CN114162752B - 一种高速大负载升降平台应急保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速大负载升降平台应急保护方法，属于技术领域。本发明基于机械结构、控制模块及应急保护策略的设计对升降平台进行了应急保护机制的设计及实现，能够保证平台稳定安全运行，进而实现保护安装在平台上试验件的作用。该方法可应用在一种适合地面自由射流试验台的飞行器或相关试验件升降平台上，同时也适用于承载高精密仪器升降设备。

Description

一种高速大负载升降平台应急保护方法

技术领域

本发明属于适合地面自由射流试验台的飞行器或相关试验件升降平台技术领域，具体涉及一种高速大负载升降平台应急保护方法。

背景技术

高超声速地面自由射流试验台可以开展各类型飞行器或相关试验件在指定状态下进行长时间飞行模拟试验，而飞行器试验件安装在高空舱升降平台上，由于尺寸较大的试验件如果在试验前就固定在流场中，不利于流场的快速建立，也延长飞行器在流场中的时间，易造成试验件损坏，因此设计了一套升降平台系统，该系统的作用是在流场建立以后将平台迅速上升将试验件插入到流场中。该系统有着负载质量大、运行速度快、可靠性要求高等特点，因此为了保证平台稳定安全运行，需要制定完备的应急保护机制，进而实现保护安装在平台上试验件的作用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何为适合地面自由射流试验台的飞行器或相关试验件升降平台设计一种应急保护机制。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高速大负载升降平台应急保护方法，首先，在该方法中，设计如下的机械结构：

在升降平台的运动框架上有八个立柱，每个立柱在升降平台全行程的五个不同高度加工插销孔，在升降平台下面安装可伸缩的插销，由升降平台的伺服电机作为动力输出进行驱动；

根据设计的升降平台运动曲线，在升降平台上下移动时需要减速的位置设置四个上限位常闭触点和四个下限位常闭触点，当伺服电机上位置反馈失效时，升降平台触碰时可以强制升降平台按照指定减速度进行减速，确保升降平台在剩余距离范围内停止运动；进一步，在升降平台上行程极限位置设置四个上上限位常闭触点，在升降平台上下行程极限位置设置四个下下限位常闭触点，当升降平台触碰时，直接停车；

其次，在该方法中，设计如下的绝对值编码器和激光扫码装置：

设计每个伺服电机带有绝对值编码器，根据升降平台减速箱的减速比可实时换算出每个升降平台的链轮机构对应升降平台的位置，在四套伺服电机同步运动时，输出升降平台的位置、速度和加速度信息；

激光扫码装置：在升降平台四角所对应的四个立柱上，自下而上粘贴条形码，在对应的升降平台四角安装激光扫码装置，通过激光扫码可以得到升降平台四个角的位置高度。

优选地，该方法中，还基于设计的机械结构和控制模块实现如下应急保护功能：

通过对升降平台进行分析，将升降平台运行过程中可能出现的故障点分为轻度、中度和重度三个等级；

轻度故障包括以下情况：

(1)升降平台的激光扫码装置与伺服电机的绝对值编码器位置偏差超过20mm；

(2)链轮机构的振动超出正常值20％；

(3)运行速度超出1.4m/s；

(4)减速箱振动超出正常值20％；

(5)伺服电机振动超出正常值20％；

(6)升降平台四角激光扫码装置误差大于10mm；

处理措施为：收到轻度故障反馈后，驱动伺服电机按照指定减速度停车；

中度故障包括以下情况：在运行过程中其中有一台伺服电机运行过程中出现非正常状态下断使能时，定义为中度故障，在这种情况下伺服电机使能将不再输出扭矩，由于制动器开始关闭至完全抱死之间产生一定的延迟时间，并且每台伺服电机制动器关闭时间有一定差异，如果强制闭合所有制动器，会导致升降平台发生一定倾斜；

处理措施为：在升降平台正常运行过程中设定四台伺服电机的同步逻辑是四台伺服电机作为从动轴去跟随一台虚拟电机作为主动轴进行同步运动，当发生中度故障时，将同步关系改变成将发生断使能的伺服电机作为主动轴，其余三台伺服电机作为从动轴进行跟随，同时驱动断使能伺服电机的制动器闭合，直到断使能伺服电机的制动器完全抱死，其它作为从动轴的伺服电机跟随结束停止后，再驱动作为从动轴的伺服电机轴的制动器抱死，整个过程中作为从动轴的伺服电机使能保持；

重度故障包括以下情况：

(1)升降平台触碰上上限位常闭触点或下下限位常闭触点；

(2)两台以上伺服电机非正常状态下断使能；

(3)升降平台四角激光扫码装置位置误差大于100mm；

(4)升降平台四角激光扫码装置与绝对值编码器位置误差大于100mm；

(5)升降平台异常断电；

处理措施为：当触发重度故障时，允许升降平台处于一定角度的倾斜，闭合高低速端两级制动器，以最快速度让升降平台运动停止，等后续试验件移除平台后，再进行设备故障分析及恢复。

优选地，该方法中，还利用设计的机械结构和控制模块实现如下自检功能：自检功能是指在插销锁死的情况下，让升降平台带动插销在插销孔间隙中进行一定小距离、一定小速度的上下运动，自检功能的目的是检验四台伺服电机是否正常工作，一旦这种状态下发生意外情况，由于插销处于锁紧状态，对升降平台及升降平台上的试验件进行保护作用，若自检过程中没有触发报警条件，升降平台完成自检。

优选地，自检功能是指在插销锁死的情况下，让升降平台带动插销在插销孔间隙中进行±5mm运动距离、一定小速度的上下运动。

优选地，所述条形码高度为7m。

优选地，八个立柱上还加工了粘贴条形码的凹槽。

优选地，所述激光扫码装置为扫码光栅尺。

本发明还提供了一种所述方法在升降平台中的应用。

优选地，所述升降平台是满载280t、尺寸为13m×2.6m，最大负载280t，最大运行速度1.3m/s的升降平台。

本发明还提供了一种所述方法在适合地面自由射流试验台的飞行器中的应用。

(三)有益效果

本发明基于机械结构、控制模块及应急保护策略的设计对升降平台进行了应急保护机制的设计及实现，能够保证平台稳定安全运行，进而实现保护安装在平台上试验件的作用。该方法可应用在一种适合地面自由射流试验台的飞行器或相关试验件升降平台上，同时也适用于承载高精密仪器升降设备。

附图说明

图1为升降平台原理图；

图2为升降平台运动曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明设计的一种应急保护方法服务于一套满载280t、尺寸为13m×2.6m(长×宽)，最大负载280t，最大运行速度1.3m/s的升降平台上，如图1所示。该升降平台机械部分由以下几部分组成：液压制动器(低速轴)1、联轴器2、减速箱3、电磁制动器(高速轴)4、伺服电机5(四套655kw伺服电机)、配重6和链轮机构7。

升降平台控制部分由一台西门子SIMOTION运动控制器和四组S120伺服驱动柜组成，每组S120伺服驱动柜服务于单台伺服电机5，实现对整个升降平台运动控制功能。

升降平台的工作过程是四套655kw伺服电机5通过减速箱3增大扭矩后带动链轮机构7同步转动，通过链条带动升降平台上下移动，由于链轮机构7的配置，可以大大减少电机输出功率。升降平台的运动曲线如图2所示。升降平台正行程为从下往上插入到流场，反行程为从上往下回到固定平台，升降平台的最大行程为6700mm，正行程运动时间要求小于7s，平台水平精度要求不大于±5㎜。

由于升降平台具有负载大、运行速度快，可靠性要求高等特点，需要对升降平台设计一种应急保护方法，确保万无一失。

主要应用于尺寸为13m×2.6m(长×宽)，最大负载280t，最大运行速度1.3m/s的升降平台。针对该升降平台运行风险高的问题，本发明提供一种高速大负载升降平台应急保护方法，通过对升降平台可能发生的故障点进行分析，针对故障特点利用机械和控制手段设计完备的升降平台应急保护机制，确保升降平台运行过程的安全性和可靠性。

首先，在该方法中，设计如下的机械结构：

插销锁紧机构：在升降平台的运动框架上有八个立柱，每个立柱在升降平台全行程的五个不同高度加工了插销孔(正常情况下升降平台只允许在这五个高度静止停车)，在升降平台下面安装可伸缩的插销，由伺服电机5作为动力输出进行驱动。设计插销的目的是在当需要有工人在升降平台进行设备安装维护等升降平台长时间处于静止状态时，为确保安全，一旦出现制动器失效等情况，依然可以确保人员和设备的安全。

机械限位结构：根据设计的升降平台运动曲线，在升降平台上下移动时需要减速的位置设置四个上限位常闭触点和四个下限位常闭触点，目的是当伺服电机上位置反馈失效时，升降平台触碰限位常闭触点依然可以强制升降平台按照指定减速度进行减速，确保升降平台在剩余距离范围内停止运动。进一步，在升降平台上行程极限位置设置四个上上限位(升降平台上升的极限位置，若平台到达此高度，电机存在失控风险)常闭触点，在升降平台上下行程极限位置设置四个下下限位(升降平台下降的极限位置)常闭触点，目的是当升降平台触碰限位常闭触点时，直接关闭制动器停车，避免升降平台撞到其他设备。

其次，在该方法中，设计如下的控制模块：

绝对值编码器：每个伺服电机5带有绝对值编码器，根据减速箱3的减速比可以实时换算出每个链轮机构7对应升降平台的位置。绝对值编码器的作用时在四套伺服电机5同步运动时，输出升降平台位置、速度和加速度反馈参数，也作为检验同步性是否符合要求的参考依据之一。

激光扫码装置：在升降平台四角所对应的四个立柱上，自下而上粘贴条形码，高度为7m，为保证垂直度，在立柱上加工了粘贴凹槽，在对应的升降平台四角安装激光扫码装置(扫码光栅尺)，通过激光扫码可以得到升降平台四个角的最准确的位置高度。由于电机端的位置反馈带有减速箱间隙、链条间隙等不确定因素叠加，不能够真实反应升降平台的真实位置，而激光扫码装置的数据是可以体现升降平台四个角的真实位置，因此可作为检验升降平台水平度的重要参考依据。

最后，利用上面设计的机械结构和控制模块实现如下应急保护功能：

通过对升降平台进行全面系统分析，将平台运行过程中可能出现的故障点分为轻度、中度和重度三个等级。

轻度故障包括以下情况：

(1)升降平台的激光扫码装置与伺服电机5的绝对值编码器位置偏差超过20mm；

(2)链轮机构7的振动超出正常值20％；

(3)运行速度超出1.4m/s；

(4)减速箱3振动超出正常值20％；

(5)电机振动超出正常值20％；

(6)升降平台四角激光扫码装置误差大于10mm；

处理措施为：收到轻度故障反馈后，驱动伺服电机5按照指定减速度停车。后续恢复设备视现场使用情况再做处理。

中度故障包括以下情况：

在运行过程中其中有一台伺服电机5运行过程中出现非正常状态下断使能时，定义为中度故障。在这种情况下伺服电机5使能将不再输出扭矩，由于制动器开始关闭至完全抱死之间产生一定的延迟时间，并且每台伺服电机5制动器关闭时间有一定差异，如果强制闭合所有制动器，必然会导致升降平台发生一定倾斜。

处理措施为：在升降平台正常运行过程中设定四台伺服电机5的同步逻辑是四台伺服电机5作为从动轴去跟随一台虚拟电机作为主动轴进行同步运动，当发生中度故障时，将同步关系改变成将发生断使能的伺服电机作为主动轴，其余三台伺服电机作为从动轴进行跟随，同时驱动断使能伺服电机的制动器闭合，直到断使能伺服电机的制动器完全抱死，其它作为从动轴的伺服电机跟随结束停止后，再驱动作为从动轴的伺服电机轴的制动器抱死，整个过程中作为从动轴的伺服电机使能保持。

重度故障包括以下情况：

(1)升降平台触碰上上限位常闭触点或下下限位常闭触点；

(2)两台以上伺服电机非正常状态下断使能；

(3)升降平台四角激光扫码装置位置误差大于100mm；

(4)升降平台四角激光扫码装置与绝对值编码器位置误差大于100mm；

(5)异常断电。

处理措施为：当触发重度故障时，意味着升降平台处于半失控状态，升降平台上的试验件损坏风险大大增加。在这种情况下以保护试验件为目的，允许升降平台处于一定角度的倾斜，迅速闭合高低速端两级制动器，以最快速度让升降平台运动停止，等后续试验件移除平台后，再进行设备故障分析及恢复。

还利用上面设计的机械结构和控制模块实现了如下自检功能：

在升降平台运行过程中，为了保证运行稳妥可靠，万无一失，本着让故障在升降平台运行前尽早暴露的原则，通过运动控制设计了升降平台自检功能。

自检功能是指在插销锁死的情况下，让升降平台带动插销在插销孔间隙中进行小距离小速度的上下运动(插销孔预留了一定了活动空间)，运动距离±5mm。自检功能的目的是检验四台伺服电机是否正常工作，一旦这种状态下发生意外情况，由于插销处于锁紧状态，会对升降平台及升降平台上的试验件进行保护作用。若自检过程中没有触发报警条件，升降平台完成自检。

基于上述机械结构、控制模块及应急保护策略的设计对升降平台进行了应急保护机制的设计及实现，保证了平台可以安全平稳的运行，下面对升降平台稳定运行的步骤进行简要说明：

1)S120驱动柜上电；

2)伺服电机上使能，同时打开高低速端制动器；

3)进行自检；

4)自检完成后，将插销解锁；

5)设定升降平台运动参数后，启动升降平台上升运行；

6)升降平台将试验件插入到流场后，进行试验，升降平台保持悬停；

7)试验完毕后，启动升降平台下降运行；

8)升降平台停止后，将插销锁紧；

9)关闭高低速端制动器，同时伺服电机断使能；

10)S120驱动柜断电；

运行完毕，设备恢复。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高速大负载升降平台应急保护方法，其特征在于，首先，在该方法中，设计如下的机械结构：

在升降平台的运动框架上有八个立柱，每个立柱在升降平台全行程的五个不同高度加工插销孔，在升降平台下面安装可伸缩的插销，由升降平台的伺服电机作为动力输出进行驱动；

根据设计的升降平台运动曲线，在升降平台上下移动时需要减速的位置设置四个上限位常闭触点和四个下限位常闭触点，当伺服电机上位置反馈失效时，升降平台触碰时可以强制升降平台按照指定减速度进行减速，确保升降平台在剩余距离范围内停止运动；进一步，在升降平台上行程极限位置设置四个上上限位常闭触点，在升降平台上下行程极限位置设置四个下下限位常闭触点，当升降平台触碰时，直接停车；

其次，在该方法中，设计如下的绝对值编码器和激光扫码装置：

设计每个伺服电机带有绝对值编码器，根据升降平台减速箱的减速比可实时换算出每个升降平台的链轮机构对应升降平台的位置，在四套伺服电机同步运动时，输出升降平台的位置、速度和加速度信息；

激光扫码装置：在升降平台四角所对应的四个立柱上，自下而上粘贴条形码，在对应的升降平台四角安装激光扫码装置，通过激光扫码可以得到升降平台四个角的位置高度；

该方法中，还基于设计的机械结构和控制模块实现如下应急保护功能：

通过对升降平台进行分析，将升降平台运行过程中可能出现的故障点分为轻度、中度和重度三个等级；

轻度故障包括以下情况：

(1)升降平台的激光扫码装置与伺服电机的绝对值编码器位置偏差超过20mm；

(2)链轮机构的振动超出正常值20％；

(3)运行速度超出1.4m/s；

(4)减速箱振动超出正常值20％；

(5)伺服电机振动超出正常值20％；

(6)升降平台四角激光扫码装置误差大于10mm；

处理措施为：收到轻度故障反馈后，驱动伺服电机按照指定减速度停车；

中度故障包括以下情况：在运行过程中其中有一台伺服电机运行过程中出现非正常状态下断使能时，定义为中度故障，在这种情况下伺服电机使能将不再输出扭矩，由于制动器开始关闭至完全抱死之间产生一定的延迟时间，并且每台伺服电机制动器关闭时间有一定差异，如果强制闭合所有制动器，会导致升降平台发生一定倾斜；

处理措施为：在升降平台正常运行过程中设定四台伺服电机的同步逻辑是四台伺服电机作为从动轴去跟随一台虚拟电机作为主动轴进行同步运动，当发生中度故障时，将同步关系改变成将发生断使能的伺服电机作为主动轴，其余三台伺服电机作为从动轴进行跟随，同时驱动断使能伺服电机的制动器闭合，直到断使能伺服电机的制动器完全抱死，其它作为从动轴的伺服电机跟随结束停止后，再驱动作为从动轴的伺服电机轴的制动器抱死，整个过程中作为从动轴的伺服电机使能保持；

重度故障包括以下情况：

(1)升降平台触碰上上限位常闭触点或下下限位常闭触点；

(2)两台以上伺服电机非正常状态下断使能；

(3)升降平台四角激光扫码装置位置误差大于100mm；

(4)升降平台四角激光扫码装置与绝对值编码器位置误差大于100mm；

(5)升降平台异常断电；

处理措施为：当触发重度故障时，允许升降平台处于一定角度的倾斜，闭合高低速端两级制动器，以最快速度让升降平台运动停止，等后续试验件移除平台后，再进行设备故障分析及恢复。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法中，还利用设计的机械结构和控制模块实现如下自检功能：自检功能是指在插销锁死的情况下，让升降平台带动插销在插销孔间隙中进行一定小距离、一定小速度的上下运动，自检功能的目的是检验四台伺服电机是否正常工作，一旦这种状态下发生意外情况，由于插销处于锁紧状态，对升降平台及升降平台上的试验件进行保护作用，若自检过程中没有触发报警条件，升降平台完成自检。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，自检功能是指在插销锁死的情况下，让升降平台带动插销在插销孔间隙中进行±5mm运动距离、一定小速度的上下运动。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述条形码高度为7m。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，八个立柱上还加工了粘贴条形码的凹槽。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光扫码装置为扫码光栅尺。

7.一种如权利要求1至6中任一项所述方法在升降平台中的应用。

8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所述升降平台是满载280t、尺寸为13m×2.6m，最大负载280t，最大运行速度1.3m/s的升降平台。

9.一种如权利要求1至6中任一项所述方法在适合地面自由射流试验台的飞行器中的应用。