江　義　王　卓　黃　川

(華中科技大學自動化學院　武漢　430074)

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一種電動舵機間隙參數(shù)自動測量方法*

江義王卓黃川

(華中科技大學自動化學院武漢430074)

電動舵機間隙對系統(tǒng)的性能起著重要作用,但間隙角度小對精確測量提出了挑戰(zhàn)。針對這一問題,論文采用了一種結合位移傳感器和壓力傳感器。通過實時采集兩者數(shù)據(jù)畫出曲線,根據(jù)曲線計算出系統(tǒng)的間隙角度值,并利用PLC實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化運行。實驗結果表明,采用該方法能夠有效地測量系統(tǒng)間隙角度參數(shù)。

電動舵機; 間隙; 位移傳感器; 壓力傳感器

Class NumberTP391

1　引言

現(xiàn)代國防科技在國家發(fā)展過程中起著國家安全戰(zhàn)略保障的作用,航空航天技術在國防技術中扮演著重要的角色[1～4]。電動舵機在航空飛行器中作為執(zhí)行器得到了廣泛的應用,電動舵機是飛控系統(tǒng)的伺服執(zhí)行機構[5],隨著對飛行器控制精度要求越來越高,對電動舵機技術也提出了更高的需求。而間隙非線性特性對系統(tǒng)運行起著重要作用[6～7],系統(tǒng)間隙過大會導致控制精度下降；系統(tǒng)間隙過小會導致運動摩擦力加大,機械結構磨損大等不利影響。因此在電動舵機伺服系統(tǒng)生產(chǎn)過程中需要保證適當?shù)拈g隙。

隨著控制技術的不斷提高,對間隙參數(shù)的檢測技術也在不斷發(fā)展過程中。2012年北京機電工程研究所提出《一種適合于非線性舵系統(tǒng)的間隙測量方法》[8],并申請專利；2013年北京自動化控制設備研究所提出了《一種電動舵機間隙測試方法》[9],并申請專利。在該專利中,采用砝碼和百分表來測量間隙。測試過程先將砝碼懸掛在設置了百分表端的掛鉤上,消除一端間隙,再將砝碼懸掛至另一端掛鉤,讀取兩次懸掛砝碼后百分表的刻度值。間隙計算如下式所示。

上述介紹的測量方法中主要還是使用人工檢測[10]的方法,在測量過程中存在著較大的不確定性。本文采用一種結合位移傳感器和壓力傳感器的高精度檢測方法,并設計一套自動化測試軟件,實現(xiàn)間隙角度測量。完成間隙測量實驗,驗證測量方案、重復測量精度等實驗。實驗表明該方法能夠有效地測量系統(tǒng)的間隙角度參數(shù)。系統(tǒng)設計高剛度測量桿與電動舵機輸出軸進行連接,方便角度測量。

2　系統(tǒng)整體設計

2.1系統(tǒng)硬件設計

本測量系統(tǒng)以西門子s7-1200PLC控制器為核心,結合位移傳感器和壓力傳感器進行位移和壓力信號采集。PLC通過控制氣動平移臺的移動狀態(tài)來控制壓力傳感器擠壓測量桿的方向,進而實現(xiàn)壓力給力的控制。在Windows7計算機端,結合Step7、WinCC等軟件實現(xiàn)控制程序設計與交互界面設計。系統(tǒng)整體結構圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結構圖

2.2系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要基于Windows7 32位平臺開發(fā),控制程序開發(fā)使用Step7,人機交互界面使用WinCC軟件開發(fā)?？刂栖浖饕獙崿F(xiàn)對氣動平移臺的移動控制,同時采集位移、壓力傳感器值,并對采集數(shù)據(jù)進行處理,并實現(xiàn)系統(tǒng)自動化運行過程；人機交互界面主要顯示控制器通過以太網(wǎng)傳輸?shù)牟杉瘮?shù)據(jù)曲線,顯示計算結果,并且進行參數(shù)設置。系統(tǒng)自動化運行過程如下所示,測試界面如圖2所示。

圖2　自動化測試流程

3　測量系統(tǒng)設計

3.1測量系統(tǒng)實現(xiàn)

本設計中,兩個位移傳感器間距為常量,通過運動過程中位移傳感器的變化換算得到間隙角度值,測量示意圖如圖4所示。由于間隙角度值很小,一般在10角秒左右,在計算過程中采用近似計算,計算公式如下式所示。

式中θ為間隙角度,Δd1為上端位移傳感器位移差值,Δd2為下端位移傳感器位移差值,L為兩傳感器之間的距離。

圖4　測量原理圖

系統(tǒng)中位移傳感器為基恩士接觸式傳感器,測量過程中,首先將位移傳感器測量部件推至于測量桿接觸,并有一定壓縮量,保證測量過程中位移傳感器與測量桿的接觸。然后移動右邊氣缸,右氣缸與右連接桿運動帶動右壓力傳感器向左運動,壓力傳感器不斷擠壓測量桿,當右壓力傳感器讀數(shù)大于設定值時停止運動,氣缸復位。再移動左側氣缸,左氣缸與左連接桿運動帶動左壓力傳感器向右運動,壓力傳感器不斷擠壓測量桿,當左壓力傳感器讀數(shù)大于設定值時停止運動,氣缸復位。如圖5中測量原理所示,系統(tǒng)存儲了氣缸運動中采集的所有位移傳感器和壓力傳感器的數(shù)值并繪制曲線,通過測量數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)間隙角度的大小。

圖5　測量系統(tǒng)圖

3.2間隙測量方案驗證

為了驗證間隙測量系統(tǒng)的方案正確性,將測量桿固定在駿河精機旋轉滑臺上,旋轉滑臺能夠給定固定角度(滑臺每旋轉一格約為55″),使用本測量方案對旋轉角度進行測量,實驗數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1　算法驗證數(shù)據(jù)

測量數(shù)據(jù)擬合后的曲線如下圖6所示。圖中虛線為旋轉角度曲線,實線為測量計算角度曲線。由圖可知兩條曲線基本重合,在一定手動誤差以及滑臺固有誤差情況下,測量算法正確。

圖6　測量數(shù)據(jù)擬合曲線

4　測量系統(tǒng)實驗

測量系統(tǒng)實驗在間隙模擬實驗平臺上完成,實驗針對同一系統(tǒng)進行多次測量,對比多次實驗結果,驗證測量系統(tǒng)測量結果的穩(wěn)定性。測量結果如表2所示。

表2　設定值5N實驗結果

由實驗數(shù)據(jù)可知測量變化范圍在±4.5″,滿足實際測量重復性精度需求。

5　結語

本文在現(xiàn)有常用手動使用砝碼和百分表來測量間隙的基礎上,設計了一種采用位移傳感器和壓力傳感器來精確測量間隙角度和系統(tǒng)剛度的方案,結合PLC與PC機實現(xiàn)測量系統(tǒng)的自動化運行,解決了手動測量系統(tǒng)操作麻煩、測量精度不高的缺點,提高自動化檢測水平。并且通過模擬平臺與現(xiàn)實生產(chǎn)應用的檢測過程,驗證測量方案的正確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

根據(jù)采集的位移傳感器數(shù)據(jù)以及壓力傳感器數(shù)據(jù),除了計算角度參數(shù)之外還可以計算系統(tǒng)的剛度參數(shù),使得系統(tǒng)具有一定的功能擴展性。根據(jù)實際需求,本研究后期可以在實現(xiàn)剛度測量的方向做更進一步的努力。

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An Automatic Measurement Method For The Clearance of Electromechanical Actuator

JIANG YiWANG ZhuoHUANG Chuan

(School of Automation, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan430074)

The clearance of electromechanical actuator plays an important role in the system performance, while, it’s a challenge to have an accurate measurement for the small clearance angle. In order to solve this problem, this paper adopts a method that uses both displacement sensor and pressure sensor. Through real-time gathering the data the curve is drawed, then the clearance is calculated through the curve, and PLC is used to make it an automatic operation system. The experimental results show that this method can measure the clearance parameters of the system effectively.

electromechanical actuator, clearance, displacement sensor, pressure sensor

2016年3月8日,

2016年4月26日

江義,男,碩士研究生,研究方向：過程控制。王卓,男,博士,講師,研究方向：網(wǎng)絡控制系統(tǒng),過程控制。黃川,男,碩士研究生,研究方向：過程控制。

TP391DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.09.043