，對(duì)比設(shè)置數(shù)據(jù)和GPS接收數(shù)據(jù)值，可評(píng)估其速度誤差、定位誤差。速度誤差檢測(cè)和定位誤差檢測(cè)見(jiàn)表1和表2。

表1 速度誤差檢測(cè)表

表2 定位誤差檢測(cè)表

通過(guò)觀察表1和表2可知，速度誤差滿足±0.1 m/s的指標(biāo)，定位誤差小于±0.1 m的指標(biāo)。最大速度也能達(dá)到14 m/s。

4 結(jié)語(yǔ)

從動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、材料、控制等方面對(duì)一套高速高精度無(wú)線控制地面有軌運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的模擬系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)及研究，確保模擬系統(tǒng)高速高精度運(yùn)行，從而可以檢驗(yàn)探測(cè)器探測(cè)不同運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的精度，為實(shí)驗(yàn)研究提供了可靠的平臺(tái)，目前該系統(tǒng)已研制成功，并在某光電研究所投入使用。

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