水聲聲壓校準用位移平臺及控制系統的設計

曾顯波，李志勇

(1.青島港灣職業技術學院，山東 青島 266404；2.山東科技大學，山東 青島 266590)

在位移裝置的設計中，其靈活性和定位精度是設計中的重點，也是難點。本文介紹一種自主研制的直線與回轉位移裝置，用于進行水聲聲壓校準時搭載測試設備的位移平臺。湯斌等設計了2種升降回轉定位裝置，分別為框架式結構定位裝置和中空柱式結構定位裝置，并從工程角度分析了2種結構的各自特點[1]。張金鐘等介紹了人工島格型鋼板樁回轉與升降裝置的結構設計及其工作原理，并應用有限元方法對其在施工過程中遇到的各種工況進行了受力分析[2]。林靖等把編碼器應用到湖上平臺回轉升降平移裝置中，整個設計系統以PLC為控制核心，利用增量型光電編碼器對位置進行實時監測，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位移裝置中部分的設計，本文在參考上述設計方案的同時，系統地介紹了水聲聲壓校準用位移平臺裝置的整體設計。此外，在K. Mateti等研究機翼旋轉和升降裝置中，減振效果明顯[4]；R. L. Barnett等研究的關于汽車電梯的旋轉機構中存在的隱患也給本設計提供了很大的參考[5]。

1 位移平臺裝置的整體設計

1.1 功能要求和技術指標

位移平臺裝置的功能要求是研制一套位移裝置，該裝置可控制被測試聲結構在水中的放置方位，同時配備水聲換能器基本參數測試軟件，可控制Y軸和Z軸2個方向及旋轉角度的自動定位(X軸方向采用手動控制)，并記錄這些信息。其中，要求Z軸下端法蘭盤承重載荷20 kg。

位移平臺主要技術指標如下。

1)運動范圍(見表1)。

表1 運動范圍

2)測量精度和控制精度(見表2)。

表2 測量精度和控制精度

3)運動速度(見表3)。

表3 運動速度要求

4)其他要求。

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

1.2 機電控制系統方案設計

控制系統主要由信捷PLC XCC-32T、THA62-MT(觸摸屏)和自行開發的接口、細分電路組成，控制系統的基本組成結構圖如圖1所示。

圖1 控制系統基本結構圖

位移平臺共4個軸，對其中3個軸(除X軸)進行電控，即對平臺的Y軸、Z軸和旋轉軸用PLC進行控制。控制方式采用手控點動方式、手控連續方式和計算機程序控制方式。PLC和自行設計的接口、細分電路配合完成對位移傳感器的數據讀取，PLC的RS485提供計算機遠程接口，液晶顯示器顯示各項位移數據，并接受操作員的操作指令。上述坐標軸能分別實現X、Y、Z和θ方向的手動定位，且各個方向的運動相互獨立，互不干擾。

1.3 機械系統設計

機械系統主要由有一定跨度距離的可做X向滑動的平臺底座組成，平臺底座上設計安裝Y向滑臺，實現Y向運動。Y向滑臺上設計安裝升降回轉裝置，可以帶動連接軸做垂直和回轉運動。每個運動自由度均在動力輸入端安裝手輪，以實現手動移動，每個運動軸側都安裝有標線尺或刻度盤作為位置標識。機械結構圖如圖2所示。

圖2 位移平臺機械結構圖

整個位移平臺是一個獨立的裝置，工作時可將平臺底座整體移動，直接放置在水槽上方即可。Z軸下端法蘭盤搭載被測試結構件。X方向、Y方向和Z方向運動平臺均采用鋁合金框架的直線單元結構，絲杠與導軌等部件均封閉在框架之內，鋁型材表面陽極化防銹，整體外形美觀、大方。

機械系統設計中，位移平臺的升降回轉機構應滿足結構緊湊和升降自鎖等要求，是應重點考慮的部位。本文選用自行制作蝸輪蝸桿方案(也可采購整體絲杠升降機)，用以實現自鎖功能。升降回轉機構安裝在大齒輪齒盤上，升降桿為研磨級不銹鋼空心厚壁光軸，用精密不銹鋼直線軸承作升降導向，如圖3所示。升降桿于一側表面刻制齒條，通過齒輪齒條傳動方式實現升降運動。齒條背面開方槽，可用來導向，并安裝升降標尺和限位開關。

a)結構圖 b)結構剖視圖圖3 升降回轉機構結構圖

2 位移平臺運動控制基本工作原理

位移平臺的運動基本工作原理如下：PLC根據操作人員的指令和相應的測量系統的位移值，計算出步進電動機的轉動量和轉動方向，發出相應的運動指令，控制步進電動機通過減速器和傳動機構帶動相應的部件進行直線或旋轉運動，PLC根據旋轉編碼器實時位移測量結果判斷位移是否完成。整個位移過程是通過閉環控制完成的，當實際位移量與期望位移量的誤差小于系統設計指標時，運動過程停止。

PC機控制端可根據要求編寫控制軟件。PC機與控制儀通過串行接口(可以選擇RS232或RS485)進行通信，控制儀接收PC機的通信命令，根據PC機的命令控制各軸的運動，將各軸的坐標值以及運動狀態發送給PC機，并實時顯示。電氣器件及控制示意圖如圖4所示。

2.1 機電系統工作原理

該運動機構的運動均由步進電動機驅動。采用在步進電動機尾部安裝編碼器的方案。其中，Z向和θ向步進電動機輸出端接蝸輪蝸桿減速機，以提高驅動分辨力；同時具有鎖定功能，以確保每一個位移機構在掉電時能自鎖。

Y方向和Z方向的直線位移是通過步進電動機帶動絲杠實現，Z方向升降直線運動通過減速機帶動絲杠實現，旋轉運動通過減速機來實現。同時，在運動的上、下限處設置限位保護。限位保護可發出限位控制信號，該信號禁止在該方向上的運動；但仍可進行反方向的運動，以便脫離限位保護狀態。

2.2 測量系統工作原理

直線運動部分的測量系統是將編碼器固定在絲杠一端，當絲杠旋轉時，編碼器根據旋轉量的大小和方向輸出相應的正交脈沖信號，通過絲杠旋轉的圈數和脈沖個數可以計算出相對位移量。旋轉運動部分的測量系統是將旋轉編碼器固定在轉臺上，當轉臺旋轉時，編碼器讀數頭根據旋轉位移量的大小和方向輸出相應的正交脈沖信號。

接口電路將讀數頭輸入信號轉換成TTL電平信號，細分電路根據正交脈沖信號的相位判斷讀數頭運動方向，并產生細分脈沖信號和方向信號，PLC計數器模塊根據脈沖信號和方向信號對脈沖進行計數，從而獲得到當前位移量。

測量系統采用旋轉編碼器，安裝在各個自由度的最后一級，以確保測量及校準精度。測量精度要求見表4。

表4 測量精度要求

3 設計計算

3.1 Y向參數計算

3.1.1Y方向速度計算

絲杠直徑為20 mm，導程為5 mm，Y向移動速度要求為1 000 mm/min。需要電動機轉速為1 000/4=250 r/min，所選步進電動機轉速約為600 r/min，滿足要求。

3.1.2Y方向轉矩計算

梯形絲杠的效率為：

(1)

式中，d為絲杠螺紋升角；μ為滑動摩擦因數，鋼與黃銅的滑動摩擦系數為0.21。

所需轉矩為：

(2)

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

選用57BYGH系列混合式步進電動機，轉矩最大為1.5 N·m，滿足要求。

3.1.3Y方向定位精度要求

Y方向定位精度要求為±1 mm，編碼器選用標準2000P/R產品，能達到的分辨率為5/2 000=0.002 5 mm，因此遠遠滿足要求。

3.2 Z向參數計算

3.2.1Z方向速度計算

Z向移動采用齒輪齒條。齒合方式，Z向移動速度要求為1 000 mm/min。所選蝸輪蝸桿減速機減速比10∶1，所需電動機轉速約為100 r/min，所選步進電動機轉速約為600 r/min，滿足要求。

3.2.2Z方向轉矩計算

(3)

式中，η為蝸輪蝸桿減速機的效率，η取0.6；Fb為負載與絲杠自重在減速機傳動情況下需克服的磨擦力。

選用57BYGH系列混合式步進電動機，轉矩最大為1.5 N·m，滿足要求。

3.2.3Z方向定位精度要求

Z方向定位精度要求為±1 mm，編碼器選用標準2000P/R產品，能達到的分辨率為20/(2 000×10)=0.001 mm，滿足要求。

3.3 回轉軸θ方向參數計算

3.3.1θ方向速度計算

齒輪減速比為5∶1，θ方向轉動要求1 r/min。所選蝸輪蝸桿減速機減速比為20∶1，需要電動機轉速為20×5=100 (r/min)，所選步進電動機轉速約為600 r/min，基本滿足要求。

3.3.2θ方向轉矩計算

(4)

式中，η為蝸輪蝸桿減速機的效率，η取0.6；Fc為負載以及絲杠和減速機自重在減速機傳動情況下需克服的磨擦力。

選用57BYGH系列混合式步進電動機，轉矩最大為1.5 N·m，滿足要求。

3.3.3θ方向定位精度要求

θ方向定位精度要求為±0.1°，編碼器選用標準2000P/R產品，安裝在蝸輪蝸桿減速機輸出軸上，能達到的分辨率為：360°/(5×2 000)=0.036°，滿足要求。

4 不確定度的分配及評估

4.1 Z方向位移精度計算

選擇傳動鏈級數多的Z方向傳動進行位移精度計算。選用57BYGH系列混合式步進電動機搭配PN型減速機，減速比為10∶1，輸出轉矩為1.5 N·m(輸入電壓單相110 V)，步進電動機編碼器最大細分數為2000P/R，分辨率為0.05°/脈沖，則：

PN型減速機齒隙為0.034°，角度傳動誤差為0.1°。

PN型減速機對于Z方向直線位移產生的定位誤差為：

Z方向減速機定位精度=

梯形絲杠長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計算，因此，Z方向位移總精度=電動機控制精度+減速機定位精度+絲杠精度+裝配精度=0.000 25+0.001 86+0.3+0.2≈0.502 mm，滿足Z方向位移定位精度(±1 mm)的要求。

4.2 旋轉定位精度

旋轉定位精度要求為±0.1°。旋轉運動由安裝在升降機構上的電動機提供驅動力，測量分辨率能達到0.01°。進一步的精確定位由彈性萬向滾珠的安裝精度(±0.1 mm)、旋轉平臺凹槽的加工精度(±0.05°)與裝配精度(±0.1 mm)等來保證。

5 結語

本文詳細介紹了一種高頻水聲聲壓校準時搭載測試設備的位移平臺的設計，該裝置主要由1套位移平臺和1臺控制儀組成，位移平臺根據實際需要可增加Y向滑臺數量。位移平臺可實現沿長軸方向的2根導軌靈活移動，采用編碼器進行直線位移測量和旋轉位移測量，并通過計算機控制系統和步進電動機對各運動部件的位移進行控制；同時，對其機電系統和測量系統的工作原理做了相應的介紹，最終通過計算驗證了設計的可行性。

[1] 湯斌，王文健, 王華.兩種升降回轉定位裝置的設計[J].計測技術, 2012(3):30-32.

[2] 張金鐘，熊威，劉志鵬，等. 港珠澳大橋人工島格型鋼板樁工程支撐回轉與升降裝置結構設計[J].中國水運(下半月), 2014(6): 259-264.

[3] 林靖，江偉杰, 林峰. 編碼器在湖上平臺回轉升降平移裝置中的應用[J].傳感器與微系統, 2010(12): 137-140.

[4] Mateti K, Byrne-Dugan R A, Tadigadapa S A, et al. Wing rotation and lift modeling and measurement in SUEX flapping wing mechanisms[C]//ASME 2012 Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems. New York: American Society of Mechanical Engineers, 2012：591-599.

[5] Barnett R L, Glauber J B. Automotive lifts: unrestrained vs. restrained swing arms[C]//ASME 2009 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. New York: American Society of Mechanical Engineers, 2009:373-387.