航天某產品仰角校準裝置及其控制系統設計

何 軍 平 昊 周愿愿 武麗麗 姜 恒 陳 浩 吳遠峰

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航天某產品仰角校準裝置及其控制系統設計

何 軍 平 昊 周愿愿 武麗麗 姜 恒 陳 浩 吳遠峰

（上海航天精密機械研究所，上海 201600）

為給航天產品在校準過程中提供一定的仰角，設計一套仰角校準裝置。該裝置由PLC、觸摸屏以及防爆伺服電機組成。通過觸摸屏實時監控狀態信息，PLC控制伺服驅動器，在高精確傳感器的控制下，完成仰角的精確控制。結果表明：該裝置精度高、可靠性好、工作效率高，達到了預期設計的目的。

校準裝置；仰角；高精度

1 引言

校準是實現對航天產品相關精度進行校調和補償的手段[1]。在校準測試過程中，需要外部裝置為產品提供一定的仰角，來保證測試的準確性。為了滿足產品批量生產的需求，需設計一套校準裝置。該設備主要校準臺面、目標源、地面氣源等輔助設備，其中校準臺面主要為產品提供支撐、調校的平臺；目標源是產品校準時瞄準、指示的目標源。

2 校準裝置總體設計

仰角校準裝置主要由底座、防爆交流伺服電機模塊、電氣控制系統、產品支撐、目標裝置組成。在底座下方安裝防爆伺服電機，通過減速結構帶動絲杠和連桿組合運動，使活動支架呈水平狀態或呈現15°仰角狀態。航天產品通過操作盒控制電機運動，使裝置尾端按照設定的速度平穩下降，直至支架與底部限位條接觸并保持位置，此時裝置平面與水平呈15°仰角，在該狀態下完成航天的校準試驗。裝載位（水平裝載狀態）和工作位（裝置平面與水平呈15°仰角狀態）是該裝置的兩種主要的狀態，如圖1所示。

圖1 校準裝置的兩種狀態

3 校準裝置部分結構設計

校準裝置的機械部分主要包括底座、機械運動機構、產品支撐結構、目標系統四個部分。

3.1 底座設計

校準裝置底座用于安裝電機、傳動機構等。整個底座主要由基座、軸承座組件、運動支架、限位條等組成，如圖2所示。其中基座采用型鋼焊接結構，具有較高的受壓能力和吸引地面振動的能力。基座的右側底面安裝限位塊用以保證工作時的角度。內側兩平面用于運動支架的左右限位。運動支架通過絲杠機構帶動升降，并在工作位和裝載位置安裝有定位傳感器確保運動支架的上下運動。

圖2 校準裝置底座示意圖

3.2 機械運動機構設計

絲杠組件、連桿和滑軌是實現整個系統運動的機構，三者連成一體，通過PLC程序控制，在電機的帶動下確保運動支架在-15°～0°之間的轉動。

絲杠組件采用絲杠、滑軌組合結構。該結構將力分散分布在絲杠和導軌上，避免絲杠應受力過大而發生變形。

3.3 產品支撐結構設計

本校準裝置支撐機構用于航天產品的支持定位，設計采用導向板、托板、潤滑板等。

圖3 航天產品支撐結構示意圖

3.4 目標裝置設計

目標裝置共有11目標源，為了滿足光源平面垂直于產品軸線的要求，目標裝置的設計采用了角度塊加十字微調滑臺的形式，如圖4所示，其中十字微調滑臺是為了方便在測量調校過程中對光源的精確微調。

圖4 目標裝置結構

4 校準裝置控制系統設計

4.1 控制系統總體設計

校準裝置的控制是以歐姆龍PLC（型號為CP1H-XA40 DT-D）作為整個系統的控制核心[2]，以步科觸摸屏（型號為MT4300CE）作為系統的人機交互界面。整個系統的硬件包括美國Parker公司Ex系列防爆交流伺服電機、伺服驅動器、防爆組件、制動電阻、高精密限位接觸開關和光電開關、空氣開關、手持式控制盒、直流線圈接觸器、保險絲。

其中高精密限位接觸開關安裝在底部的限位條上，用于保證工作角度處于-15°，光電開關安裝在水平位置用于保證轉動支架處于水平位置，便于產品的裝卸。控制系統的總體設計方案如圖5所示。

圖5 電氣總體控制系統設計

4.2 控制系統硬件電路設計

控制系統的電路主要給伺服驅動器、開關電源供電和完成傳感器信號的傳遞，由光電傳感器、空氣開關、熔斷器、接觸器、繼電器、空氣開關等組成，電路示意圖如圖6所示。

圖6 控制系統電路

4.3 控制系統軟件設計

整個校準裝置的控制系統軟件包括：PLC、觸摸屏程序以及伺服電機驅動器的控制參數設置。PLC程序完成對整個校準工藝的控制，觸摸屏界面作為人機交互界面實時顯示工藝參數，伺服電機的控制參數（如加減速時間、制動電阻參數等）會根據負載的特性提前在電機驅動器里設置好[3]。

4.3.1 PLC和觸摸屏程序設計

圖7 PLC控制流程圖

a. PLC程序設計

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

b. 觸摸屏程序設計

觸摸屏界面作為人機交互界面實時顯示工藝參數，可以實現電機速度的調節、實時顯示、傳感器狀態顯示、權限管理、用戶登入、電機點動操作等功能，觸摸屏界面包括試驗操作界面、參數設置界面、狀態監控界面等[4]。

4.3.2 PLC接口定義

如表1，接口定義表示PLC的I/O分配，伺服驅動器控制口和觸摸屏界面開關按鈕地址分別與PLC的內部寄存器進行數據鏈接。

表1 PLC輸入輸出信號地址分配表

5 結果分析

5.1 校準裝置與目標之間幾何空間位置檢測

用4臺經緯儀組成空間測量系統，逐條對相關坐標進行測量。理論要求產品光軸姿態同軸度不大于4′，折算為相對物理偏差為：15000×tan(4/60)=17.45 mm；其它角度的允許偏離公差為在0.05°內，折算物理偏差為：15000×tan0.05°=13.08 mm。

由于產品光軸無法直接測量，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。

根據計算結果，校準裝置與靶標之間相互幾何空間位置檢測指標要求見表2。

表2 校準裝置與靶標之間相互幾何空間位置測量值

5.2 校準裝置重復性試驗

利用不同產品對校準裝置進行重復性測試，當產品由裝載位到工作位，伺服電機需運行3min，然后通過采集軟件對產品關鍵部位和目標之間進行數據采集，對比采集數據和理論數據驗證設備的重復定位精度是否滿足要求；采集完成后產品由工作位到裝載位，同樣電機需運行3min，整個試驗完成僅需20min左右。

從表2可以看出，校準裝置與目標之間的空間位置滿足設計指標的要求，同時由測量軟件得出的采集數據也符合產品的校準要求。

6 結束語

a. 由于產品的特殊性，整個校準裝置采用防爆控制系統設計，充分考慮到產品的安全性，結構設計合理，人機交互操作方便，狀態信息實時顯示。

b. 該裝置能夠為航天產品提供精確的仰角，重復性定位能夠滿足相關指標的要求，為航天產品的批量生產提供了技術支撐。

1 薛長利，張名毅，丁勤，等. 測量不確定度在國內航天領域的應用現狀[J]. 航天器環境工程，2013，12(6)：652～656

2 許樹業，沈林勇. 基于HostLink(FINS)協議的計算機與CP1H串行通信實現[J]. 工業控制計算機，2016，29(2)：13～14

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

4 孫立杰，馮清秀，湯漾平. 基于PLC的數控齒條磨齒機控制系統[J]. 機電工程，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；研究方向：數控機床電氣控制及非標設備集成。

2017-04-10