CN107678387A - 一种高精度柔板型面控制系统 - Google Patents

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赵航
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Abstract

一种高精度柔板型面控制系统，包括上、下柔板、上、下多组执行机构、上、下型面控制子系统，型面保护系统主控计算机，上、下柔板分别与上、下多组执行机构连接，上、下多组执行机构分别与上、下型面控制子系统电信号连接，上、下型面控制子系统、型面保护系统分别与主控计算机连接，上、下柔板的背面布置了多个铰链支撑点，每个铰链支撑点与执行机构相连；上、下型面控制子系统控制上、下执行机构同步耦合运动从而驱动上、下柔板变形，保证上、下柔板型面曲线的控制，实现上、下执行机构定位精确定位。能够对柔壁喷管型面进行高精确控制，该系统可实现M1.0～M4.0之间任意马赫数型面精确定位控制。

Description

一种高精度柔板型面控制系统
技术领域
本发明属于航空气动力风洞试验技术领域，具体涉及一种高精度柔板型面控制系统。
背景技术
风洞是研究先进高速飞行器空气动力特性不可缺少的最重要的试验设备。用于将气流速度由亚声速加速到超声速的喷管作为风洞的关键部段。
目前风洞喷管主要使用固块型式，它具有气流品质好，流场重复精度高的特点。但因每个马赫数均需一付对应的喷管，风洞造价高，运行效率低。因此，采用技术更先进的柔壁喷管代替固块喷管，具有较宽的马赫数的调节范围，并可得到较好的流场品质，能够大幅提高风洞试验的柔性和效率，降低风洞试验的费用。
柔壁喷管指的是多支点柔喷管，为二维形状，左右侧壁板平行，上下柔板对称布置。柔板由喷管进口端一直延伸到喷管出口端并加以固定，在入口端可以滑动以适应柔板弯曲时长度和斜率的变化。马赫数的改变是通过控制柔板的型面来完成的。其中柔板是一种弹性合金板，在柔板的背的气流面上布置许多铰链支撑点并与执行机构相连，实验时通过对该执行机构进行控制，从而使柔板形成不同的型面，进而可以产生不同试验马赫数(Ma＝1～4)的喷管性型面，保证试验要求的马赫数和气流均匀度。并且在风洞运行应使柔板在气动载荷的作用下其弹性曲面的斜率变化最小，以保证在试验段内得到所要求的马赫数的均匀流场。因此型面控制精度直接影响着风洞流场品质，是风洞获得可靠试验数据的基本保障。
目前已有的生产型风洞多支点全柔壁喷管均采用液压伺服控制方式作为柔板的执行机构，用机械方法预置凸轮来实现柔板的位置控制，采用摆动式铰链点，想获得每个马赫数的最佳喷管形状是很困难的，液压伺服控制方式存在响应速度慢、同步性差、日常维护量大及环境因素限制等影响。以及存在漏油的风险，而且采用触点式的机电装置做为柔板的曲率保护装置，结构复杂，精度低。目前同步控制多采用主从方式控制，可使从轴运动精确跟踪主轴运动，该控制方式在工业上得到了广泛应用和相关改进，如相邻耦合同步控制和相关耦合同步控制，但该方式复杂且适应性较差，尤其在柔板型面改变这样的重载不平衡的工况下更是如此。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种高精度柔板型面控制系统，能够对柔壁喷管型面进行高精确控制，该系统可实现M1.0～M4.0之间任意马赫数型面精确定位控制。
本发明采用的技术方案是：一种高精度柔板型面控制系统，包括上、下柔板、上、下多组执行机构、上、下型面控制子系统，型面保护系统主控计算机，上、下柔板分别与上、下多组执行机构连接，上、下多组执行机构分别与上、下型面控制子系统电信号连接，上、下型面控制子系统、型面保护系统分别与主控计算机连接，
所述的上、下柔板的背面布置了多个铰链支撑点，每个铰链支撑点与执行机构相连；
所述的上、下执行机构包括伺服电机、2个螺旋升降机、多圈绝对值编码器、T型减速器、多个限位开关、固定梁；2个螺旋升降机、伺服电机和T型减速器分别固定安装在固定梁上，每个螺旋升降机的一侧输入轴上安装有多圈绝对值编码器，每个螺旋升降机上安装有限位开关，伺服电机与T型减速器连接，T型减速器的两侧分别与两个螺旋升降机连接，限位开关通过I/O与主控计算机连接；
所述的上、下型面控制子系统包括上、下柔板驱动柜，上、下柔板驱动柜分别电信号连接上、下多组执行机构；所述的上、下柔板驱动柜包括多组嵌入式控制器、多组伺服驱动器，嵌入式控制器和伺服驱动器电信号连接，伺服驱动器与伺服电机电信号连接，嵌入式控制器、伺服驱动器、伺服电机、螺旋升降机和多圈绝对值编码器采用位置闭环控制；
所述的型面保护系统包括多个应变片和应变测试仪，多个应变片依次粘贴在上、下柔板上，多个应变片和应变测试仪电信号连接，应变片采集柔板应力，当应力超过设定值，应变测试仪发出报警信号上传到主控计算机；
上、下型面控制子系统控制上、下执行机构同步耦合运动从而驱动上、下柔板变形，保证上、下柔板型面曲线的控制，实现上、下执行机构定位精确定位；
所述的主控计算机安装有型面控制软件，向型面控制子系统发送运动位置指令、获取上、下执行机构的运动信息，实时监测型面保护系统采集到的上、下柔板应力值。
本发明还具有如下技术特征：通过所述的型面控制软件选择马赫数设定指令，生成马赫数对应的上、下执行机构命令位移量，同时将其马赫数曲线显示在型面控制软件上，型面控制软件从型面控制子系统中读取型面的当前位移、扭距数据并实时显示在型面控制软件上，型面控制软件将计算出的各组执行机构运动的位移量、传动比、运行速度通过以太网发给型面控制子系统中的嵌入式控制器，嵌入式控制器通过EtherCat的总线下发给所有伺服驱动器从而控制伺服电机，驱动所有的执行机构同步耦合运动，从而驱动上、下柔板变形，型面保护系统实时监测采集上、下柔板应力值，当应力值超出设定值时，所有伺服电机停止运行，并向主控计算机发出报警信息；型面控制子系统实现所有执行机构的精确定位；同时型面控制软件还对来自型面控制子系统中的状态数据进行处理；当所有螺旋升降机到达预定位完成后，伺服电机停止运动，通过伺服电机上的制动器实现柔板喷管型面的锁紧；一旦系统运行失常触发限位开关时，停止伺服电机运动。
本发明优点及有益效果如下：
(1)本系统实现了M1.0～M4.0各马赫数喷管的高精确型面控制；
(2)本定位精度小于0.1mm；重复定位精度小于0.1毫米；
(3)本系统实现了相邻马赫数型面的调节时间小于5分钟，由原来的固块喷管更换时间需要1个小时缩减到现在的5分钟以内，大大提高了风洞试验效率；
附图说明
图1是本发明的系统整体示意图；
图2是本发明的执行机构示意图；
图3是本发明的型面保护系统示意图；
图4是本发明的型面控制子系统组成原理图；
图5是本发明的多电机的同步耦合控制示意图；
图6是本发明的型面控制软件界面。
具体实施方式
下面根据附图举例对本发明做进一步说明：
实施例1
如图1-4所示，一种高精度柔板型面控制系统，包括上、下柔板16、上、下多组执行机构1、上、下型面控制子系统2，型面保护系统3主控计算机，上、下柔板分别与上、下多组执行机构1连接，上、下多组执行机构1分别与上、下型面控制子系统2电信号连接，上、下型面控制子系统2、型面保护系统3分别与主控计算机13连接，其特征在于：
所述的上、下柔板的背面布置了多个铰链支撑点，每个铰链支撑点与执行机构相连；
所述的上、下执行机构1包括伺服电机5、2个螺旋升降机6、多圈绝对值编码器7、T型减速器8、多个限位开关9、固定梁10；2个螺旋升降机、伺服电机5和T型减速器8分别固定安装在固定梁10上，每个螺旋升降机6的一侧输入轴上安装有多圈绝对值编码器7，每个螺旋升降机6上安装有限位开关9，伺服电机5与T型减速器8连接，T型减速器8的两侧分别与两个螺旋升降机6连接，限位开关通过I/O与主控计算机13连接；
所述的上、下型面控制子系统2包括上、下柔板驱动柜，上、下柔板驱动柜分别电信号连接上、下多组执行机构1；所述的上、下柔板驱动柜包括多组嵌入式控制器14、多组伺服驱动器15，嵌入式控制器14和伺服驱动器15电信号连接，伺服驱动器15与伺服电机5电信号连接，嵌入式控制器14、伺服驱动器15、伺服电机5、螺旋升降机6和多圈绝对值编码器7采用位置闭环控制；
所述的型面保护系统3包括多个应变片11和应变测试仪12，多个应变片11依次粘贴在上、下柔板上，多个应变片11和应变测试仪12电信号连接，应变片采集柔板应力，当应力超过设定值，应变测试仪发出报警信号上传到主控计算机13；
上、下型面控制子系统2控制上、下执行机构1同步耦合运动从而驱动上、下柔板变形，保证上、下柔板型面曲线的控制，实现上、下执行机构1定位精确定位；
所述的主控计算机13安装有型面控制软件，向型面控制子系统2发送运动位置指令、获取上、下执行机构1的运动信息，实时监测型面保护系统3采集到的上、下柔板应力值。
通过型面控制软件4选择马赫数设定指令，生成马赫数对应的上、下执行机构1命令位移量，同时将其马赫数曲线显示在型面控制软件4上，型面控制软件4从型面控制子系统2中读取型面的当前位移、扭距数据并实时显示在型面控制软件4上，型面控制软件4将计算出的各组执行机构运动的位移量、传动比、运行速度通过以太网发给型面控制子系统2中的嵌入式控制器14，嵌入式控制器14通过EtherCat的总线下发给所有伺服驱动器15从而控制伺服电机5，驱动所有的执行机构1同步耦合运动，从而驱动上、下柔板变形，型面保护系统2实时监测采集上、下柔板应力值，当应力值超出设定值时，所有伺服电机5停止运行，并向主控计算机13发出报警信息；型面控制子系统2实现所有执行机构1的精确定位；同时型面控制软件4还对来自型面控制子系统2中的状态数据进行处理；当所有螺旋升降机6到达预定位完成后，伺服电机5停止运动，通过伺服电机5上的制动器实现柔板喷管型面的锁紧；一旦系统运行失常触发限位开关时，停止伺服电机运动。
实施例2
执行机构工作原理为通过交流伺服驱动系统控制螺旋升降机的行程，螺旋升降机移动行程由多圈式绝对光电编码器反馈；当所有螺旋升降机到达预定位完成后，通过伺服电机的制动器实现柔板喷管型面的锁紧。
上、下柔板工作时，为调整柔板型面符合风洞吹风所需的马赫数的形状，需要执行机构对柔板进行变形调节，使之符合所要求的马赫数型面曲线形状。为保证柔板变形过程中材料应力值不超过屈服强度极限而发生永久性变形，损伤柔板。
当过变形超过设定值时，它的应力会超过设定值。配置了东华的DH3820应变测试仪，它通过贴在上、下柔板上的应变片采集系统的应力，当应力会超过设定值，数采系统按约定通过网络送出报警信号到主控计算机。主控计算机接到报警之后发出信号到型面控制子系统，型面控制子系统控制这组柔板上的所有伺服电机的停止工作，确保设备的安全。并显示报警信号。
主控计算机：系统的管理计算机，采用台式PC计算机。各个电机伺服控制系统的参数调节、电机伺服控制系统的指令生成、柔壁状态的实时显示、数据通讯等功能。
在柔板运动控制过程中，执行机构的正常调节方式为：从前一马赫数变化到另一马赫数型面，各个执行机构按照运行时间相等的原则同时启动、同时到位、匀速运动、加(减)速时间均相等，运行过程中的任意时刻，柔板必须平稳，无超出设定范围应力，各个执行机构实际行程与总行程之比应相等。
如图5所示，柔板成型过程中，所有控制执行机构运动的伺服电机需同步运行，否则当任意相邻的螺旋升降机运动不协调时，轻则影响成型精度，重则损坏连接部件，甚至是柔板。因此柔板的多轴运动的同步性及抗干扰性方面的特殊要求。控制系统采用基于EtherCat的总线控制，设计了一种基于虚拟主轴、电子齿轮的多电机同步耦合控制方法，‘电子齿轮箱’一个主动齿轮带动多个从动齿轮。在控制计算机中定义一组需同步工作的电机伺服控制通道，在这一组同步控制电机中，首先指定一个主通道和若干个从通道，然后定义主从通道之间的传动比，传动比可根据各通道到达终点的位置确定。从通道位置等于传动比乘主轴位置加上偏移量。定位过程中各从通道的位置、速度和加速度受控于主通道。主通道采用“虚拟主轴”对不连接实际电机的主轴称为“虚拟主轴”这样只要给主通道发指令从通道就会根据传动比自动跟随主通道运行的控制方法，实现执行机构的多轴同步耦合控制。
系统为保证柔板运行过程中的安全，交流永磁电机伺服控制系统设置跟随误差为0.1mm,当有一个伺服轴无论什么原因，只要超差，超限则全部伺服电机停止运动。
柔板运行过程中也对伺服电机的输出扭矩进行实时监测，当某个伺服电机输出扭矩大于安全保护限时，此伺服电机停止运动，由于跟随误差保护，则其他伺服轴也停止运动，报错。并有故障状态。
如图6所示，型面控制软件包括M数型面编辑软件、型面调节及显示软件和关键数据报警处理软件。M数型面编辑软件用于设置不同M数的型面，型面通过设置电机需要移动的行程定义。型面参数定义完成后以数据库的方式存放.型面调节在型面选择、调节时间设置完成后，在软件的管理下自动完成。

Claims (2)

1.一种高精度柔板型面控制系统，包括上、下柔板、上、下多组执行机构(1)、上、下型面控制子系统(2)，型面保护系统(3)主控计算机，上、下柔板分别与上、下多组执行机构(1)连接，上、下多组执行机构(1)分别与上、下型面控制子系统(2)电信号连接，上、下型面控制子系统(2)、型面保护系统(3)分别与主控计算机(13)连接，其特征在于：
所述的上、下柔板的背面布置了多个铰链支撑点，每个铰链支撑点与执行机构相连；
所述的上、下执行机构(1)包括伺服电机(5)、2个螺旋升降机(6)、多圈绝对值编码器(7)、T型减速器(8)、多个限位开关(9)、固定梁(10)；2个螺旋升降机、伺服电机(5)和T型减速器(8)分别固定安装在固定梁(10)上，每个螺旋升降机(6)的一侧输入轴上安装有多圈绝对值编码器(7)，每个螺旋升降机(6)上安装有限位开关(9)，伺服电机(5)与T型减速器(8)连接，T型减速器(8)的两侧分别与两个螺旋升降机(6)连接，限位开关通过I/O与主控计算机(13)连接；
所述的上、下型面控制子系统(2)包括上、下柔板驱动柜，上、下柔板驱动柜分别电信号连接上、下多组执行机构(1)；所述的上、下柔板驱动柜包括多组嵌入式控制器(14)、多组伺服驱动器(15)，嵌入式控制器(14)和伺服驱动器(15)电信号连接，伺服驱动器(15)与伺服电机(5)电信号连接，嵌入式控制器(14)、伺服驱动器(15)、伺服电机(5)、螺旋升降机(6)和多圈绝对值编码器(7)采用位置闭环控制；
所述的型面保护系统(3)包括多个应变片(11)和应变测试仪(12)，多个应变片(11)依次粘贴在上、下柔板上，多个应变片(11)和应变测试仪(12)电信号连接，应变片采集柔板应力，当应力超过设定值，应变测试仪发出报警信号上传到主控计算机(13)；
上、下型面控制子系统(2)控制上、下执行机构(1)同步耦合运动从而驱动上、下柔板变形，保证上、下柔板型面曲线的控制，实现上、下执行机构(1)定位精确定位；
所述的主控计算机(13)安装有型面控制软件，向型面控制子系统(2)发送运动位置指令、获取上、下执行机构(1)的运动信息，实时监测型面保护系统(3)采集到的上、下柔板应力值。
2.根据权利要求1所述的一种高精度柔板型面控制系统，其特征在于：通过所述的型面控制软件(4)选择马赫数设定指令，生成马赫数对应的上、下执行机构(1)命令位移量，同时将其马赫数曲线显示在型面控制软件(4)上，型面控制软件(4)从型面控制子系统(2)中读取型面的当前位移、扭距数据并实时显示在型面控制软件(4)上，型面控制软件(4)将计算出的各组执行机构运动的位移量、传动比、运行速度通过以太网发给型面控制子系统(2)中的嵌入式控制器(14)，嵌入式控制器(14)通过EtherCat的总线下发给所有伺服驱动器(15)从而控制伺服电机(5)，驱动所有的执行机构(1)同步耦合运动，从而驱动上、下柔板变形，型面保护系统(2)实时监测采集上、下柔板应力值，当应力值超出设定值时，所有伺服电机(5)停止运行，并向主控计算机(13)发出报警信息；型面控制子系统(2)实现所有执行机构(1)的精确定位；同时型面控制软件(4)还对来自型面控制子系统(2)中的状态数据进行处理；当所有螺旋升降机(6)到达预定位完成后，伺服电机(5)停止运动，通过伺服电机(5)上的制动器实现柔板喷管型面的锁紧；一旦系统运行失常触发限位开关时，停止伺服电机运动。
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