高精度鋼絲繩懸掛載荷水平運動系統的設計與研究

李培艷等

摘要：為研究探測器對空中飛行物體的探測、識別、跟蹤等功能，建立一個空中飛行目標的模擬系統，并以鋼絲繩實現其傳動與荷載。從計算鋼絲繩的張緊力入手，設計出能夠適應大懸掛的安全運動系統；同時設計出模擬系統的運動控制方法，推導出控制量的計算公式，為系統的高精度控制提供理論基礎。

關鍵詞：懸掛載荷；大跨距；下垂度；張緊力

中圖分類號：U445.32文獻標志碼：B

Abstract： In order to study the functions of probe including probing flying subjects in the air and recognizing and tracking， a simulation system of flying subjects needs to be built， and transmitting and loading depend on wire ropes. So the tensile stress of wire rope was calculated based on the purpose of designing a safe movement system that applies to heavy load. The movement control method for the simulation system was designed， and the calculation formula for control parameter was deduced， which provides a theoretical basis for high precision control of the system.

Key words： hanging load； large span； sag； tensile stress

0引言

本文基于為某探測器所研制的戶外試驗配套設備，建立一個空中飛行目標的模擬系統，并通過改變模擬目標的大小、外觀特征、運動速度等來檢驗探測器對不同目標探測的精度。將模擬目標視為一個質量為30 kg的懸掛載荷，運動系統跨距70 m，最高速度達到5 m·s-1，速度精度優于001 m·s-1，運動軌跡為水平直線。如果采用傳統的剛性機構傳動，很難滿足該設備對運動跨距、載荷高度、背景遮蓋的要求。因此，本文選擇鋼絲繩作為運動傳動工具，重點研究如何實現懸掛載荷的高精度、大跨距、高速水平運動，其難點主要有以下幾點。

（1） 如何控制張緊力，并在大張緊力的情況下實現載荷的高速高精度運動。

（2） 鋼絲繩兩端使用滾筒收放，在自動排繩模式下，如何使鋼絲繩始終整齊地纏繞在滾筒上。

（3） 如何在大跨距、重載荷、高速度的條件下實現對運動的高精度控制。

1鋼絲繩張緊力計算

要實現鋼絲繩懸掛載荷做水平軌跡運動，首先要限制鋼絲繩的懸垂度。鋼絲繩的懸垂度由鋼絲繩所受的張緊力和載荷重力共同決定，將鋼絲繩視為沒有剛性的懸鏈線，將探測器視為載荷，其在A、B兩點間運動，運動系統可以簡化為圖1。

承重鋼絲繩的一端連接一臺普通異步電機，另一端連接一個1 400 kg的配重，當電機帶動承重鋼絲繩將配重提離地面后，鋼絲繩即受到14 kN的恒定張力而張緊。承重鋼絲繩同時作為載荷的運動軌道，載荷與承重鋼絲繩之間使用滾動接口連接。

牽引鋼絲繩中間固定在載荷上，兩端通過滑輪纏繞在滾筒上，滾筒由伺服電機驅動。在滾筒前加張力阻尼器和拉力傳感器，檢測鋼絲繩的拉力，同時不斷調整牽引鋼絲繩的預緊力，避免自動繞繩時出現亂繞或斷裂的情況。

工作時，先啟動異步電機將配重拉起以張緊承重鋼絲繩。然后將伺服電機B設置為力矩模式，力矩方向為張緊鋼絲繩方向；將伺服電機A設置為位置模式，慢速由B向A方向轉動，直到拉力傳感器的拉力值達到要求，停止伺服電機，這樣牽引鋼絲繩就得到了預緊力。載荷由A向B運動時，兩臺電機均工作在位置模式下，將B電機設置為主動電機，A電機設置為從動電機，控制B電機轉動，A電機跟隨B電機同步轉動。載荷由B向A方向運動時，將A電機設置為主動電機，B電機設置為從動電機。當目標需要從高空放下時，轉動異步電機，慢慢放下承重鋼絲繩，將伺服電機A設置為力矩模式，自動適應載荷的重力跟隨異步電機轉動放下牽引鋼絲繩。

3控制方法研究

3.1控制系統設計

伺服電機具有速度精確、位置精度高、控制靈活、反應快等特點，因此本文選用伺服電機作為執行原件。由于很難測量載荷的實際位置和速度，所以本系統采用電機編碼器反饋的半閉環控制。控制系統原理如圖3所示。

4結語

根據系統要求計算出鋼絲繩的張力，根據系統特點設計出了成本較低又安全可靠的系統結構方案，并說明了系統的工作方法。設計了總線控制系統，推導出PID加速度前饋控制的控制量計算公式，并設計出系統的控制流程圖。

參考文獻：

[1]姜廣智，孫志國.懸鏈線方程在單跨單荷重懸索中的應用[J].吉林師范大學學報：自然科學版，2009，2（1）：3840.

[2]成大先.機械設計手冊[M].第5版.北京：化學工業出版社，2010.

[3]李志洲，鄭民欣，王錦錦，等.基于EtherCAT網絡的三軸伺服控制系統設計[J].組合機床與自動化加工技術，2012，2（2）：6365，71.

[4]郝雙輝，蔡一，鄭偉峰，等.基于前饋控制的交流伺服系統高速定位控制[J].微特電機，2010（2）：3537，40.

[責任編輯：譚忠華]endprint

摘要：為研究探測器對空中飛行物體的探測、識別、跟蹤等功能，建立一個空中飛行目標的模擬系統，并以鋼絲繩實現其傳動與荷載。從計算鋼絲繩的張緊力入手，設計出能夠適應大懸掛的安全運動系統；同時設計出模擬系統的運動控制方法，推導出控制量的計算公式，為系統的高精度控制提供理論基礎。

關鍵詞：懸掛載荷；大跨距；下垂度；張緊力

中圖分類號：U445.32文獻標志碼：B

Abstract： In order to study the functions of probe including probing flying subjects in the air and recognizing and tracking， a simulation system of flying subjects needs to be built， and transmitting and loading depend on wire ropes. So the tensile stress of wire rope was calculated based on the purpose of designing a safe movement system that applies to heavy load. The movement control method for the simulation system was designed， and the calculation formula for control parameter was deduced， which provides a theoretical basis for high precision control of the system.

Key words： hanging load； large span； sag； tensile stress

0引言

本文基于為某探測器所研制的戶外試驗配套設備，建立一個空中飛行目標的模擬系統，并通過改變模擬目標的大小、外觀特征、運動速度等來檢驗探測器對不同目標探測的精度。將模擬目標視為一個質量為30 kg的懸掛載荷，運動系統跨距70 m，最高速度達到5 m·s-1，速度精度優于001 m·s-1，運動軌跡為水平直線。如果采用傳統的剛性機構傳動，很難滿足該設備對運動跨距、載荷高度、背景遮蓋的要求。因此，本文選擇鋼絲繩作為運動傳動工具，重點研究如何實現懸掛載荷的高精度、大跨距、高速水平運動，其難點主要有以下幾點。

（1） 如何控制張緊力，并在大張緊力的情況下實現載荷的高速高精度運動。

（2） 鋼絲繩兩端使用滾筒收放，在自動排繩模式下，如何使鋼絲繩始終整齊地纏繞在滾筒上。

（3） 如何在大跨距、重載荷、高速度的條件下實現對運動的高精度控制。

1鋼絲繩張緊力計算

要實現鋼絲繩懸掛載荷做水平軌跡運動，首先要限制鋼絲繩的懸垂度。鋼絲繩的懸垂度由鋼絲繩所受的張緊力和載荷重力共同決定，將鋼絲繩視為沒有剛性的懸鏈線，將探測器視為載荷，其在A、B兩點間運動，運動系統可以簡化為圖1。

承重鋼絲繩的一端連接一臺普通異步電機，另一端連接一個1 400 kg的配重，當電機帶動承重鋼絲繩將配重提離地面后，鋼絲繩即受到14 kN的恒定張力而張緊。承重鋼絲繩同時作為載荷的運動軌道，載荷與承重鋼絲繩之間使用滾動接口連接。

牽引鋼絲繩中間固定在載荷上，兩端通過滑輪纏繞在滾筒上，滾筒由伺服電機驅動。在滾筒前加張力阻尼器和拉力傳感器，檢測鋼絲繩的拉力，同時不斷調整牽引鋼絲繩的預緊力，避免自動繞繩時出現亂繞或斷裂的情況。

工作時，先啟動異步電機將配重拉起以張緊承重鋼絲繩。然后將伺服電機B設置為力矩模式，力矩方向為張緊鋼絲繩方向；將伺服電機A設置為位置模式，慢速由B向A方向轉動，直到拉力傳感器的拉力值達到要求，停止伺服電機，這樣牽引鋼絲繩就得到了預緊力。載荷由A向B運動時，兩臺電機均工作在位置模式下，將B電機設置為主動電機，A電機設置為從動電機，控制B電機轉動，A電機跟隨B電機同步轉動。載荷由B向A方向運動時，將A電機設置為主動電機，B電機設置為從動電機。當目標需要從高空放下時，轉動異步電機，慢慢放下承重鋼絲繩，將伺服電機A設置為力矩模式，自動適應載荷的重力跟隨異步電機轉動放下牽引鋼絲繩。

3控制方法研究

3.1控制系統設計

伺服電機具有速度精確、位置精度高、控制靈活、反應快等特點，因此本文選用伺服電機作為執行原件。由于很難測量載荷的實際位置和速度，所以本系統采用電機編碼器反饋的半閉環控制。控制系統原理如圖3所示。

4結語

根據系統要求計算出鋼絲繩的張力，根據系統特點設計出了成本較低又安全可靠的系統結構方案，并說明了系統的工作方法。設計了總線控制系統，推導出PID加速度前饋控制的控制量計算公式，并設計出系統的控制流程圖。

參考文獻：

[1]姜廣智，孫志國.懸鏈線方程在單跨單荷重懸索中的應用[J].吉林師范大學學報：自然科學版，2009，2（1）：3840.

[2]成大先.機械設計手冊[M].第5版.北京：化學工業出版社，2010.

[3]李志洲，鄭民欣，王錦錦，等.基于EtherCAT網絡的三軸伺服控制系統設計[J].組合機床與自動化加工技術，2012，2（2）：6365，71.

[4]郝雙輝，蔡一，鄭偉峰，等.基于前饋控制的交流伺服系統高速定位控制[J].微特電機，2010（2）：3537，40.

[責任編輯：譚忠華]endprint

摘要：為研究探測器對空中飛行物體的探測、識別、跟蹤等功能，建立一個空中飛行目標的模擬系統，并以鋼絲繩實現其傳動與荷載。從計算鋼絲繩的張緊力入手，設計出能夠適應大懸掛的安全運動系統；同時設計出模擬系統的運動控制方法，推導出控制量的計算公式，為系統的高精度控制提供理論基礎。

關鍵詞：懸掛載荷；大跨距；下垂度；張緊力

中圖分類號：U445.32文獻標志碼：B

Abstract： In order to study the functions of probe including probing flying subjects in the air and recognizing and tracking， a simulation system of flying subjects needs to be built， and transmitting and loading depend on wire ropes. So the tensile stress of wire rope was calculated based on the purpose of designing a safe movement system that applies to heavy load. The movement control method for the simulation system was designed， and the calculation formula for control parameter was deduced， which provides a theoretical basis for high precision control of the system.

Key words： hanging load； large span； sag； tensile stress

0引言

本文基于為某探測器所研制的戶外試驗配套設備，建立一個空中飛行目標的模擬系統，并通過改變模擬目標的大小、外觀特征、運動速度等來檢驗探測器對不同目標探測的精度。將模擬目標視為一個質量為30 kg的懸掛載荷，運動系統跨距70 m，最高速度達到5 m·s-1，速度精度優于001 m·s-1，運動軌跡為水平直線。如果采用傳統的剛性機構傳動，很難滿足該設備對運動跨距、載荷高度、背景遮蓋的要求。因此，本文選擇鋼絲繩作為運動傳動工具，重點研究如何實現懸掛載荷的高精度、大跨距、高速水平運動，其難點主要有以下幾點。

（1） 如何控制張緊力，并在大張緊力的情況下實現載荷的高速高精度運動。

（2） 鋼絲繩兩端使用滾筒收放，在自動排繩模式下，如何使鋼絲繩始終整齊地纏繞在滾筒上。

（3） 如何在大跨距、重載荷、高速度的條件下實現對運動的高精度控制。

1鋼絲繩張緊力計算

要實現鋼絲繩懸掛載荷做水平軌跡運動，首先要限制鋼絲繩的懸垂度。鋼絲繩的懸垂度由鋼絲繩所受的張緊力和載荷重力共同決定，將鋼絲繩視為沒有剛性的懸鏈線，將探測器視為載荷，其在A、B兩點間運動，運動系統可以簡化為圖1。

承重鋼絲繩的一端連接一臺普通異步電機，另一端連接一個1 400 kg的配重，當電機帶動承重鋼絲繩將配重提離地面后，鋼絲繩即受到14 kN的恒定張力而張緊。承重鋼絲繩同時作為載荷的運動軌道，載荷與承重鋼絲繩之間使用滾動接口連接。

牽引鋼絲繩中間固定在載荷上，兩端通過滑輪纏繞在滾筒上，滾筒由伺服電機驅動。在滾筒前加張力阻尼器和拉力傳感器，檢測鋼絲繩的拉力，同時不斷調整牽引鋼絲繩的預緊力，避免自動繞繩時出現亂繞或斷裂的情況。

工作時，先啟動異步電機將配重拉起以張緊承重鋼絲繩。然后將伺服電機B設置為力矩模式，力矩方向為張緊鋼絲繩方向；將伺服電機A設置為位置模式，慢速由B向A方向轉動，直到拉力傳感器的拉力值達到要求，停止伺服電機，這樣牽引鋼絲繩就得到了預緊力。載荷由A向B運動時，兩臺電機均工作在位置模式下，將B電機設置為主動電機，A電機設置為從動電機，控制B電機轉動，A電機跟隨B電機同步轉動。載荷由B向A方向運動時，將A電機設置為主動電機，B電機設置為從動電機。當目標需要從高空放下時，轉動異步電機，慢慢放下承重鋼絲繩，將伺服電機A設置為力矩模式，自動適應載荷的重力跟隨異步電機轉動放下牽引鋼絲繩。

3控制方法研究

3.1控制系統設計

伺服電機具有速度精確、位置精度高、控制靈活、反應快等特點，因此本文選用伺服電機作為執行原件。由于很難測量載荷的實際位置和速度，所以本系統采用電機編碼器反饋的半閉環控制。控制系統原理如圖3所示。

4結語

根據系統要求計算出鋼絲繩的張力，根據系統特點設計出了成本較低又安全可靠的系統結構方案，并說明了系統的工作方法。設計了總線控制系統，推導出PID加速度前饋控制的控制量計算公式，并設計出系統的控制流程圖。

參考文獻：

[1]姜廣智，孫志國.懸鏈線方程在單跨單荷重懸索中的應用[J].吉林師范大學學報：自然科學版，2009，2（1）：3840.

[2]成大先.機械設計手冊[M].第5版.北京：化學工業出版社，2010.

[3]李志洲，鄭民欣，王錦錦，等.基于EtherCAT網絡的三軸伺服控制系統設計[J].組合機床與自動化加工技術，2012，2（2）：6365，71.

[4]郝雙輝，蔡一，鄭偉峰，等.基于前饋控制的交流伺服系統高速定位控制[J].微特電機，2010（2）：3537，40.

[責任編輯：譚忠華]endprint