直線伺服系統(tǒng)在彈翼張開氣動(dòng)特性研究中的應(yīng)用

摘 要:本文介紹了在彈翼張開氣動(dòng)特性研究中直線伺服系統(tǒng)（主要包括寶德六軸控制卡、Copley直線伺服、光柵尺）的實(shí)際應(yīng)用情況，簡述了彈翼張開的控制要求及風(fēng)洞導(dǎo)彈模型彈翼張開的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能的實(shí)現(xiàn)。如：最大速度、最大加速度、跟蹤精度、定位精度、運(yùn)行平穩(wěn)度等重要指標(biāo)。分析了該直線伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)及在風(fēng)洞應(yīng)用中應(yīng)注意的問題，對直線伺服系統(tǒng)在風(fēng)洞研究中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：直線伺服;電機(jī);光柵;尺動(dòng)態(tài)采集;彈翼張開
引 言
　　直線電動(dòng)機(jī)在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，近幾年來已在世界得到重視，并在西歐工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)掀起“直線電動(dòng)機(jī)熱”。直線電動(dòng)機(jī)無需將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)為線性運(yùn)動(dòng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單可靠，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，無齒槽效應(yīng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、慣量小，加速度可達(dá)20g，結(jié)構(gòu)緊湊，可選配直線編碼器做高精度位置控制，其位置精度取決于所選編碼器。根據(jù)彈翼張開氣動(dòng)特性研究進(jìn)行彈翼剪式展開試驗(yàn)的要求，在試驗(yàn)過程中兩片彈翼應(yīng)該在250ms～ls的時(shí)間內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)90o，需要設(shè)計(jì)一套控制彈翼張開的方案來滿足這一要求[1]。本文介紹了采用Copley直線伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)彈翼張開的方案。
1 系統(tǒng)的構(gòu)成
　　彈翼張開機(jī)構(gòu)的直線伺服系統(tǒng)由直線伺服電機(jī)TB2506、Copley伺服控制器、寶德控制卡、光柵尺、直流電源、控制算機(jī)等組成。控制算機(jī)主要進(jìn)行程序的編寫下載及系統(tǒng)運(yùn)行中的狀態(tài)顯示，5um精度的光柵尺進(jìn)行位置反饋把反饋信號輸至Copley伺服控制器，Copley伺服控制器閉環(huán)控制直線電機(jī)進(jìn)行位置模式的動(dòng)作，需要時(shí)計(jì)算機(jī)也可通過ILS232串口設(shè)置伺服控制器。Copley伺服控制器再輸出一路信號給寶德卡，寶德卡通過RS232將信號傳輸給PC通過程序進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)的顯示，寶德卡將預(yù)先設(shè)定的位置指令（本例中為脈沖）發(fā)送給伺服控制器進(jìn)行位置模式的彈翼張開機(jī)構(gòu)控制。運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)彈翼的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)90～和彈翼轉(zhuǎn)動(dòng)角度的無級調(diào)節(jié)，并可以實(shí)現(xiàn)彈翼展開前、后的鎖緊。

1．1 直線伺服電機(jī)
　　由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽绲南拗疲瑢φ讬C(jī)構(gòu)的尺寸做出了嚴(yán)格的限制，也對動(dòng)力系統(tǒng)做出了幾何尺寸上的要求。彈翼張開風(fēng)洞試驗(yàn)研究的整套彈翼張開機(jī)構(gòu)連同驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)該能夠裝入彈腔內(nèi)（直徑67ram的圓柱空間）[2]，由于管狀直線伺服電機(jī)可以直接替換螺桿、滾珠絲桿、凸輪、液壓和氣動(dòng)傳動(dòng)的裝置，它具有以下特點(diǎn)：低慣量、低或無背隙、無齒槽效應(yīng)、精度高、驅(qū)動(dòng)效率高、高響應(yīng)速度和加速度、運(yùn)動(dòng)極其平穩(wěn)可靠、體積緊湊安裝較容易、單一運(yùn)動(dòng)部件維護(hù)費(fèi)用小、適應(yīng)環(huán)境范圍廣、壽命長。電機(jī)可配備直線光柵尺記錄彈翼張開角度，保證運(yùn)動(dòng)的高準(zhǔn)確性。通過控制伺服電機(jī)的行程，便可實(shí)現(xiàn)彈翼張開角度的變化。伺服電機(jī)又可實(shí)現(xiàn)彈翼張開前后的自動(dòng)鎖緊，這都將給試驗(yàn)帶來較大的方便。整套電機(jī)組件均可直接裝在導(dǎo)彈模型空腔內(nèi)，作為高速風(fēng)洞試驗(yàn)彈翼張開動(dòng)力系統(tǒng)，選擇了Copley公司的直線伺服電機(jī)TB2506。
　　電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：最大速度9．7m／s；瞬時(shí)最大加速度620m／s／s；額定功率為62．5W；額定電壓96V；額定電壓下動(dòng)慣量：34gcm2；輸出軸直徑：25ram；電機(jī)寬度：68ram；[3]（在使用中進(jìn)行了簡單的修形，以便裝人模型內(nèi)腔。）

　　經(jīng)過地面調(diào)試該驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)距能滿足試驗(yàn)的需要，彈翼在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能順利的打開，其運(yùn)行對天平的測量沒有產(chǎn)生不利影響，具有易于自動(dòng)控制、機(jī)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。通過控制直線伺服電機(jī)的行程，即可實(shí)現(xiàn)彈翼張開角速度的變化和彈翼轉(zhuǎn)角的無級調(diào)節(jié)。
1．2 Copley伺服控制器
　　Copley伺服控制器可直接調(diào)用TB系列電機(jī)的參數(shù)便于控制參數(shù)的調(diào)整，下圖給出本系統(tǒng)應(yīng)用的參數(shù)設(shè)置主界面，其中位置數(shù)字信號由寶德卡發(fā)送，速度環(huán)及電流環(huán)參數(shù)可在伺服電機(jī)帶載情況下由控制器軟件CME2自動(dòng)設(shè)定。位置環(huán)經(jīng)過常規(guī)的計(jì)算，通過靜態(tài)調(diào)試選定合適的位置環(huán)參數(shù)，將參數(shù)下載到控制器中，這里就不詳細(xì)介紹了。
　　光柵尺使用的是RENISHAW的RG24型，讀數(shù)頭精度為Sum，由于行程只有50mm，購買了80mm的柵尺。寶德卡為NextMoveES智能型六軸運(yùn)動(dòng)控制卡，控制軟件采用Work—Bench v5。

2 直線伺服電機(jī)優(yōu)點(diǎn)
　　在系統(tǒng)中，采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與原旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的最大區(qū)別是取消了從電動(dòng)機(jī)到彈翼之間的許多中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把彈翼張開傳動(dòng)鏈的長度縮短。正由于這種方式，帶來了原旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)和一定優(yōu)點(diǎn)。為說明問題比較一下兩種電機(jī)在彈翼張開中的應(yīng)用情況。
　　
　　圖三是彈翼張開課題研究時(shí)的方案，圖四為某型號的彈翼張開機(jī)構(gòu)方案。
　　直線伺服電機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)如下：
2．1 高速響應(yīng)
　　由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的如減速機(jī)、絲桿等機(jī)械傳動(dòng)件，使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高，反應(yīng)異常靈敏快捷。旋轉(zhuǎn)電機(jī)時(shí)的方案彈翼打開（O°到90°）最短時(shí)間做到0．3秒，且電機(jī)及傳動(dòng)鏈的齒槽效應(yīng)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有不利的影響。直線電機(jī)方案做到0．18秒。
2．2 精度
　　直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取消了由于減速機(jī)、絲桿等機(jī)械機(jī)構(gòu)引起的傳動(dòng)誤差，減少了插補(bǔ)時(shí)因傳動(dòng)系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，大大提高了定位精度，小于1‘ 。旋轉(zhuǎn)電機(jī)方案由于傳動(dòng)誤差的存在且彈翼角度不能直接測量，所以精度很難控制。
2．3 動(dòng)剛度高
　　直接驅(qū)動(dòng)避免了啟動(dòng)、變速和換向時(shí)因中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的彈性變形、磨損和反向間隙造成的運(yùn)動(dòng)滯后現(xiàn)象，可有效提高傳動(dòng)剛度。
2．4 速度快、過渡過程短
　　由于零傳動(dòng)的高速響應(yīng)性，使其過渡過程大大縮短。以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)時(shí)瞬間達(dá)到高速，高速運(yùn)行時(shí)又能瞬間準(zhǔn)停。最大加速度一般可達(dá)（2～10）g（g=9．8m／s2），Copley公司的直線伺服電機(jī)TB2506可達(dá)到20g，而滾珠絲桿傳動(dòng)的最大加速度只有（0．1～O．5）g。
2．5 安靜、噪音低
　　由于取消了傳動(dòng)絲杠等部件的機(jī)械摩擦，且導(dǎo)軌又可采用滾動(dòng)導(dǎo)軌或磁懸浮導(dǎo)軌（無機(jī)械接觸），其運(yùn)動(dòng)時(shí)噪音將大大降低。
3 應(yīng)用中應(yīng)注意事項(xiàng)
　　由于直線伺服系統(tǒng)沒有旋轉(zhuǎn)電機(jī)應(yīng)用中的減速機(jī)、絲杠等機(jī)械傳動(dòng)件，其力矩的選擇要留出一定的系數(shù)以保證機(jī)構(gòu)的可靠運(yùn)行。直線伺服的推桿（永磁體）磁力大易導(dǎo)致磁化效應(yīng)，應(yīng)避免易磁化的物件接近，電機(jī)的緊固件盡可能采用非鐵磁性的材料。
4 風(fēng)洞導(dǎo)彈模型彈翼張開的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能的實(shí)現(xiàn)
　　動(dòng)態(tài)試驗(yàn)：在吹風(fēng)中調(diào)入電機(jī)的相對零位、根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況確定下一位置所對應(yīng)的位置指令、通過控制計(jì)算機(jī)發(fā)送給寶德卡，寶德卡再發(fā)送信號給伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器按指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行指定的動(dòng)作。同時(shí)動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)采集光柵信號、主天平的電壓信號，天平信號通過信號調(diào)理電路濾掉交流雜波、經(jīng)過放大、采樣、A／D轉(zhuǎn)換、送給采集計(jì)算機(jī)進(jìn)行后臺處理，計(jì)算出彈翼及彈體所受的力和力矩。光柵信號經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成彈翼的轉(zhuǎn)角。
　　靜態(tài)試驗(yàn)：在風(fēng)洞吹風(fēng)前調(diào)入電機(jī)的相對零位、根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況確定下一位置所對應(yīng)的位置指令、通過控制計(jì)算機(jī)發(fā)送給寶德卡，寶德卡再發(fā)送信號給伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器按指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行指定的動(dòng)作。采取位置環(huán)反饋參數(shù)加大的辦法鎖緊彈翼。通氣吹風(fēng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集用VXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集天平力。
5 結(jié)束語
　　直線伺服系統(tǒng)在彈翼張開氣動(dòng)特性研究中是成功的，經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)也可應(yīng)用在動(dòng)導(dǎo)系統(tǒng)及低速風(fēng)洞的進(jìn)氣道走錐系統(tǒng)中以簡化原有方案。