（机械工程专业论文）脉动风洞试验模型姿态调整系统设计与研究.pdf

国防科学技术大学研究生院丁程硕十学位论文 摘要 风洞试验是飞行器系统研制与测试过程中必不可少的关键环节，决定着飞行 器系统的成败。风洞试验中模型姿态调整子系统作为飞行器的安装载体，控制着 模型的空间位置和姿态，因而是风洞试验系统的重要功能组成。 本文针对风洞试验中模型姿态调整子系统开展研究。对姿态调整系统进行了 总体方案设计、机械结构设计及控制系统的设计。论文主要研究内容如下： 1 根据模型姿态调整系统的功能需求，设计了模型姿态调整系统的机械结构 总体方案和控制系统总体方案； 2 依据重心驱动原理确定了y 向升降机构的驱动方案，通过分析计算y 向 机构驱动的灵活性条件，完成了关键部件的选型，设计了液压驱动回路；进行了 q 攻角机构的设计和运动仿真；完成了b 偏角机构的选型计算；进行了锁紧机构 的分析、计算与设计，针对q 攻角机构的锁紧机构进行了运动仿真与强度校核； 3 根据姿态调整系统的总体控制方案，进行了控制系统软硬件的初步设计。 主题词：风洞试验，姿态调整机构，重心驱动，攻角机构，锁紧机构 第i 页 国防科学技术大学研究生院t 程硕士学1 ；) = 论文 a b s t r a c t w i n dt u n n e le x p e r i m e n ti sn e c e s s a r yi nt h es t u d y i n ga n dt e s t i n go fa i r c r a f t t h e a t t i t u d e a d j u s t i n gs u b s y s t e mo ft h ew i n dt u n n e le x p e r i m e n ts y s t e mi st h ec a r d e ro ft h e e x p e r i m e n tm o d e la n dp l a y sav e r yi m p o r t a n t r o l ei nw i n dt u n n e le x p e r i m e n ts y s t e m t h er e l a t e dr e s e a r c h e so nt h ea t t i t u d e - a d j u s t i n gs u b s y s t e ma r ep r e s e n t e di n t h i s t h e s i s t h ew h o l ep r o j e c to fs y s t e mi se s t a b l i s h e d t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dt h e c o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e d t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h ew i n dt u n n e le x p e r i m e n ts y s t e m ，t h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r ep r o j e c ta n dt h ec o n t r o ls y s t e ms c h e m ea l ee s t a b l i s h e d 2 t h ey o r i e n t a t i o n 1 i f tm e c h a n i s mi sd e t e r m i n e db a s e do nt h et h e o r yo fg r a v i t y d r i v e r t h ec o n d i t i o no fa g i l i t yd r i v ef o ry o r i e n t a t i o n - l mi sa n a l y z e da n dc o m p u t e d ， t h ek e yc o m p o n e n t sw a sc h o s e na n dt h eh y d r a u l i cp r e s s u r ed r i v e rl o o pw a sd e s i g n e d ； t h eqo r i e n t a t i o na n g u l a r m o t i o n m e c h a n i s mi sd e s i g n e da n di t sm o t i o ni ss i m u l a t e d a l s ot h eb y a wa n g l em e c h a n i s mi sc a l c u l a t e da n dd e s i g n e d ；t h el o c k i n gm e c h a n i s m i sd e s i g n e da n dt h ei n t e n s i t yo ft h el o c k i n gs l i p c o v e ri sv e r i f i e d 3 a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ls y s t e ms c h e m eo ft h ea t t i t u d e - a d j u s t i n gs y s t e m ，t h e s o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r eo fc o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e de l e m e n t a r i l y k e yw o r d s ：w i n dt u n n e le x p e r i m e n t ，a t t i t u d e - a d j u s t i n gs y s t e m ，d r i v e nb y c e n t e ro fg r a v i t y ，a n g u l a r m o t i o n m e c h a n i s m ，l o c k i n gm e c h a n i s m 第i i 页 国防科学技术大学研究生院下程硕十学位论文 表目录 表2 1 系统技术指标1 2 表3 1q 攻角机构主要参数表2 4 表3 2 锁紧套锁紧时受力表3 8 表4 1f x 2 n 型p l c 功能4 5 表4 2 命令字节表4 8 第l l i 页 国防科学技术大学研究生院r 程硕七学位论文 图目录 图1 1 开路式风洞示意图2 图1 2 飞行器模型进行风洞试验2 图1 3 风洞系统三维图3 图1 4 美国兰利全尺寸风洞的姿态调整装置4 图1 5 瑞典风洞实验设备5 图1 6 风洞安装车间6 图1 7 我国4 米x 3 米风洞中的大攻角试验装置6 图1 8 绳牵引并联支撑系统6 图2 1 系统组成图1 0 图2 2 系统机械机构图1 l 图2 3x 机构简图。1 1 图2 4 系统基本方案原理图1 3 图3 1 重心驱动机构原理图16 图3 2 作用力不通过机构重心的作用示意图1 6 图3 3y 向升降机构重心驱动简图1 6 图3 4y 向升降机构重心驱动图17 图3 5y 向机架受力模型1 8 图3 6 直线轴承、导轨公差带图2 l 图3 7 常用的流量控制同步回路2 3 图3 8y 向同步驱动回路2 3 图3 9 齿轮传动方案示意图2 4 图3 1o 蜗轮蜗杆传动方案示意图2 5 图3 1 1 液压传动方案示意图2 5 图3 1 2q 攻角机构实现原理2 6 图3 13 一端铰链工作台驱动2 6 图3 1 4 中l 日j 铰链工作台驱动示意图2 7 图3 15a o o 时机构分析图2 7 图3 1 6a o9 9 9 6 故对f 1 、 f 2 的影响可忽略不计，根据机架对于o 点力矩平衡和力平衡可列出方程式( 31 ) 一33 1 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院j 释硕士学位论文 l 帆= o ，_ 导+ 正( i l + i d ) = i ：+ _ ( ；+ 尹d + m ；+ 五粤 c = 0 j n = n 2 = 0 j _ + 正+ f = f + 五 而摩擦力，= 一，m 根据式( 31 3 4 ) 可得： f 十e = 2 z n l + f 一：，_ 2 h 鼻一+ 2 = f + ； h 警+ 2 ( 旷争h 小：州+ ， l2 志 根据式( 35 ) 、( 38 ) 可得： 即p 孝n “毒 + 应为有限值，故1 一争，0 b 1 1l , , u c 1 。 为了保证运动灵活性，设计时取 ( 3 7 ) ( 3 8 ) 3 9 ) 第18 页 1 2 3 4 s 6 ；1j 3 3 国防科学技术大学研究生院丁程硕十学位论文 鱼丝 o 。时机构分析图 第2 7 页 国防科学技术大学研究生院下程硕+ 学位论文 口 0 时，从图中受力分析可得，液压缸的行程为l = a c a b 已知a d = 8 0 0 m m ，o d = 1 0 5 0 r n m 。 翻d d 可以求得为：t a n z a o d = 历a d = 而8 0 而0 = o 7 6 ，n _ , 4 0 d = 3 7 。，则 5 0 = 5 3 。， a c 2 = a 0 2 + 耐一2 a o c o c o s ( a + a o ) 即： a c = 彳d 2 + c 0 2 2 a o c o c o s ( a - i - o r ) ，则 = a c a b = , a 0 2 + c 0 2 2 a o c o c o s ( a 。+ 口) 一a b = 彳d 2 + d 0 2 + c 0 2 2 a o c o c o s ( a o + 口) 一a b = 4 0 8 2 + 1 0 5 2 + o 8 2 2 x ( 1 0 5 2 + o 8 2 ) x 0 8 x c o s ( 5 3 。+ 口) 一1 0 5 = 4 2 3 8 3 2 1 1 2 c o s ( 5 3 。+ 口1 - 1 0 5 所以当机构到达最高位置时口= + 15 。， l = 4 2 3 8 3 2 1 1 2 c o s ( 1 5 。+ 5 3 。) - 1 0 5 o 2 1 2 m = 2 1 2 m m ( 1 ) 当攻角q 0 。时，得到机构受力分析图如图所示： 盯胬。 f 乙 f f 4 n 图3 1 6q 0 0 时机构分析图 由图3 1 6 可知，液压缸的行程为l = 么b 一彳c 。 彳c = , a 0 2 + c 0 2 2 a o - c o c o s ( a 。+ 口) 所以当机构到达最低位置时口= 一1 5 。， l = 彳b 一彳c = 彳b 一, a 0 2 + c 0 2 2 彳0 c o c o s ( a 。+ 口) = 彳b 一彳d 2 + d d 2 + c d 2 2 a o c o c o s ( a 。+ 口) = 1 0 5 - 4 2 3 8 3 2 1 1 2 c o s ( ( 5 3 。+ 口) ) 所以当口= 一15 。 l = 1 0 5 一2 3 8 3 2 11 2 c o s ( 5 3 。- 15 。) o 2 0 3 m = 2 0 3 m m 第2 8 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 综合上述情况，可以得知液压缸行程范围( - - 2 0 3 ，2 1 2 ) ，即液压缸至少要 有4 1 5 m m 的行程，这里选取液压缸行程为5 0 0 m m 。 3 2 2 驱动元件选择计算 ( 1 ) 受力分析 将其受力情况进行化简，建立如图3 1 7 所示受力模型 图3 1 7a 自由度受力模型 其中已知：= 7 8 0 r a m ，f 2 = 6 2 0 m m ，模型重量g = 5 0 0 0 n ，机构自重g 2 = 8 0 0 0 n ， 最由模型重量g 和机构自重g 2 构成，故 e = g + g 2 = 5 0 0 0 + 8 0 0 0 = 1 3 0 0 0 n ( 3 2 3 ) f ：土只：竺q 1 3 0 0 0 ：5 7 5 7 n 厶+ 1 2 6 2 0 + 7 8 0 为安全起见，取安全系数s 为2 。 故q 自由度驱动液压缸所应具备的驱动力 r = f s = 5 7 5 7 x 2 = 1 1 4 1 4 ( 2 ) 计算液压缸的主要结构尺寸 液压缸无杆腔有效工作面积a 为： 4 ：牟：j 坐肌所2 ：1 2 0 1 聊m 2 鸽一一一一，“，一，l ， 易一昙p 2 1 0 - 0 5 故液压缸内径d 为 。= 浮= 4 x 1 。2 4 0 b 1 聊垅 选取d - - 4 0 m m ，行程5 0 0 m m 查阅资料选择液压缸型号为h s g - 0 1 - - 4 0 2 0 e - - 2 11 l - - 5 0 0 1 2 9 1 。 ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) 3 2 3q 攻角机构仿真运动分析 运用s o l i d w o r k s 软件对q 攻角机构进行运动分析【3 7 】，分别取q 攻角机构运动 第2 9 页 国防科学技术大学研究生院工穰硕士学位论文 动$ 1 j + 1 5 。时和一l j 。液压缸行程均满足设计要求，机构运动灵活，运动中不存在 十涉和碰撞 瓯【管 幽31 8a 攻角机构运动n + i5 。时的位置幽 幽31 9o 攻角机构逛动刮一1 5 0 时的 寺置酗 3 3 b 偏角机构设计 b 偏摆运动机构作为风洞试验系统进给机构巾不可缺少的一部分主要由齿 轮、蜗轮蜗杆、厕锥滚子轴承等零部件实现连续、平稳、精确的回转。1 3 偏摆运 动平台，对于获取试验模型在不同姿态下气动力各种参数，完成整个系统的功能 发挥着重要的作用。 33 1 主要功能及技术指标 目偏摆运动机构主要功能是实现模型在风洞中连续、平稳、精确的回转。其 技术指标为：运动行程约为一5 。5 。，角速度约为0 1 0 。s ，角度定位精度为o l 。 第3 0 页 国防科学技术人学研究生院工程硕士学忸论文 图32 01 3 机构实现原理 其实现原理如图32 0 所示，电机带动齿轮运动，通过齿轮啮合带动蜗杆运动 蜗轮蜗朴啮合运动实现1 3 转台的转动。 卢偏角机构_ 蜓动三维图如图32 l 所示： 圈3 2 1b 偏角机杜j 驱动二维幽 第3 1 页 苇喜 国防科学技术大学研究生院一程硕士学位论文 3 41 锁紧机构的作用和意义 锁紧机构主要用于在风洞试验中姿态调整系统把试验模型送至某一位置后， 将系统的各向进给机构锁紧，从而将模型的空间位置固定，以便进行试验。此外， 锁紧机构还要具各在突然失电或者其他紧急情况出现时，将进给机构锁紧，避免 人身伤亡或者试验模型损坏等事故的发生。风洞试验模型及其试验设备造价都很 昂贵，因此锁紧机构的锁紧需要非常可靠。在n l 洞试验中，锁紧意义重大，不可 忽视。 3 42 锁紧机构锁紧原理 由于大部分机构采用的是液压驱动，为了方便控制保养，锁紧机构也采用液 压锁紧方案。 在本课题中，镄紧机构采用锁紧液压缸，先通过液压推杆的直线运动转变为 锁紧拉杆的偏摆运动，再通过拉杆的偏摆带动拉杆转轴上双头螺柱的螺纹旋向运 动，使积头螺拄对锁紧套两个压板施力，其中双头螺柱具有自锁能力p ”，使锁紧 套变形抱死锁紧支轴，从而达到锁紧的目的。锁紧机构三维图如图32 2 所示： 如图32 3 所示，上转轴职头是由两个旋向相反的螺纹组成，当锁紧拉丰t 受力 时，上转轴双头的两个螺纹线连接的前后锁紧套运动方向相反，使得锁紧套的两 个组成压板要么同时张丌，要么同时央紧。当积头螺柱旋向内时，拉丰1 则会挤压 锁紧套，使锁紧套夹紧锁紧，当双头螺柱旋向外时，拉杆则会解锁锁紧套，使锁 紧套央紧松丌，达到解锁的目的。如图33 4 为转轴职头螺柱剖面图。 幽32 2 锁紧装置三维酗 第3 2 丽 国防科学技术大学研究生院r 程硕f 琦。位论文 jp a “ 锁查 弛撬崔 削32 3 锁紧拉秆转轴示意图 例32 4 转轴删头螺杜削面刚 3 43 锁紧机构液压缸的选型计算 在本节。”需要对姿态调整机构五个自由度的锁紧液压缸进行选型计算，山于 所有的锁紧液压缸的锁紧原理和锁紧运动方式一样，故只需对其中机构的位锁紧 液压缸进行计算和选型，在这晕选择“攻角机构的锁紧液压缸进行分析。 a 攻角机构将在重负荷条件工作，要求机构能够自动锁紧保持当前状态平 稳，无抖动振荡。要保证锁紧的可靠性，为确保锁紧更加可靠，本课题采用双液 压缸传动锁紧。 l 锁紧液压缸推力分析 本机构设计中，液压缸推力是锁紧机构的动力源，下面就各个力的传递过程 束分析液压推轩所需的推力 1 ) 工作台受力分析 工作台主要受力为：模型所受风场力凡，锁紧套产生的摩擦力重力g 。 ( 已知o = 2 0 0 0 0 n ，g = 1 3 0 0 0 n ，= 6 2 0 m m ，l = 1 4 0 0 r 舯，模型等效高度 l 。= 1 0 0 0 m m ) 如图32 5 所示。 第3 3 页 国防科学技术大学研究生院i i 程硕+ 学位论文 f 1 r 一r w 6 2 0l i _ l g 1 4 0 0 o 图3 2 5 工作台受力简化图 由力矩平衡有： f l = e 厶+ g 厶( 3 2 8 ) 得：f = ( e l m + g 厶) = ( 2 0 0 0 0 x 1 0 0 0 + 1 3 0 0 0 x6 2 0 ) 1 4 0 0 2 0 0 4 3n 即锁紧套的摩擦力为2 0 0 4 3 n 。 2 ) 锁紧套受力分析 锁紧套的结构是规则的、对称的，锁紧套受双头螺柱两个大小相等、方向相 反的压力n ，受锁紧支轴正压力等效为两平行于n 且方向相反、大小相等的正压 力n ，垂直向上的摩擦力f ，如图3 2 6 所示则： f = - 2 n ( 3 2 9 ) u = 0 1 5 ，所以= = 2 0 0 4 1 5 x2 6 6 8 1 0 n ( 其中u 取为钢一钢无润滑时的动摩擦因数，u = o 1 5 【3 9 】) 图3 2 6 锁紧套等效受力图 ( f 为锁紧套对锁紧支轴的摩擦力，方向向上) 根据杠杆原理，故螺杆需对锁紧块施加的锁紧力 第3 4 页 国防科学技术大学研究生院工程硕十学位论文 ：忑7 0n ：2 5 9 8 2 n ( 3 3 0 ) 18 0 、 3 ) 双头螺柱受力分析 选择粗牙螺纹m 3 6 双头螺柱螺纹产生的锁紧力n 由驱动力矩t 产生，图示3 2 7 。 图3 2 7 双头螺枉受力图 得 t a i ly ：旦：! 兰兰：0 0 4 1 9 1 ( 3 3 1 ) 万d 2 3 1 4 3 3 4 ( y 为螺纹导程角，n 为旋合扣数，p 为螺距，d 2 为螺纹中径，这里取3 3 4 m m ) 所需驱动力矩 丁= t a n ( 7 + 凤) 冬= 2 5 9 8 2 xo 1 8 x0 , 0 17 = 8 0 n 脚 ( 3 3 2 ) ( 其中t a n 凤：l ：j 坚冬：0 1 4 ，t a i l ( y + p v ) ：竺上掣：o 1 8 ) c o s 口c o s j u l t a n y t a n p ( 厂为螺纹表面滑动摩擦因数，这罩厂= 0 1 2 ，c i 为螺纹牙型半角) 4 ) 上转轴连杆受力分析 上转轴连杆受两个力，分别是双头螺柱压力t ，锁紧拉杆的推力f s 。 ， 图3 2 8 上转轴连杆受力图 如图3 2 8 ，由受力矩平衡有： f s 0 1l = t f 3 3 3 ) 第3 5 页 国防科学技术人学研究生院r 程硕士学位论文 f s = = 8 l l = 7 2 7 n 取安全系数s 为2 则液压缸所需驱动力f o 为 只= f ss = 1 4 5 4 n 2 、计算液压缸的主要结构尺寸 选定工作压力r 为5 m p a a 背压岛0 5 m p a 。 由于锁紧缸是在有杆腔进油时锁紧，故 1 4 n 一觑= ( 33 4 ) ：士：i ! ! ! ! 一：7 2 7 m m 2 ( 3 3 5 ) p l 一岛5 - 0 5 d j 等= j 冬署旬m m b 为了安全起见，这里选取d = 4 0 m m 液压杆实际行程2 0 0 r a m ， 查阅资料选择液压缸型导为y - - h g i 一- 4 0 2 8 x 2 4 0 1 2 9 344 锁紧机构的运动仿真和强度校核 3 4 4 1 锁紧机构的运动仿真 运用s o l i d w o r k s 软件中c o s m o s m o t i o n 功能对攻角机构的锁紧机构进行运动 仿真0 7 洲攻角机构的锁紧机构处于锁紧状态时，得到如图3 2 9 所示图形； h t 一 h l # # o i d j k “ 三蓟“江- 第3 6 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 由图3 2 9 中可以看出攻角机构锁紧时，锁紧液压缸有杆腔进油，锁紧推杆 拉动锁紧拉杆转轴转动，双头螺柱旋转产生锁紧力，从而使锁紧套紧抱锁紧支轴， 来实现锁紧。由图可知锁紧机构的运动能满足要求，各零部件的结构符合设计要 求。 攻角机构松弛时得到图33 0 所示图形： ，* g h g # 一 。；。，! ： i ：i ：i l 瀑；i j 、# # n # # # 7 7 、曩：慧 、 。 旦苫 蚓33 0 攻角机构松弛状态示意幽 由图33 0 中可以看出，攻角机构松弛时，锁紧液压缸的无杆腔进油锁紧推 杆向外运动，推动锁紧拉杆转轴，使双头螺柱向解锁的方向转动，锁紧套松弛， 实现解锁。由图可以看出锁紧机构的运动能满足要求，各零部件的结构符合设计 要求。 3 4 4 2 锁紧套的强度校核 锁紧套是锁紧装置与外界直接作用的部件，锁紧装置通过锁紧套获得外力， 实现锁紧。锁紧套等效示意图如图33 1 ： 图3 3 i 镄紧套等教示意图 利用式3 3 0 得到的数据和运用s o l i d w o r k s 软件中的c o s m o s x p r e s s 功能对 第3 7 页 国防科学技术大学研究生院工科碗士学位论文 表3 2 锁紧套锁紧时受力表 i i i i i ! i i ! i i = ： “m o 。t 配! ! ；i - t 一 t = ： 刿33 2 锁紧套锁紧时受力分析麻力幽解 由上图得： 1 1 锁紧套所受最大应力在锁紧套螺纹连接部位，其值为18 2 8 e + 0 0 8 n 卅2 ， 2 ) 锁紧套所受最小应力在锁紧套和连接a 动平台的上转轴连接部位，其值为 3 3 3 6 e + 0 0 3n m2 。 3 1 材料的屈服力为2 2 0 6 e + 0 0 8 n m 2 ， 4 ) 锁紧套所受晟人应力小于材料的屈服力，在锁紧套处于锁紧状态时不会出 现因为所受应力达到材料的屈服应力而出现的失效，所以满足设计要求。其巾应 力集中点为锁紧套螺纹连接部分，设计以及加工制造时应该多加注意。 第3 8 丽 国防科学技术人学研究生院1 枉硕十学位论文 i ! ! i i i i i i 圈33 3 锁紧套锁紧时受力分析- 何移- 图解 由网33 1 受力分析位移- 图解可知： 1 ) 锁紧套最大变形为o9 3 6 9 m m ， 2 ) 最人变形的位置在安装上转轴双头螺柱的位置， 3 ) 锁紧套的晟小变形为10 0 0 e 一3 0 m m ， 4 ) 位于锁紧套和连接a 动平台的上转轴连接部位， 5 ) 锁紧套安装职头螺柱部位的缝隙为5 m m ，由丁o9 3 6 9 m m ( 5 m m ，所以 锁紧套安装双头螺柱的位置不会由于变形过大而造成锁紧套的两部分压扳贴到一 起从而引导致锁紧失效，因此满足设计要求。 第3 9 页 ”*”“ 一一 国防科学技术大学研究生院i t 程硕十学位论文 3 5 本章小结 本章对风洞试验姿态调整系统的关键机构进行设计，首先对y 向升降机构进 行驱动设计，通过计算得出其灵活驱动的条件，并通计算选择了其驱动液压缸的 型号，设计了驱动回路；其次，对q 攻角机构进行分析，通过计算选择了q 攻角 机构驱动液压缸的型号，并对绘图软件对c t 攻角机构进行了运动分析；最后对锁 紧机构进行设计，包括液压缸选型计算，机构运动仿真，仿真结果表明设计符合 技术要求；最后运用s o l i d w o r k s 软件中的c o s m o s x p r e s s 功能对锁紧套进行应力 分析，分析结果表明锁紧套的强度满足要求。 第4 0 页 国防科学技术大学研究生院j l j 稃硕十学位论文 第四章控制系统设计 风洞姿态调整系统在硬件的基础上配以控制软件，才能完成姿态调整的任务。 控制软件是系统控制、数据处理和人机交换的核心1 4 1 1 。风洞姿态调整系统的硬件 本体和控制软件组成了统一整体，硬件是系统工作的物质基础，质量优良、操作 方便、功能完善的软件是系统高效工作的可靠保证。控制软件控制着系统硬件的 工作，使硬件能够向系统外部传递各种控制信号，或从外部接受测量信号，经计 算机内部处理；其次，控制软件还承担着人机对话，接受操作员输入的操作指令 的任务。 4 1 控制系统技术难点及控制方案 4 1 1 控制技术难点 设计出符合课题要求的控制系统必须解决以下的技术难点： 1 ) 五自由度机构不但自由度个数多，其驱动方式也不完全一样，有液压驱动 和电机驱动，并且各个自由度机构需要的速率差别较大，如何配置控制系统是一 个难题。 2 ) 风洞试验装置的实时性要求较高，收到上位机的指令，机构需迅速做出反 应，协调运行，并能准确定位。因此控制系统必须具有较高的实时性以满足要求。 4 1 2 系统控制方案 本课题要求能够对姿态调整机构的x 、y 、z 、1 2 1 、1 3 五个可控自由度进行控 制以实现在风洞试验系统中试验模型的各种飞行状态的调整。采用以工控机作为 上位机，单片机为下位机，p l c 作为第三级的控制方案。控制方案的控制结构简 图如图4 1 所示 第4 l 页 国防科学技术大学研究生院工程硕十学位论文 手持操作盒 图4 1 系统控制方案图 4 2 控制系统硬件设计 由控制系统方案图4 1 将系统硬件分为四个模块：工控机、现场控制柜、手持 操作盒、系统位置状念检测和执行装置 4 2 1 工控机 工控机主要由机箱、底板、电源、c p u 、内存、键盘、鼠标、显示器等部分 组成。本课题采用研华i p c 6 1 0 p 4 型号工控机，其配置：p e n t i u m 4 c p u 、主频2 8 g h z 、 5 1 2 m ( d d r ) 内存、8 0 g 硬盘、1 7 寸彩色显示器、光驱、使用w i n d o w s x p 操作 系统、如图4 2 所示。 工控机安装在控制室中，其作用是完成试验过程的自动控制的管理功能： 1 ) 向下位机发送命令( 例如，”x 方向从当前位置沿正方向移y y 毫米”、“上 传当前y 方向的位置”、“上传下位机目前的状态”、“上传试验过程的坐标数 据”，等等) ； 2 ) 接收下位机发送来的现场数据( 例如，按一定间隔的某一坐标位置) 。 第4 2 页 国防科学技术人学研究生院工样硕士学何论文 422 现场控制柜 刚4 2 研华6 1 0 p 4 型i 挫机 其内部安装有主控板和町编程控制器。其中主控板上安装着单片机如图43 所 示。图4 4 所示为町编程控制器图片。 圈4 3 主控板 第4 3 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图4 f x 2 n 型可编程控制嚣 4 2 2 1 单片机 在自动方式下根据上位机的指令，向p l c 送出相应信号以驱动各个坐标； 接受碰栅尺和坐标零位开关的信号；定时向控制计算机和手持操作盒中的显示单 片机发送各个坐标信息：根据控制计算机的命令把r a m 中的内容传送给控制计 算机。其原理图如图45 所示。 目u “ 十l i i ( 5 i 囤 _ 二二工 i 2 6 目# m 【 * 群1 嬲 崮4 5f 位机原理创 下位机由以单片机8 0 5 1 f 为核心扩展了1 2 8 k 的r a m 用于存放试验时采样 的数据i 通过c p l d 进行1 0 口的扩展；c p l d 用硬件实现5 路1 6 位的加减计数器， 以记录5 个坐标位置；还设置了一个压控振荡器，用于产生电机的驱动脉冲，该 脉冲输入到c p l d 中。可以根据c p l d 的配置，把该脉冲或c p l d 内部产生的脉 冲输出到驱动器阻驱动电机。8 0 5 l f 不用扩展，提供2 6 路位寻址的输出。 第4 4 页 国防科学技术大学研究生院t 程硕十学位论文 4 2 2 2 可编程控制器 p l c 系统的基本组成如图4 6 所示。 电源 皇 j 皇 c p u 输| ：、输 w ! 运算器i 。出l 一一婶一 - 舡。j 入 一装：一 一脚 装 一晰一 置 f 控制器| 置l l j j ! 一i 一 外! 外 存储器 ：部 n - o 叠 扩 ? 设 oe p r o mr o m 展 备 接 ( 系统程序)( 用厂，程序) ：接 口 一 ! n ! ! 图4 6p l c 系统的基本组成 p l c 采用循环扫描的工作方式，其扫描过程如图4 7 所示。当p l c 处于停 ( s t o p ) 状态时，只进行内部处理和通信服务操作等内容。在p l c 处于运行( r u n ) 状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫 描工作【4 2 1 。 本系统采用三菱公司生产的f x 2 n 型p l c 4 3 1 ，其功能特点如表4 1 所示。 表4 1f x 2 n 型p l c 功能 内置式2 4 v 直流电源2 4 v 、4 0 0 m a 直流电源供应外部设备如传感器等 快速断开端子块 采川了优良的可维护性快速断开端子快，即使接着电缆也可以 更换单元 时钟功能实时时钟标准，时间设置和比较指令易丁操作 持续扫描功能 可根据应用要求的持续扫描时间米定义操作周期 输入滤波器凋1 j 功能可以输入滤波器平整信号 注释记录功能 元件注释可以记录在程序寄存器中 运行期间改变程序的功能在线改变程序不会损火i ：作时间或停l ：生产运转 内置式r u n s t o p 开关 容易操作的面板上运行停i ：开关 远程维护功能通过电话线可以监测、上载或卸载程序和数据剑编程软件 密码保护功能使川一个八位数字密码保护程序 p l c 功能：输出控制信号控制电磁阀和电机，产生x 、y 、z 、a 、1 3 五个坐 标的运动；接收各坐标方向的限位丌关的信号，保证各方向不超出行程；在手动 方式下，接收手持操作盒的指令，对各坐标进行手动调整；在自动方式下，接收 下位机的指令，对各坐标进行运动输出；分别向手持操作盒和下位机报告各种报 第4 5 页 国防科学技术大学研究生院l t 程硕十学位论文 警信息( 如，某一坐标的限位开关已压下) ；向下位机报告操作面板处于手动还 是自动状态。 4 2 3 手持操作盒 图4 7p l c 循环扫描l ：作方式 1 ) 波段丌关( 3 个) ： 坐标选择波段开关：选择x 、y 、z 、a l f a 、b e t a 坐标中的一个坐标作为手持操 作盒上的位置显示单坐标，同时作为手动时的手动调整坐标； b e i t a 轴速度选择波段开关：分为六档； 模式选择开关：手动自动回零三种模式选择。p l c 要把该丌关的状态告诉下 位机( 单片机) 。 2 ) 丌关按钮 手动自动按钮：进行手动和自动方式的切换； 回零按钮：在回零模式下，该按钮才有效，其它方式下无效；在回零模式下， 按下该按钮，下位机控制“坐标选择波段开关”所选择坐标以“慢进”方式向正 方向移动，当碰到零位开关时，将相应的坐标计数器清零，这就是该坐标方向的 第4 6 页 国防科学技术大学研究生院r ：程硕十学位论文 绝时0 点。 锁紧按钮：在自动状态下， 段开关所选择坐标被锁紧； 松开按钮：在自动状态下， 段开关所选择坐标被松开； 该按钮无效；在手动状态下按下该按钮，被波波 该按钮无效；在手动状态下按下该按钮，被波波 前进按钮：在自动状态下，该按钮无效；在手动状态下按下该按钮，被波波 段开关所选择坐标向正方向移动；p l c 逻辑确保在“锁紧状态 下该按钮无效； 后退按钮：在自动状态下，该按钮无效；在手动状态下按下该按钮，被波波 段开关所选择坐标向负方向移动；p l c 逻辑确保在“锁紧状态”下该按钮无效 快进慢进选择开关；在自动状态下，该开关无效；在手动状态下，与坐标选 择波段开关结合，确定该坐标是快进还是慢进。 3 ) 指示灯 五个坐标限位报警指标灯：指标灯亮，说明相应坐标已限位。 4 2 4 执行和位置状态检测装置 1 ) 电磁阀( a c 2 2 0 v ) ：用于x 、y 、z 、q 四个方向的快慢速驱动以及锁紧 装置的松开、夹紧、，b e t a 轴锁紧装置的松开与夹紧； 2 ) 伺服电机：用于b 偏角机构的驱动； 3 ) 限位丌关：用于各方向限位控制，保证安全； 4 ) 坐标零位丌关：用于每次重新上电后确定各坐标的绝对零点； 5 ) 磁栅尺：0 1 m m 分辨率，用于测量每个方向的运动坐标位置；5 个坐标方 向共有5 条磁栅尺，每条尺都提供两路正交脉冲信号，经过电路辨向和4 分频后， 分辨率为0 0 2 5 m m ( 对于角度测量，0 0 2 5 m m 指弧长) 。磁栅尺信号通过电缆直 接将信号传送给下位机。 4 3 控制系统软件设计 控制系统软件设计包括上下位机软件设计，以及p l c 程序设计。 4 3 1 上位机和下位机之间的通信协议 上下位机的通信是整个系统运行的重要保证，本课题采用r s 2 3 2 串行通信标 准来设计上下位机通信协议。r s 2 3 2 串行通信标准具有实现简单，传输可靠，成 本低等优点，是目前应用最广泛的通信标准【4 4 】。 通信协议在串口通信编程中的实现，就是如何处理数据包，即发送时如何根 第4 7 页 国防科学技术大学研究生院t 程硕十学位论文 据通信协议对数据进行“打包”，接收时如何对接收到的数据信息“拆包”，并 取出自己想要的数据信息1 4 引。 图4 8 所示为通信控制框图。 图4 8 上下位机通信控制框图 上位机与下位机通信的数据格式( 一个数据包含有1 4 个字节) ：1 个起始字 节，1 个命名字节，9 个信息字节( 包含一个符号字节) ，2 个校验字节，一个结 束字节。其数据包格式如下如图4 9 所示。 起始7 节f e校验。节 l 0 10 20 30 40 50 60 70 80 91 0l l1 21 31 4 命令j 节 信息! 节 图4 9 上。卜位机通信数据包格式 其通信协议命令字节含义见表4 2 ： 表4 2 命令字节表 结束节f f 标志字含义方向备注 0 x o l ： 表示b e t a ( 1 ) 轴选择舣向 0 x 0 2 ： 表示a l f a ( 2 ) 轴选择双向 0 x 0 3 ： 表示x ( 3 ) 轴选择舣向 0 x 0 4 ： 表示y ( 4 ) 轴选择舣向 0 x 0 5 ：表示z ( 5 ) 轴选择双向 0 x 0 6 ： 表示急停去单片机 0 x 0 7 ：表不升殳茴米样 玄单片机 0 x 0 8 ： 返同运行完成去：i ：控机 第4 8 页 国防科学技术大学研究生院t 程硕+ 学位论文 o x 0 9 ：全部置零玄单片机 0 x 1 9 ：1 轴置零 去单片机 0 x 2 9 ：2 轴置零去单片机 0 x 3 9 ：3 轴置零 去单片机 0 x 4 9 ：4 轴置零去单片机 0 x 5 9 ： 5 轴置零去单片机 0 x o a ：是否自动状态 去j ：控机自动状态：符号字节为0 x 0 0 同零状态：符号字：1 了为0 x 0 1 手动状态：符号字节为0 x 0 2 0 x 0 b ： 是否有限位开关启动去j 【：控机 朱启动，符号字r i i ，为0 x 0 0 ， 启动，符号字节为0 x 0 f 0 x 0 c ： 返同同零完成玄丁控机，单 片机 0 x 0 d ：返同止在运行回零 去一1 ：控机，单 片机 表中方向为双向的表示数据包的发送是双向的。 4 3 2 上位机软件设计 该控制软件采用v i s u a lc + + 6 0 作为丌发工具。v i s u a lc + + 是汇集m i c r o s o f t 公 司技术精华的主流产品。它最重要的特征是提供了m f c 类库，封装了w i n d o w sa p i 接口函数，并建立了应用程序框架，使程序开发人员可以将主要精力集中在所要 解决的问题上m 引。在软件的编调过程中，应用了参考文献 4 7 、 4 8 、【4 9 】中的相 关内容。 4 3 2 1 软件功能需求分析 控制软件的功能是结合硬件电路和液压油路控制机构的五个自由度按指定动 作运动。下面分析控制软件需要实现的功能。 1 姿态调整机构在实际运行时有自动运行和手动控制两种运行方式。当用户 选择手动控制方式时，能够对模拟工作台进行连续运动和点动运行控制。当用户 选择自动控制方式时，用户需输入需要行走的方向、速度和距离，点击运行后模 拟工作台能够模拟实际机构按用户要求运动。 2 在风洞试验中姿态调整机构把试验模型送至某一位置后，需要将机构的各 向进给机构锁紧从而固定模型姿态，同时锁紧装置在机构运行发生意外时进行保 护。因此控制软件需对模拟工作台进行锁紧、松开的控制。 3 实际机构的每个自由度都有两种速度选择，因此，控制软件还需对模拟工 作台进行速度选择状态的模拟。 第4 9 页 国防科学技术大学研究生院t 程硕十学位论文 4 为了将模型准确送入风洞的试验位置，系统必须实时控制各个自由度的位 置，并将其位置坐标显示在屏幕上。因此本控制软件要求能够正确处理各自由度 传感器的信号，并将位移量和角位移量准确显示在软件的界面上。 4 3 2 2 上位机软件结构设计和操作流程 根据上述姿态调整机构控制软件的功能需求分析；可以初步确定该控制软件 的功能模块的组成，如图4 1 0 所示。 控制软件主要由主界面模块、运动模式设置模块和系统参数设置模块几部分 组成。主界面模块主要显示系统信息、各自由度工作状态和位置，对各自由度进 行简单的手动控制，通过主界面进入其他两个子界面，另外，在主界面罩还能对 系统整体控制进行控制。运动模式设置模块主要负责对自由度运动模式的设置， 在运动模式设置界面里能够选择运动速度，进行手动控制和自动控制。系统参数 设置模块主要负责输入工件模型的尺寸，设置软件限位以及设置文件存放路径。 图4 1 0 软件的功能模块 系统软件操作流程如图4 11 所示 第5 0 页 国防科学技术火学研究生院 ：程硕十学位论文 图4 1 1 软件操作流程 4 3 2 3 主界面设计 本控制系统的主界面应用于上位机，实现上位机对姿态调整系统的运行过程 进行可视化的数据采集和数据管理，并对其机构运行过程和状态进行控制，产生 限位报警。 利用v i s u a lc + + 6 0 软件开发主界面。主界面