航空精密儀表自動充氮系統設計研究

李 航

（廣州民航職業技術學院，廣州 510403）

0 引言

航空、宇航等領域中應用到許多精密儀器、儀表。這些精密儀器、儀表往往價格昂貴，人們希望這些儀器儀表能有較長的使用壽命和可靠的使用性能。給這些設備的內部封閉空間充填氮氣作為保護氣體能有效防止儀器儀表被氧化，延長精密儀表的使用壽命，保證精密儀表其有可靠的性能，因此，出廠時生產廠家往往都會對這些儀表內部空間充填氮氣[1]。航空儀表總是會有需要維修的時候。維修時必須打開這些精密儀表的外殼，自然，原來充填于里面的保護氣體就跑掉了。合格的維修是必須在這些儀表修好后對其內部封閉空間充填氮氣。擁有自動充氮系統意味著在航空精密儀表的維修方面具備更強大的競爭力。所以，設計開發自動充氮設備是很有必要的。

1 航空精密儀表自動充氮系統

1.1 航空精密儀表自動充氮系統性能指標及其結構

航空精密儀表自動充氮系統要求按照航空維修有關手冊的要求，先把待充氮儀表加熱到80±2℃，接著恒溫烘焙3小時，然后抽真空到一定的真空氣壓（真空氣壓可以設定，但不能高于70毫米汞柱），接下來用99.9%的純氮將儀表充氮氣到一個標準大氣壓760±50毫米汞柱，最后用焊錫將精密儀表的充氣嘴焊接密封，保證氮氣不外漏[2,3]。

本設計的設計思路是：將待充氮氣的儀表置于一個密封的作業控制室，利用計算機控制，通過加熱作業控制室的整體溫度并烘焙實現對儀表的加熱烘焙；通過對作業控制室的抽真空充氮氣實現對儀表的抽真空充氮氣。作業控制室中同時安放自動焊接密封機構用于充氣完畢焊接密封儀表的充氣嘴。

整個系統由計算機控制系統、充氮作業控制室、抽真空泵、氮氣罐及充氮氣管等組成。

1.2 系統各部分功能說明

1.2.1 計算機控制系統

計算機控制系統是系統的控制核心，整個系統的作業邏輯由計算機控制系統運行控制，在計算機控制系統的控制下，系統按照要求準確完成作業任務。計算機控制系統采用主從式結構：計算機系統由上位機控制終端和單片機后臺控制系統組成[2,3]。

1） 上位機控制終端

上位機運行系統控制終端負責向單片機控制系統發出控制命令、設置控制參數，同時接受單片機控制系統回發的氣壓、溫度、操作進程等數據在圖形終端界面上顯示出來供人機對話使用。控制終端界面上有虛擬氣壓表、虛擬溫度表、進程說明公告板、氣壓參數設定框、氣壓參數設定按鈕、溫度參數設定框、溫度參數設定按鈕和有關的操作命令按鈕等。

2） 單片機后臺控制系統

單片微型計算機簡稱為單片機，又稱為微控制器，使微型計算機的一個重要分支。單片機是70年代中期發展起來的一種大規模集成電路芯片，是集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統于同一硅片的器件。

航空精密儀表自動充氮系統下位機是由單片機開發實現的后臺控制系統，是計算機控制系統的核心，計算機系統的控制算法主要運行于單片機后臺控制系統。后臺單片機控制系統接受上位機控制終端發來的各種命令和參數參數，根據不同命令和參數完成相應的參數設定和控制操作，實時采集作業過程中的溫度、氣壓等參數并發送給上位機控制終端。主要由電磁氣閥組成氣路控制系統，通過氣路控制系統完成抽真空、充氮氣等功能，氣路控制系統直接受單片機控制。

3）計算機控制系統的通訊

計算機控制系統采用RS232串口通訊，通訊波特率為1200bps， 1位起始位，8位數據位，1位停止位。計算機控制系統的各種命令和參數都通過串口傳送。

1.2.2 充氮作業控制室

洋山港主航道附近島嶼眾多，急漲水時，由于受汊道的影響，筲其島和顆珠山附近的流向與主航道走向夾角可達20°，會導致重載船的操縱能力變差。港內航道邊界緊鄰碼頭泊位，錨地稀少，可僅供1艘大型船舶應急使用。目前，每天約有30艘大型船舶進行靠離泊作業，若大型船舶在發生緊急情況，幾乎沒有可用于大幅轉向避讓的可航水域。

充氮作業控制室是整個系統的主要工作場所，待充氮氣的精密儀表在這里完成自動充氮、焊接密封全過程。控制室罩面放置有用于完成自動焊接密封的機械裝置。機械裝置通過控制電纜連接至計算機控制系統，在計算機的控NT，機械裝置完成自動焊接密封全過程。同時。控制室暈面裝有溫度、壓力傳感器和加熱裝置，通過控制電纜，計算機控制系統能夠利用溫度、壓力傳感器實時檢測控制室內的溫度、壓力等參數， 利用加熱裝置給控制室的空間加熱。控制室與計算機控制系統有氣管相連，通過氣管計算機控制系統實現對作業控制室的抽真空、充氮氣操作。

1.2.3 抽真空泵

抽真空泵是系統實現抽真空功能的動力心臟，抽真空泵通過氣管連接計算機控制系統。抽真空泵由計算機控制系統控制，在計算機的控制下抽真空泵完成抽真空功能。

1.2.4 氮氣罐

氮氣罐里面儲存有高純度液態氮，裝有氣壓表和氣閥、氣嘴。利用氮氣罐通過氮氣管與計算機控制系統的氣路控制系統連接，在計算機的控制下充氮氣時氮氣罐釋放氮氣供精密儀器充氮氣使用。

1.2.5 氦氣管

氮氣管用于連接氮氣罐與計算機控制系統，連接作業控制室與計算機控制系統，連接抽真空泵與計算機控制系統。氮氣管與電磁氣閥共同組成系統的氣路系統，氣路系統直接由計算機控制系統的氣路控制系統控制。氣路系統簡圖如圖1所示。

圖1 氣路系統簡圖

2 硬件設計

2.1 系統硬件設計總述

系統硬件設計總體上有八個模塊：焊接機構控制驅動模塊、顯示模塊、溫度采集模塊、氣壓采集模塊、通訊模塊、加熱模塊、烙鐵控制模塊、氣路控制模塊和抽真空控制模塊。在系統軟件的統一調度控制下，各硬件模塊分工合作組成一個控制系統，實現系統的期望功能。

2.2 系統硬件各模塊詳細說明

2.2.1 焊接機構控制驅動模塊

焊接機構控制驅動模塊用于控制驅動焊接機構，使得焊接機構完成焊接、倒車等各種動作。焊接機構控制驅動模塊直接出軟件控制驅動，焊接機構控制驅動模塊直接驅動步進電機，步進電機直接驅動焊接機構。

工作原理：步進電機有4相繞組，驅動電路由 Q1-Q4，Q14-Q17，D1，D2，R8，R9，R17，R18組成。取其中一相分析，Q1，Q14，D1，R8組成第一相驅動電路，P1.0輸出”1”時Q1，Q14導通，該相驅動電路處于導通狀態，D1起保護作用，R8為基極驅動電阻。其余各相驅動原理類同。

2.2.2 顯示模塊

顯示模塊用于工作時點亮有關的指示等，指示工作狀態、進度。顯示模塊直接由軟件控制驅動。工作原理：顯示驅動模塊由R10～R13，Q6～Q9組成。取“CHARGE”顯示驅動分析，P0.3輸出”1”時Q7導通相應的指示燈被點亮，R11為基極驅動電阻，其余顯示驅動工作原理類同。

2.2.3 溫度采集模塊

溫度采集模塊用于采集作業過程中的溫度參數，工作原理：溫度采集模塊由AD7888，R21，R22，LM324(U4B)組成。溫度傳感器感應的溫度信號經R21，R22，LM324(U4B)組成的放大器放大后被輸往AD7888的A12，經過A/D轉換后通過SPI總線接口由單片機讀取。

2.2.4 氣壓采集模塊

氣壓采集模塊用于采集作業過程中的氣壓參數。工作原理：溫度采集模塊由AD7888，LM324 (U4C)組成。溫度傳感器感應的溫度信號經LM324 (U4C)組成的跟隨器電壓跟隨后被輸往AD7888的A11，經過A/D轉換后通過SPI總線接口由單片機讀取。

2.2.5 通訊模塊

通訊模塊用于負責后臺控制系統與控制終端問的通訊，實現數據交換。工作原理：由C4～C8，MAX232ACSE組成電平轉換模塊。通過電平轉換模塊就可實現PC機與單片機的數據通訊。

2.2.6 加熱模塊

加熱模塊用于負責控制過程中所需要的加熱，加熱模塊直接由軟件控制驅動。工作原理：加熱模塊由D3，R14，Q10，繼電器K1組成。D3起保護作用，R14為基極驅動電阻，Q10用于驅動繼電器K1，P2.6輸出”1”時Q10導通，K1吸合電源電壓加到加熱絲上加熱。

2.2.7 烙鐵加熱控制模塊

烙鐵加熱控制驅動模塊用于控制電烙鐵的加熱，與焊接機構控制驅動模塊合作完成焊接密封功能，烙鐵加熱控制模塊直接由軟件控制驅動。工作原理：烙鐵加熱模塊由R19，Q18，Q5組成。R19為基極驅動電阻，Q10用于驅動功率管Q5，P0.5輸出”1”時Q18導通，Q5輸出約5W的功率加熱電烙鐵。

2.2.8 氣路控制模塊

氣路控制模塊負責氣路系統的控制，抽真空和充氮功能都必須通過氣路完成，氣路控制模塊直接由軟件控制驅動。工作原理：烙鐵加熱模塊由 D4，D5，R15，R16，Q11，Q12，K2，K3 組成。取第二路控制模塊分析，第二路由D5，R16，Q12，K3組成，P2.4輸出”1”時Q12導通K3吸合相應的氣閥打開。第一路由D4，R15，Q11組成，原理與第二路類同。

2.2.9 抽真空模塊

抽真空模塊負責系統的抽真空。抽真空模塊直接由軟件控制驅動。工作原理：烙鐵加熱模塊由D8，R20，Q13，繼電器K4組成。R20為基極驅動電阻，Q13用于驅動繼電器K4，P2.7輸出”1”時Q13導通，繼電器K4吸合驅動抽真空泵工作。

3 結束語

航空精密儀表自動充氮系統是一個完整的機、電、氣一體化的自動控制系統。計算機控制技術的引入使得系統具有高度的控制智能，能按照行業要求完成復雜的作業邏輯操作。在計算機的控制下機、電、氣渾然成為一個有機的自動控制作業整體，能精確地自動完成有關的作業任務。系統的開發設計涉及到軟件設計、電子線路硬件設計、機械設計、氣路設計等寬廣的領域，是控制、軟件、電子線路、機械、氣流等領域知識的有機整合。

[1] 回麗, 許紅, 許良. 航空鈦合金結構件的損傷修復技術[J]. 機械設計與制造, 2005.

[2] 何予鵬, 趙祥雄, 王軍. 機械壓力機氣體壓縮制動方式的計算機控制[J]. 機械設計與制造, 2009.

[3] 魏曉斌, 朱毅, 趙旭森. 航空充氮車自動充氣流程設計[J]. 制造業自動化, 2010, 32(10).