小型環(huán)境風洞三維移測機

姚俊杰，武利生，郭懷亮

(太原理工大學機械工程學院，山西太原 030024)

環(huán)境風洞試驗是針對大氣污染物傳輸和擴散研究工作的一種較為先進的試驗手段。在風洞試驗中，通過控制探頭在試驗段中的移動，可以測量速度分布、脈動壓力和湍流度等。過去做風洞試驗，需要人工調(diào)整移測設備的方位，致使試驗周期長、測量誤差大。為了提高風洞試驗的效率及其測量的準確度，研究人員研發(fā)出一些適用于風洞試驗的移測裝置。楊立軍等［1］研發(fā)出了一套移測系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用一個步進電機驅(qū)動支架上下移動，固定于支架上的探頭可測0～2 m高度任意位置的氣壓，由此解決了風洞內(nèi)豎向自動測量的問題，但是其他兩個方向的移動還需要借助人工操作，其試驗效率還略顯不足;倪欣等人［2］研發(fā)出一套二維數(shù)控移測系統(tǒng)，該移測系統(tǒng)應用于試驗段截面積為300 mm×800 mm的風洞中，可以完成某一橫截面上的自動測量，其控制系統(tǒng)包括計算機控制與手動現(xiàn)場控制兩套系統(tǒng)，方便了移測系統(tǒng)的遠程和現(xiàn)場操作，但是不同截面的測量需借助人工移動設備。祝明紅等［3］開發(fā)出一套適用于激光流速測量的移測架系統(tǒng)，該系統(tǒng)應用于φ3.2 m風洞中，直流伺服電機驅(qū)動3根滾珠絲杠實現(xiàn)3個方向的移動，只需要將探頭安裝于支架上，便可以完成風洞內(nèi)參數(shù)的自動測量，提高了風洞試驗的效率，但是其X、Y、Z三個方向的支撐結(jié)構(gòu)導致迎風面積較大，一定程度上干擾了風洞內(nèi)的流場。

上述各移測系統(tǒng)從一些方面解決了之前人工操作效率低下的問題，實現(xiàn)了移測設備的自動化，但與此同時也帶來了新的問題，比如:如何降低移測系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)對風洞流場帶來的擾動;如何提高移測系統(tǒng)在一定風載荷下的穩(wěn)定性等。為了解決以上問題以及現(xiàn)有技術(shù)的不足，作者所在的科研團隊結(jié)合小型環(huán)境風洞的特點對移測系統(tǒng)進行了研究，開發(fā)了一種全新結(jié)構(gòu)的三維移測機。

1 移測機的機械結(jié)構(gòu)

移測機安裝于試驗段截面積為600 mm×600 mm的風洞中，設計風速為3～40 m/s。具體指標如下:整套設備的迎風面積S1不超過風洞截面積S的6%;探頭在X、Y、Z三個方向上的移動距離分別為12 000、500、280 mm，位置精度分別為 ±0.5、±0.1、±0.1 mm;在最大風速下，安裝于支架上的探頭抖動不超過0.5 mm。移測機的三維機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機械結(jié)構(gòu)示意圖

(1)驅(qū)動部分

移測機在X、Y、Z三個方向上都采用了松下MINAS A5系列交流伺服電機作為動力源。其中，X向采用了雙電機驅(qū)動的形式。相比單電機，雙電機驅(qū)動不僅可以增加系統(tǒng)的動力儲備，而且能使電機質(zhì)量平均分配于整個移測機之中，有利于提高設備整體的穩(wěn)定性。此外，3個方向的驅(qū)動電機全部沿風洞軸向旁置于移測機的兩側(cè)，從結(jié)構(gòu)設計上減小了系統(tǒng)的迎風面積，降低了系統(tǒng)對風洞流場的干擾。

(2)傳動部分

如圖1所示，移測機由X向?qū)к?、Y向光桿導柱17、Z向傳動軸7和傳感器支架19以及支架滑移組件20組成。X向?qū)к壥钦麄€設備的支撐和導向，該導向裝置是由兩條高精度齒條導軌拼接組成的，安裝在風洞內(nèi)壁兩側(cè)，整個移測設備懸掛于導軌之上，移測機左右兩側(cè)的機架配以加強筋13，防止設備發(fā)生傾覆，提高了設備的穩(wěn)定性。

X向的兩個驅(qū)動電機3通過安裝在機架12上的減速機14，再經(jīng)齒輪9、10減速后，帶動與齒條嚙合的小齒輪2轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)移測機整體X向的平移運動。

Y向電機16通過固定在機架上的行星減速器14帶動同步帶輪15轉(zhuǎn)動，從而使傳感器支架滑移組件20在同步帶18的帶動下，實現(xiàn)Y向的平移運動，Y向光桿導柱17與Z向傳動軸8起到支撐與導向的作用。

Z向電機5通過固定在機架上的減速機6帶動Z向傳動軸7轉(zhuǎn)動，傳動軸上沿軸向安裝有長鍵，用來帶動置于支架滑移組件之中的Z向傳動齒輪8轉(zhuǎn)動，傳感器支架19為矩形狀，嵌在支架滑移組件的導向槽中，其一側(cè)帶有齒條，隨著大齒輪的轉(zhuǎn)動而上下移動，完成Z向的平移運動，另一側(cè)帶有V形槽，用來固定傳感器。

綜上所述，該移測系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)具有以下幾個特點:

(1)系統(tǒng)具有3個自由度，且各自由度之間沒有耦合，可以根據(jù)需要對某一方向單獨測量;

(2)3個方向上的電機全部沿風洞軸向旁置在移測機兩側(cè)，Y向光桿導柱與Z向傳動軸處于同一高度，這些特點從結(jié)構(gòu)上減小了系統(tǒng)的迎風面積，降低了對風洞流場的影響。

由表1可知，移測機的迎風面積S1占風洞橫截面積S的5.98%＜6%。同時，移測機的迎風部分大都經(jīng)設計安裝在了風洞內(nèi)壁兩側(cè)，對風洞試驗的實際影響則更小。

表1 移測機迎風面積

(3)X向采用了雙電機驅(qū)動，平衡了系統(tǒng)的質(zhì)量分配，提高了在風力作用下的穩(wěn)定性，增加了系統(tǒng)的驅(qū)動力;

(4)傳感器支架采取V形槽固定測量探頭，保證探頭與來流的平行度。

2 移測機控制系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件主要包括松下FP0R系列PLC型號為C16CT、數(shù)字量I/O單元 E16RS、模擬量 I/O單元FP0-A21、交流伺服電機MSMD012G1U、交流伺服驅(qū)動器MADHT1505E、維控觸摸屏以及組態(tài)王。控制系統(tǒng)硬件布局如圖2所示。

圖2 移測機控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

(1)FPOR與MINAS A5系列交流伺服電機－驅(qū)動器組成的軸定位控制系統(tǒng)

MINAS A5系列交流伺服驅(qū)動器是日本松下電器公司生產(chǎn)的全數(shù)字化交流伺服裝置，具有速度控制、位置控制和轉(zhuǎn)矩控制3種控制方式。此系統(tǒng)采用位置控制方式。松下FPOR系列PLC提供了多重脈沖輸出方式。此系統(tǒng)采用Pulse/Sign(正轉(zhuǎn)ON/反轉(zhuǎn)OFF)輸出方式［4］，將PLC脈沖輸出端子分別與驅(qū)動器上的脈沖信號端子 (PULS)和方向信號端子 (SIGN)連接，驅(qū)動器接受來自PLC的脈沖序列信號，從而控制電機的加速時間、減速時間、旋轉(zhuǎn)角度以及旋轉(zhuǎn)速度，同時接受編碼器的反饋值，實時校正與目標值的偏差，從而實現(xiàn)了伺服電機的閉環(huán)控制［5］。

(2)風機控制

此控制系統(tǒng)采用西門子MM440變頻器來控制風機轉(zhuǎn)速的大小，變頻器接受來自模擬I/O單元FP0-A21的模擬電壓信號 (0～10 V)，隨著模擬輸入電壓的不斷改變，變頻器的頻率輸出量也緊緊跟隨給定量的變化，從而平滑無級地控制電機轉(zhuǎn)速的大小。

(3)人機交互

此系統(tǒng)采用維控觸摸屏和組態(tài)王兩種人機交互，通過簡單的參數(shù)設置以及相應的按鍵控制移測機，同時將現(xiàn)場的數(shù)字量以及模擬量信號轉(zhuǎn)換成形象的圖形動畫，并顯示在屏幕上，方便研究人員實時了解設備狀態(tài)。人機界面與PLC相結(jié)合，擴展了PLC的功能，減少了按鈕、儀表等儀器的使用 。

3 雙電機的同步控制

X向采用了雙電機驅(qū)動，為了保證移測機的平穩(wěn)運行，必須實現(xiàn)兩個驅(qū)動電機的同步運轉(zhuǎn)。驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速以及運轉(zhuǎn)圈數(shù)是由上位機的脈沖序列決定的，所以只需要讓兩個伺服驅(qū)動器接收到的脈沖序列同步即可。為了解決這個問題，硬件電路上采用了如圖3的形式。

圖3 控制單元電路

將驅(qū)動器DRV1和DRV2的PULS和SIGN接口同時接到FPOR的CH0(Y0 Y1)脈沖輸出通道，使兩個驅(qū)動器接收到相同的脈沖信號以及方向信號，實現(xiàn)兩個驅(qū)動電機的同步運轉(zhuǎn)。實際運行表明，此方案完全可行。

4 移測機控制系統(tǒng)軟件

按照風洞試驗的要求，制定出如圖4所示的軟件系統(tǒng)流程。

圖4 控制系統(tǒng)軟件流程圖

該控制軟件采用松下FPWIN GR、觸摸屏自帶軟件以及組態(tài)王編寫，各模塊功能如下:

初始化模塊。在PLC上電的第一個掃描周期內(nèi)，初始化速度極限、坐標極限和步長極限等參數(shù)。

復位模塊。此模塊采用JOG運行 (F172)指令實現(xiàn)，當按下回參考點按鈕時，移測機開始移動，直到運行于參考點傳感器位置時，各軸歸零。

手動模塊。此模塊采用JOG運行 (F172)指令實現(xiàn)，當按下手動按鈕時，移測機根據(jù)設定好的速度開始移動，抬起按鈕時，移測機停止。

模式運行模塊。此模塊包含定位、步進和自動3種功能，采用梯形控制 (F171)指令實現(xiàn)。其中，定位功能根據(jù)人機界面軟件的參數(shù)設定值，控制移測機自動運行到風洞內(nèi)指定位置;步進功能根據(jù)設定好的步長，控制移測機每一次運行固定的距離;自動功能可以看作是多次步進運動，只是不用再進行操作，只需要設置步長、步數(shù)和停留時間，移測機便會按照參數(shù)自動運行。

監(jiān)視模塊。實時顯示移測機的工作狀態(tài)，方便研究人員記錄數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)安全模塊。在程序運行過程中，為了防止操作人員誤操作，設置了速度以及坐標的極大極小安全值，即使輸入的數(shù)據(jù)超過極限值，系統(tǒng)也會自動寫入安全值以防發(fā)生意外。另外，在每個方向上分別安裝了兩個極限位置傳感器，當設備運行到極限位置時會自動停止，防止發(fā)生機械碰撞。

5 結(jié)論

介紹了一種適用于小型環(huán)境風洞的移測機，通過雙電機驅(qū)動、電機旁置等措施，平衡了設備的質(zhì)量分配，減小了設備的迎風面積，不僅降低了機械結(jié)構(gòu)對風洞流場帶來的擾動，同時也降低了移測機所受風阻，提高機械系統(tǒng)在風力作用下的穩(wěn)定性，保證了定位精度，見表2。其控制系統(tǒng)綜合了PLC強大的控制功能以及觸摸屏、組態(tài)王這兩種人機界面友好、設計簡捷的優(yōu)點。圖5是該移測機風洞中試運行時的圖片。實際調(diào)試運行表明，該移測機可以滿足風洞試驗的要求。

表2 位移精度檢測 mm

圖5 風洞移測機實物

［1］楊立軍，施洪昌.風洞移測架控制系統(tǒng)［J］.測控系統(tǒng)，2005，24(4):80 －84.

［2］倪欣，張彬乾，張昌民.風洞敏感流場測量的二維精密數(shù)控移測系統(tǒng)設計［J］.機械科學與技術(shù)，2006，25(4):434－437.

［3］祝明紅，張鈞，沈志宏，等.PDPA移測架系統(tǒng)的研制與應用［J］.流體力學實驗與測量，2004，18(1):62－66.

［4］松下電工株式會社.可編程控制器FP0R用戶手冊［M］.2009.

［5］王建平，靖新.利用PLC脈沖輸出和高速計數(shù)功能實現(xiàn)軸的精確定位控制［J］.沈陽建筑大學學報:自然科學版，2006，22(1):168 －172.

［6］呂品.PLC和觸摸屏組合控制系統(tǒng)的應用［J］.自動化儀表，2010，31(8):45 －47，51.

［7］松下電工株式會社.Panasonic MINAS A5系列交流伺服電機驅(qū)動器使用說明書［M］.2010.

［8］殷洪義，吳建華.PLC原理與實踐［M］.北京:清華大學出版社，2008.

［9］李周復.風洞特種實驗技術(shù)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2010.