雙層單點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整水平基準(zhǔn)平臺(tái)的研制

殷劍萍

(南京電表廠，江蘇南京210000)

0 引言

車載水平基準(zhǔn)平臺(tái)在很多領(lǐng)域有著廣泛的需求和應(yīng)用，如一些測(cè)量?jī)x器需要用高精度水平平臺(tái)作基準(zhǔn)，一些軍用裝備如兩坐標(biāo)雷達(dá)天線等也需要水平平臺(tái)作基準(zhǔn)。目前調(diào)整車載水平平臺(tái)的方法，都是對(duì)承載車輛進(jìn)行整體調(diào)平。在車身四角安裝支撐腿，通過對(duì)支撐點(diǎn)高度的調(diào)整，使平臺(tái)達(dá)到水平。結(jié)構(gòu)按支撐點(diǎn)分為三點(diǎn)調(diào)平、四點(diǎn)調(diào)平和六點(diǎn)調(diào)平等，結(jié)構(gòu)笨重，調(diào)整復(fù)雜。這些方法只適用于那些質(zhì)量在十幾甚至幾十噸的重載裝備，對(duì)于質(zhì)量在幾十至幾百千克重的荷載就顯得不太合適。雙層單點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整水平基準(zhǔn)平臺(tái)，采用了與目前不同的調(diào)平支撐結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)輕巧、安裝固定可靠，調(diào)平方式簡(jiǎn)便，是一種只對(duì)車載設(shè)備本身進(jìn)行調(diào)平的車載平臺(tái)，雙層單點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整水平基準(zhǔn)平臺(tái)的研制，彌補(bǔ)了目前使用的調(diào)平方法存在的不足，滿足了輕量化裝備對(duì)水平基準(zhǔn)平臺(tái)的需求。

1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了滿足水平基準(zhǔn)平臺(tái)固定安裝于運(yùn)載車輛上的要求，平臺(tái)結(jié)構(gòu)必須輕巧，安裝固定可靠，調(diào)平快速、簡(jiǎn)便。平臺(tái)設(shè)計(jì)為上下兩層，每層由兩平行軸鉸接支撐固定，由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿絲杠減速升降機(jī)升降調(diào)平。設(shè)計(jì)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基準(zhǔn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

下層平面(B)上的y1軸與y1'軸是平行的二軸，以鉸接方式分別與固定在機(jī)座上的支架和升降機(jī)(Ⅰ)連接，升降機(jī)(Ⅰ)以鉸接方式固定在機(jī)座上。上層平面(A)上的x軸與x'是平行的二軸，以鉸接方式分別與固定在下層平板上的支架和升降機(jī)(Ⅱ)連接，升降機(jī)(Ⅱ)以鉸接方式固定在下層平面上。下層平面在升降機(jī)(Ⅰ)的上下運(yùn)動(dòng)作用下可繞y1轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。上層平面在升降機(jī)(Ⅱ)的上下運(yùn)動(dòng)作用下可繞x轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。下層的升降機(jī)(Ⅰ)與上層的升降機(jī)(Ⅱ)各控制一個(gè)方向的傾斜角度，上層平面在x軸方向的傾斜角度，隨著下層平面的調(diào)整而調(diào)整，上層平面在y軸方向的傾斜角度由升降機(jī)(Ⅱ)調(diào)整，這樣上層平面就可實(shí)現(xiàn)在x軸和y軸兩個(gè)方向上傾斜角的調(diào)整。上層為承載層，設(shè)備安裝于上層。

如圖1所示，結(jié)構(gòu)采用一個(gè)固定點(diǎn)和三個(gè)鉸接點(diǎn)支撐，其優(yōu)點(diǎn)在于：鉸接點(diǎn)支撐的層面傾斜角度，隨著升降機(jī)的上下運(yùn)動(dòng)而變化，升降機(jī)自身也隨著層面傾斜角度的變化而改變支撐角度，并且支撐穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生支撐不實(shí)情況，也不會(huì)出現(xiàn)搖擺倒伏、干涉咬死等現(xiàn)象。

根據(jù)需要，在每層平面上也可選用兩個(gè)升降機(jī)安裝在平面的兩個(gè)角上來頂推平面，用以分擔(dān)平面載荷，升降機(jī)傳動(dòng)配置為串聯(lián)組合來實(shí)現(xiàn)同步升降，因其調(diào)平原理與單個(gè)升降機(jī)在中間位置頂推平面相同，故在此不作討論。

升降機(jī)采用蝸桿絲杠減速機(jī)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)(也可以手動(dòng))，蝸桿帶動(dòng)蝸輪旋轉(zhuǎn)，蝸輪帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠推動(dòng)活動(dòng)螺母上下運(yùn)動(dòng)。蝸桿絲杠減速機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，靜止時(shí)自鎖性能好，電動(dòng)、手動(dòng)兩用，制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 升降機(jī)結(jié)構(gòu)圖

式中：P1——輸入功率(kW);T1——輸入扭矩(Nm);n1——輸入轉(zhuǎn)速(r/min)。

式中：W——單臺(tái)升降機(jī)當(dāng)量載荷(N);L1——絲杠螺距(mm);i——減速比;π——圓周率;η——升降機(jī)的綜合效率;T0——空載扭矩(Nm)。

式中：V——升降機(jī)活動(dòng)螺母升降速度mm/min;

確保PCR＞W(wǎng)×SF

式中：PCR——臨界載荷(N);d3——絲杠底徑(mm);fm——支撐系數(shù)(兩端支撐fm=105);La——作用點(diǎn)間距離(mm);W——單臺(tái)升降機(jī)當(dāng)量載荷(N);SF——安全系數(shù)(一般SF=4)。

式中：nc——臨界轉(zhuǎn)速(r/min);d3——絲杠底徑(mm);fn——長(zhǎng)度系數(shù)(軸端自由fn=0.36);Lb——支撐間距離(mm);ns——絲杠轉(zhuǎn)速(r/min);n1——輸入轉(zhuǎn)速 (r/min);i——減速比;確保：nc＞ns

2 調(diào)平原理及方法

已知，兩條相交直線或兩條平行線可確定一個(gè)平面，當(dāng)一個(gè)平面上有兩條相交直線是水平的，就能確定該平面是水平平面。因此，只要將一個(gè)平面中的兩條相交直線調(diào)水平，這個(gè)平面就水平了。

雙層單點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整水平基準(zhǔn)平臺(tái)(參見基準(zhǔn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖)就是據(jù)此原理設(shè)計(jì)的。通過調(diào)整一個(gè)點(diǎn)(Ⅰ)的高低使得A平面上一條直線(x軸線、x'軸線)達(dá)到水平，再調(diào)整另一個(gè)不同方向的點(diǎn)(Ⅱ)，使得同一平面上的另一條與之垂直相交的直線(y軸線、y'軸線)達(dá)到水平，因?yàn)锳平面上有兩條相交直線達(dá)到水平，所以A平面就調(diào)整水平了。

為了得知平臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)水平面的傾斜角度，采用雙軸液體擺式水平傳感器測(cè)量平臺(tái)在x軸方向和y軸方向的傾斜角θx和θy，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將傾斜角與設(shè)定誤差角δx、δy進(jìn)行比較，依據(jù)比較結(jié)果判斷基準(zhǔn)平臺(tái)A平面四個(gè)角的高低。由控制系統(tǒng)先控制升降機(jī)(Ⅰ)的上升或下降來調(diào)整B平面在x軸方向的傾斜角度，A平面在x軸方向的傾斜角隨B平面調(diào)整，直到使x軸和x'軸達(dá)到水平狀態(tài)。再控制升降機(jī)(Ⅱ)的上升或下降來調(diào)整A平面在y方向上的的傾斜角度，直到使y軸和y'軸達(dá)到水平狀態(tài)。A平面達(dá)到水平，至此調(diào)平結(jié)束。

3 控制系統(tǒng)原理

式中：ρ——電解液的電阻率;Lx——上下電極間形成的液體電阻等效導(dǎo)電距離;Sx——上下電極間形成的液體電阻等效面積。

圖3 雙軸水平傳感器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)殼體水平時(shí)，頂部四個(gè)電極浸入在電解液中的深度相同，四個(gè)電極與電解液的接觸面積相同，形成的四個(gè)電阻值相等，即Rx=R1=R2=R3=R4。當(dāng)傳感器傾斜時(shí)，液面因?yàn)橹亓Ρ３炙剑@時(shí)，電極浸入在電解液中的深度發(fā)生了變化，電極與電解液的接觸面積也發(fā)生了變化，即Lx和Sx發(fā)生了變化，導(dǎo)致電極與電解液形成的電阻值Rx發(fā)生了變化。

將每個(gè)軸向的一對(duì)電極分別與兩個(gè)精密電阻組成一橋路電路，如圖4所示。

圖4 橋路電路示意圖

在公共電極和固定電阻的兩端加上電壓，當(dāng)傳感器水平時(shí)，氣泡在中間位置，Rx=R0電橋平衡，輸出電壓U＇x=0。當(dāng)傳感器傾斜時(shí)Rx發(fā)生了變化，此時(shí)Rx≠R0，電橋失去平衡，輸出電壓U＇x≠0，輸出電壓的極性與傳感器的傾斜方向有關(guān)，大小與傾斜角呈線性關(guān)系，dUx＇=Kdθ，式中K為比例常數(shù)。據(jù)此可以確定平臺(tái)的傾斜方向和傾斜多少，經(jīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的比對(duì)判斷，確定升降機(jī)的運(yùn)行方向。

4 結(jié)語

在一個(gè)平面上將一個(gè)傾斜平面調(diào)整水平，一般需要在三點(diǎn)上共同調(diào)整才能實(shí)現(xiàn)。在研制雙層單點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整水平基準(zhǔn)平臺(tái)中，從調(diào)平的基本原理入手，簡(jiǎn)化了問題的復(fù)雜性。將一個(gè)平面上兩個(gè)方向的傾斜角，分解成兩個(gè)層面上分別在x方向和y方向的單一方向傾斜角，通過每層只調(diào)整一個(gè)點(diǎn)就可以將上層傾斜平面調(diào)整至水平，實(shí)現(xiàn)在 2min內(nèi)完成調(diào)平，水平精度優(yōu)于2＇。平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，調(diào)平精度高、方法簡(jiǎn)便，適用于有較高水平精度要求的車載平臺(tái)。

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