范峰巖

(山西大眾電子信息產(chǎn)業(yè)集團，山西 太原 030024)

升降平臺作為車載系統(tǒng)的一個重要組成單元，本文主要介紹用于承載光電偵察系統(tǒng)及其配備火控系統(tǒng)的一種車載升降平臺，該升降平臺采用多級伸縮螺紋副的傳動方式，舉升速度快，運行平穩(wěn)可靠。實現(xiàn)設備運載時隱藏在車內，工作時升高至指定位置的技術要求。控制系統(tǒng)選用基于電機控制的DSC芯片，被控對象為交流永磁同步電機，結合專門設計的控制算法，可以達到快速、準確進行平臺升降及定位的目的[1]。

設計該升降平臺的目的是將車載光電偵察系統(tǒng)升降到指定位置。由于該升降平臺需要在車內使用，而車底盤的承載能力有限，空間有限，在使用的過程中絕不能超出安全承載量，所以在設計中要嚴格控制重量、體積，以及選擇合理的結構和簡單易行的控制操作[4]。

1 升降平臺組成和工作原理

車載升降平臺主要由傳動系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、導向機構、底座、安裝臺面以及限位保護裝置等組成。傳動系統(tǒng)需要實現(xiàn)工作平臺上升和下降的功能，驅動系統(tǒng)需要實現(xiàn)對升降平臺的驅動，安裝臺面需要達到升降平臺的剛性指標要求，導向機構能夠保證平臺工作方向的穩(wěn)定性，而測量限位保護裝置則需要實現(xiàn)升降平臺的自動制動功能[2]。

因此，結合車載光電偵察火控系統(tǒng)負載重量較大、升降高度不高、車內安裝空間較小的特點，升降平臺的升降結構形式選用多級絲杠聯(lián)動形式。

圖1 升降平臺結構形式(升起狀態(tài))

圖2 升降平臺結構形式(回收狀態(tài))

圖3 多級絲杠結構

1.1 傳動系統(tǒng)

本文所設計的平臺結構，如圖1，圖3所示，其中安裝臺面可以看作為升降平臺的承載臺面，承載設備上升和下降。底座與車廂地板緊固，多級絲杠升降機、電機、減速器、導向柱、控制箱都安裝在底座上。絲杠1下端為軸，上端為中空有卯型結構的外螺紋絲杠，下端安裝圓錐滾子軸承和推力軸承與齒輪。絲杠2是中空內螺紋，與絲杠1組成第一級螺紋副，絲杠2上端安裝一個推力球軸承。絲杠3是中空內螺紋，外圓為榫型結構，安裝在絲杠1的孔內，與絲杠1為卯榫型面配合，通過上端的外凸臺安裝在推力球軸承上面。絲杠4是外螺紋，與絲杠3組成第二級螺紋副，上端通過法蘭與安裝臺面連接，推動安裝臺面沿著導向軸上升和下降。3根導向軸外圓表面粗糙度至少達到0.8，下端安裝在底座上，上端安裝在車頂?shù)暮线m位置，通過直線軸承與安裝臺面連接。電機和減速器安裝在底座上，帶動齒輪做圓周運動。

平臺上升時，電機和減速器帶動齒輪做圓周運動，傳遞扭矩；齒輪通過鍵連接帶動絲杠1同時旋轉；絲杠2做直線運動，順著絲杠1向上升起，絲杠3既做直線運動，也做旋轉運動，隨著絲杠2同步上升，同時由于安裝在絲杠1的卯型孔內，利用卯榫型面隨著絲杠1做圓周運動；絲杠4做直線運動，推動安裝臺面沿著導向軸上升。當其上升到上限位開關之后，電控系統(tǒng)會切斷電機電源，從而完成上升過程。

下降過程，電機反轉，原理同上升過程相同，絲桿同步下降收縮，當下降并且壓住下限位行程開關之后，電控系統(tǒng)則會切斷電機的電源，使其停止。從而完成下降的過程。

上述的方法和結構，所有的螺紋螺距都一樣，平臺在升降過程中，其位置能夠精確控制，即使在外部損壞的情況下，由于絲杠螺紋本身的自鎖性，也能保證其使用安全可靠。多級絲杠要盡量安裝在承載物的質心點上，確保上升時臺面不會晃動。多級絲杠機構大大的降低了其安裝所需的空間，適合狹小的車內空間使用。

1.2 導向機構

由于該升降平臺僅采用一根多級絲杠向上舉升，為了保證平臺的平衡，在安裝臺面和車頂之間共安裝3組直線導軌(如圖1)。直線導軌具有定位精度高、磨損小、可高速運行、能承受多方向載荷、安裝互換容易等特點，是升降平臺理想的導向機構。實際使用時，光軸兩端分別固定在安裝臺面和車頂?shù)暮线m位置，三根光軸安裝時要保證垂直度和平行度，直線軸承則安裝在相對運動的安裝臺面上，涂抹低溫潤滑脂，保證安裝臺面能夠順暢的運動[2,3]。

1.3 限位保護機構

為防止升降超出允許范圍，造成設備和人身損失，應對升降平臺采取限位措施，這類措施一般包括軟件限位、電氣限位和機械限位[1]。軟件限位在升降運動即將到達臨界位置時提前對平臺進行減速。電氣限位通常采用行程開關，當軟件限位失效，平臺即會觸動行程開關，電機被強制斷電停機。機械限位通常為帶緩沖裝置的金屬塊，位于電氣限位裝置后，是限制平臺運動的最后關卡。

2 升降平臺控制驅動方案

2.1 概述

控制器是整個升降平臺的核心控制部分，兼具信號采集、控制和驅動的功能?？刂破饔缮悼刂坪小顟B(tài)傳感器組成?？刂破鞲鶕?jù)上位機指令，驅動電機旋轉，帶動升降裝置升降。狀態(tài)傳感器包括上、下限位開關等，用于采集各位置的狀態(tài)量并上報給控制器。

2.2 驅動原理

升降平臺的驅動主要由變頻器和異步交流電動機組成。電動機的速度通過變頻器變壓變頻調速系統(tǒng)調節(jié)，以實現(xiàn)速度的連續(xù)變化；而電動機的運行方向是利用外部信號來控制變頻器進行換相，以實現(xiàn)電動機的方向控制[2]。其驅動原理如圖4所示。

圖4 升降平臺驅動原理圖

給定的速度與經(jīng)由PLC高速計數(shù)模塊反饋回來的實際速度相減產(chǎn)生速度誤差，經(jīng)PLC運算可以得到控制量，再由RS-485接口輸出到變頻器以驅動電動機，從而達到調節(jié)電動機轉速的目的[1，3]。由于PLC與變頻器之間沒有采用D/A進行轉換，而是采用了RS-485進行數(shù)字通信，有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。測速裝置采用編碼器克服了過去調速系統(tǒng)中采用測速發(fā)電機輸出特性存在死區(qū)和非線性區(qū)，體積大，誤差大等缺點。對于工作平臺升降極限位置的限制則是采用霍爾傳感器和行程開關實現(xiàn)雙重保護[2]。當工作平臺進行升降動作到達相應的位置時，傳感器檢測到磁鋼，同時將信號傳入PLC，從而引起升降異步電動機線路中的變頻器作用，起到控制電動機的作用，實現(xiàn)對工作平臺升降動作的控制。為了防止升降的速度過快沖出極限位置或者系統(tǒng)發(fā)生故障不受控制，在升降的上下極限位置安裝行程開關。通過觸碰安裝在相應位置上的行程開關，繼電器失電，觸點發(fā)生相應動作，驅動系統(tǒng)斷電，從而實現(xiàn)了雙保護[4]。

3 電機選型

3.1 電機轉速計算

要實現(xiàn)升/降運動時間不超過15 s，有效行程為700 mm，因此，運動平均速度為：

絲杠導程為10 mm，因此，絲杠平均轉速為：

選擇減速器減速比為10∶1，所以電機轉速約為：

ω=280×10=2 800 rpm .

3.2 絲杠扭矩計算

普通絲杠扭矩計算公式如下式所示：

其中：Fa為軸向負載，F(xiàn)a=mg(sinα+μcosα)，μ為導向件之間的綜合摩擦系數(shù)，L為導程，η為傳動機構的效率，其中絲杠效率為20%，α為傳動機構的傾斜角[6]。

設m=400 kg，垂直舉升時α=90°

則：Fa=mg=400×9.8=3920 N.

由于減速器減速比為10∶1，η為齒輪兩級減速的效率，約為0.81，則電機端的扭矩為：

3.3 電機功率計算

電機平均功率：

其中：η1是絲杠的傳動效率，為20%；η2、η3分別是二級齒輪減速機構的傳動效率，均為90%；S是驅動電機功率裕量，取50%，即1.5[5]。

綜上計算，得出電機的主要參數(shù)指標，結合工作的環(huán)境要求，可以選擇符合技術要求的電機。

4 結語

車載升降平臺已經(jīng)廣泛的用于承載光電偵察系統(tǒng)及火控系統(tǒng)，實現(xiàn)運載時隱藏在車內，工作時升高到車頂預定位置；有效地提高了裝備系統(tǒng)的機動性、靈活性和隱蔽性，從而提高裝備的戰(zhàn)場生存能力。