平面葉柵柵后4軸伺服位移控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

王東，梅繁，吳法勇，劉曉鵬

（沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015）

1 引言

柵后測(cè)量位移機(jī)構(gòu)是平面葉柵風(fēng)洞試驗(yàn)器重要的測(cè)量支持裝置之一。隨著葉柵試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，詳細(xì)全面測(cè)量柵后流場(chǎng)特性已成為平面葉柵試驗(yàn)的重要組成部分。因此，1套適合于柵后測(cè)量、定位精度高、角位移隨動(dòng)良好的4軸伺服控制系統(tǒng)成為決定平面葉柵試驗(yàn)測(cè)試質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要設(shè)備。

本文介紹了4軸伺服位移控制系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用過程，并給出了后續(xù)改進(jìn)建議。

2 系統(tǒng)組成

4軸伺服位移控制系統(tǒng)采用PLC可編程控制技術(shù)，并利用組態(tài)王和VB軟件做為2次開發(fā)平臺(tái)，與上位機(jī)進(jìn)行通訊，完成實(shí)時(shí)控制與通訊，形成自身的閉環(huán)控制，從而確保被控探針精確到位。該系統(tǒng)是由機(jī)械傳動(dòng)、伺服控制、測(cè)試及通訊4部分組成的全閉環(huán)位移控制系統(tǒng)，系統(tǒng)控制原理如圖1所示。下面著重介紹機(jī)械傳動(dòng)和伺服控制2部分。

2.1 機(jī)械傳動(dòng)部分

機(jī)械傳動(dòng)部分由3個(gè)單滑塊滾珠絲杠傳動(dòng)定位單元和1維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)組成(如圖2、3所示)，其直線定位最小檢測(cè)單位為±0.005 mm,角位移最小分辨率為0.036°。在4個(gè)坐標(biāo)軸中，X軸為葉柵額線方向，Y軸為柵后位置調(diào)整方向，Z軸為葉高方向，M軸為角向。

使用該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)下列方式的柵后逐點(diǎn)跟蹤測(cè)量：（1）角向旋轉(zhuǎn)平臺(tái)繞X軸聯(lián)動(dòng)；（2）角向旋轉(zhuǎn)平臺(tái)繞X軸、Y軸直線插補(bǔ)；（3）角向旋轉(zhuǎn)平臺(tái)繞X、Y軸直線插補(bǔ)和Z軸聯(lián)動(dòng)；（4）角向旋轉(zhuǎn)平臺(tái)繞X軸、Y軸非同步逼近的圓弧插補(bǔ)。

2.2 伺服控制部分

伺服控制部分主要由PLC可編程控制器、4個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器及外圍電器元件組成，如圖4所示。

3 系統(tǒng)特性

該控制系統(tǒng)的X、Y、Z軸的位移指令和被控量均為直線位移；M軸的位移指令為角位移，被控量為探針測(cè)得的方向壓差。由于方向壓差信號(hào)隨流場(chǎng)條件改變而變化，因此設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)賦予了該信號(hào)較高的靈敏性和準(zhǔn)確性。

圖5給出了角向位置隨動(dòng)原理方案，其中PLC模塊起到處理器的作用。角向位置隨動(dòng)工作原理是：探針2個(gè)方向孔測(cè)到的壓差，通過差壓變送器轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，送入PLC采集模塊并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后經(jīng)過偏差計(jì)數(shù)器，與PLC初始采集靜態(tài)探針方向壓差信號(hào)比較，經(jīng)過角度修正后，轉(zhuǎn)化成伺服驅(qū)動(dòng)器識(shí)別的控制移動(dòng)指令再驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，從而拖動(dòng)探針隨實(shí)際氣流方向轉(zhuǎn)動(dòng)。探針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度從伺服驅(qū)動(dòng)器中讀出，并經(jīng)PLC將絕對(duì)碼轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的0～20 mA電流信號(hào)，送入VXI數(shù)采系統(tǒng)，其最小分辨率可達(dá)到5μA。

當(dāng)偏差計(jì)數(shù)器為零時(shí)，探針楔面壓差為零，表明探針方向與氣流方向一致，系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)偏差信號(hào)大于±10個(gè)碼值(滿量程的1/400)時(shí),控制移動(dòng)指令讓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)探針朝壓差信號(hào)減小的方向運(yùn)動(dòng)，因此控制探針始終跟蹤氣流的方向，偏差小于±0.3°。

從實(shí)際應(yīng)用情況看，該系統(tǒng)的直線定位精度達(dá)到0.01 mm,直線插補(bǔ)定位精度達(dá)到0.015 mm，角位移隨動(dòng)系統(tǒng)精度達(dá)到0.3°。圖6舉例給出了某試驗(yàn)中實(shí)測(cè)的角位移隨動(dòng)控制曲線。從圖中看出，該控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，其主要指標(biāo)可以滿足試驗(yàn)要求。

4 控制指令與后置處理算法

從4軸位移控制系統(tǒng)組成和分析來看，對(duì)不同試驗(yàn)件要執(zhí)行不同測(cè)試功能。因此，后置處理算法的主要任務(wù)就是控制探針與試驗(yàn)件的相對(duì)位置，隨動(dòng)控制精度，然后經(jīng)過幾何變換、數(shù)值計(jì)算與求解，最終通過控制代碼的轉(zhuǎn)換與插值來實(shí)現(xiàn)對(duì)位移機(jī)構(gòu)的控制。

4.1 角向算法與旋轉(zhuǎn)指令

角向隨動(dòng)系統(tǒng)控制是將被控探針感受的壓力變化通過傳感器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，然后與PLC采集的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，經(jīng)過運(yùn)算發(fā)出控制指令(如圖7所示)，驅(qū)動(dòng)可逆電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；為控制探針轉(zhuǎn)角的大小,利用測(cè)得的總壓、2楔面的方向孔壓力,經(jīng)PLC計(jì)算取得Ka修正系數(shù),用于控制伺服驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)角指令脈沖,并以該脈沖控制伺服電機(jī)帶動(dòng)探針按轉(zhuǎn)角指令轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使探針在跟蹤氣流方向上達(dá)到自動(dòng)平衡。探針各測(cè)點(diǎn)的標(biāo)號(hào)如圖8所示。

Ka系數(shù)的計(jì)算為

由于柵后實(shí)測(cè)來流馬赫數(shù)并不等于標(biāo)定時(shí)的馬赫數(shù)，所以角度計(jì)算時(shí)，先用實(shí)測(cè)值按式（2）計(jì)算出Aw2，然后與如圖9所示的角度標(biāo)定曲線比較，若二者差值小于0.5%，則認(rèn)為探針已對(duì)準(zhǔn)氣流方向，

否則將繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)探針。

4.2 帶角向旋轉(zhuǎn)的X、Y軸直線同步插補(bǔ)指令與算法

目標(biāo)軸(X，Y)的位移量是由上位機(jī)給定，2軸插補(bǔ)的速度按式（3）、（4）計(jì)算，相關(guān)指令如圖10所示。

4.3 帶角向旋轉(zhuǎn)的X軸、Y軸直線同步插補(bǔ)指令與Z軸聯(lián)動(dòng)控制算法

為實(shí)現(xiàn)全流場(chǎng)的測(cè)試，采用雙軸直線同步插補(bǔ)與Z軸聯(lián)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行逐行測(cè)量及角度自動(dòng)跟蹤方式。該方式對(duì)研究平面葉柵二次流的機(jī)理有很大意義。

4.4 空間任意曲線多軸聯(lián)動(dòng)的控制指令

該系統(tǒng)可通過單獨(dú)發(fā)送3個(gè)軸的定位脈沖，來執(zhí)行空間任意曲線多軸聯(lián)動(dòng)命令。圖11舉例給出了X軸直線定位指令。

5 結(jié)束語

（1）該系統(tǒng)的位移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，布局合理，控制精度高，使用壽命長(zhǎng)。

（2）該系統(tǒng)的直線定位精度為0.028 mm，M軸角向位移定位精度為0.036°,角向隨動(dòng)控制精度為0.3°，完全可以滿足常規(guī)試驗(yàn)需要。

（3）該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)柵后流場(chǎng)的全方位測(cè)量，使用靈活、方便、可靠，不僅可加快試驗(yàn)進(jìn)程,而且可保護(hù)探針的使用安全，具有很強(qiáng)的推廣使用價(jià)值。

目前，使用該系統(tǒng)測(cè)得的角度未考慮到齒系誤差，需要在后續(xù)工作中進(jìn)一步改進(jìn)。

[1] Panasonic可編程控制器FP系列編程手冊(cè)[CP].ARCT1F313 0409.

[2] YASKAWA.Σ-Ⅱ系列SGM H/SGDH用戶手冊(cè)[CP].SIGPS80000005A.

[3] 松下電工株式會(huì)社.可編程控制器FP-X用戶手冊(cè)[CP].ARCT1F409C.