基于二維轉臺與空間方位角標定裝置的電磁軌道發射軸線標定與校準裝置設計

魏楓　王歡　宋玙薇

摘 要：針對出射角度誤差對電磁軌道發射指向精度產生的影響較大的問題，設計出一套發射軸線標定與校準裝置。并從系統構成、總體方案設計與控制系統設計等方面詳細介紹了技術方案。可用于二維調姿及設置任務工況、姿態及坐標測量、軸線標定及提供空間方位角坐標基準。對電磁發射指向精度的提高可以提供一定程度上的幫助。

關鍵詞：電磁發射；二維轉臺；空間方位角標定

中圖分類號：TM15 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）03-0006-05

Abstract： Aiming at the problem that the launching angle error has great influence on the pointing accuracy of electromagnetic track launching， a set of launching axis calibration and adjustment device is designed. The technical scheme is introduced in detail from the aspects of system constitution， overall scheme design and control system design. It can be used to adjust the attitude in two dimensions， to set up the working condition， to measure the attitude and coordinate， to calibrate the axis and to provide the coordinate datum of space azimuth， which can help improve the pointing accuracy of electromagnetic launch.

Keywords： electromagnetic launch； two-dimensional turntable； space azimuth calibration

在電磁軌道發射過程中，影響指向精度的幾個因素主要包括測角誤差、姿態指向精度、姿態穩定度、出射角度誤差等，其中出射角度誤差對指向精度的影響最大。

為了保證電磁軌道發射的指向精度和獲取相關的試驗數據，本文基于二維轉臺與空間方位角標定裝置設計一套電磁發射軸線標定與校準裝置。裝置主要完成的功能有：每輪發射試驗前，進行一次空間方位標校，記住本次方位角位置并調整二維轉臺使發射指向與標校位置重合，試驗開始后，在每次執行任務后調整二維轉臺至原始發射位置，使得每次發射角度都保持在原始角度。可用于滿足承載電磁發射裝置、二維調姿及設置任務工況、姿態及坐標測量、軸線標定及提供坐標基準的需求，對發射指向精度的提高具有積極作用。

1 系統構成

1.1 系統總體布局

本系統由二維轉臺與空間方位角標校裝置兩部分構成。其中二維轉臺由控制柜和機械臺體兩部分組成。空間方位角標校裝置由軸線角度標準裝置、標定工裝桿標準器與兩臺經緯儀組成。

（1）二維轉臺總體布局

平臺的布局為立式UI形式，平臺機械臺體主要由俯仰軸、方位軸、底座幾部分組成。方位軸垂直安裝在底座的支承結構上，俯仰軸軸線與方位軸垂直。方位軸與方位框架為U型結構。俯仰軸與俯仰框架為I型結構。

臺體的機械結構三維示意圖如圖1所示。

（2）空間方位角標校裝置總體布局

軸線角度標準裝置為負載后端大約五米處建造的一個水泥基準墩。標定工裝桿標準器為一系列標定標準器，用于精確無縫插入負載內部，便于精確測量負載軸線的指向。兩臺經緯儀作為現場測量的儀器設備。如圖2。

1.2 系統工作流程

軸線標定與校準裝置工作流程圖如圖3。

2 總體方案設計

2.1 二維轉臺方案設計

（1）機械臺體設計

俯仰軸和方位軸均采用蝸輪蝸桿+電機驅動以滿足旋轉和定位要求，選用圓光柵作為測角元件，完全能夠滿足精度要求。蝸輪蝸桿能自鎖定位，以便更好的保護轉臺和被測產品的安全。

（2）軸系設計

a.俯仰軸系設計

俯仰軸系是I形結構，設有負載安裝基準面。回轉部分采用電機驅動，蝸輪蝸桿傳動，支撐采用高精度圓錐滾子軸承，其中一端安裝角度測量元件。如圖5。

軸承的工作精度主要決定于旋轉精度，內環軸系是選用P4級精度的圓錐滾子軸承，背對背安裝結構。

兩個軸承的跨距設計是L，回轉誤差：

考慮到軸承的均化效應，實際回轉精度還稍有提高。

b.方位軸系設計

方位軸與俯仰軸垂直布置在一個平面上。U形框架的剖面為空心矩形，內部設有加強筋，可保證框架具有足夠的剛度。

U形框架與外環軸是采用螺釘連接。既加強了軸與框架的剛度，又保證了傳動要求。方位軸兩側軸系結構圖如圖6所示。

（3）緩沖結構設計

考慮到有沖擊問題，專門設計緩沖結構，避免因為沖擊，而損壞機械結構，如圖7所示。由組合碟簧構成，可以緩沖2000KG沖擊力，緩沖行程24mm。

（4）臺體力學分析說明

a.考慮承受較大的沖擊力，俯仰軸（X軸）及方位軸（Y軸）均采用圓錐滾子軸承。

b.俯仰軸及方位軸應進行剛度計算，以限制在沖擊力F作用下的變形量，即剛度足夠。

c.俯仰軸（X軸）采用電機經蝸桿驅動，其轉速和回轉精度，由控制系統保證。

d.方位軸（Y軸）采用電機經蝸桿驅動，同樣由自控系統控制回轉精度。

e.地腳螺栓，可調整一定量的水平度及升降。

f.框架受力較大，采用不銹鋼板焊接結構，并經過熱處理去除內應力。

2.2 空間方位角標校裝置方案設計

（1）指向方位角標定

標定工裝桿標準器，用于精確無縫插入負載中心，便于精確測量負載軸線的指向。

利用兩臺經緯儀，使用非接觸式大尺寸測量系統（LDMS）對其方位角進行測量，使用圖10中右端經緯儀（經緯儀1）瞄準負載后端基準立方鏡的反射面法線，此時經緯儀1的回轉中心為圓心，以其視線在水平面的投影為x軸，以通過經緯儀1回轉中心的鉛垂線為z軸，形成空間直角坐標系，稱為經緯儀坐標系。經緯儀1瞄準基準立方鏡的另一反射面法線，各自取數后再使兩經緯儀互瞄，所得數據經計算機處理，即可得出負載后端基準立方鏡三個反射面法線在經緯儀坐標系中的方向余弦；經緯儀1保持不動，經緯儀2轉向瞄準工裝桿立方鏡的反射面法線，并且兩經緯儀再次互瞄，所取數據經過處理即可得出工裝桿立方鏡法線在經緯儀坐標系中的方向余弦；經緯儀坐標系與負載基準立方鏡坐標系之間進行坐標矩陣變換，即可得出工裝桿立方鏡在負載基準立方鏡坐標系中的方向余弦。

（2）測量誤差分析

常用電子經緯儀是帶有自準直系統的高精度測量儀器，其顯示精度為2″，系統的測量誤差可控制在4″以內；

檢測目標（立方鏡）的制造誤差要求控制在2″～4″，加上安裝誤差，可以控制在6″以內；

基準墩指向誤差應控制在6″以內；

測量人員的視覺誤差，一般也可以控制在4″以內；在不更換人員的情況下，誤差還可減少；

每次數據的測量都要求重復進行三次，取算術平均值作為測量結果。

綜上所述，最大的綜合測量誤差可以控制在20″以內，滿足使用要求。

3 控制系統設計

3.1 硬件設計

（1）控制結構

為了使用和維護的方便，二維轉臺控制柜在設計上采用了模塊化的方法，電控系統框圖如圖11所示。

在這個系統框圖中，位置環、速度環控制器及數字差分部分均由控制計算機來實現；驅動部分接收到模擬控制量，經過功率放大后將控制指令輸出給電機；光電編碼器測角系統完成角位置測量，并反饋給控制計算機。

（2）數字控制模塊

控制計算機中的數字控制卡通過系統總線讀取測角系統的角度測量值，然后發送給CPU。同時，將CPU計算的控制指令經D/A轉換為模擬量提供給系統的功放模塊。數字控制卡與計算機的通信采用標準的ISA接口，提高了系統的可靠性和互換性。

數字控制卡直接插在控制柜中控制計算機的ISA插槽中即可。

控制卡設計采用Altera公司的高性能FPGA為核心處理芯片。芯片包括ISA總線控制接口、數字量輸入輸出緩沖接口、鎖相環、編碼器接口、數字濾波等幾部分功能。具體的控制卡結構框圖如圖13所示。控制卡通過ISA總線與工業計算機交互信息。

控制卡的核心部分是計數接口。控制卡將細分盒輸出的RS422方波編碼信號轉換成TTL信號，然后經過FPGA的濾波、解碼，從而將角度信號轉換為對應的數字值。工業控制計算機可以通過ISA總線實時讀取編碼器數據以及零位信號。

另外，為了防止計算機的死機，控制卡中加入了硬件看門狗的設計。硬件看門狗計數器每個時鐘周期加1，而工業控制計算機定時清空看門狗計數器。當計算機死機時，看門狗無法收到清空信號而導致計數器溢出，從而復位控制卡，使電機停止，保證系統的安全可靠。

3.2 軟件設計

（1）控制軟件設計

控制軟件擬基于RTX實時操作系統開發，是“強實時”控制軟件，控制周期設計為0.2ms，采用C/C++語言聯合開發。

控制軟件的結構是由兩部分組成：上層的人機交互部分（WinTCS）和底層的實時控制部分RealTime，如圖14所示。其中WinTCS使用Borland C++Builder 6.0開發而成，而RealTime.rtss則是利用Visual C++ 6.0使用純C語言開發而成，WinTCS和RealTime是兩個相對獨立的進程，二者通過觸發“事件”來進行通信，通過“共享內存”的方式進行數據交換，這樣可以避免進程之間的相互干擾，提高系統的可靠性。

（2）控制軟件主要功能

系統管理軟件主要包括自檢模塊、數據分析模塊和用戶交互模塊等上層功能。

在自檢模塊中完成故障診斷、性能檢測和一些基本的運動功能參數設定，軟件啟動時執行，通過對控制系統各部件的掃描檢測，判斷是否存在異常，并根據異常等級，給出從警告到禁止運行等保護措施，并定為出問題的設備和部件。

數據分析模塊，是對自檢或運行中所用的輸入輸出數據進行處理分析的模塊，用于性能測試和結果分析。

用戶交互模塊主要功能是與用戶進行交互，幫助用戶進行指令輸入和取得反饋輸出。比如以圖形界面形式進行指令設置，以文本文件形式進行指令和數據的輸出，通過曲線顯示數據，進行數據存儲和回放等。

系統開機后自動歸零并完成程序初始化后，進入自檢模塊，可通過功能鍵切換到其他狀態。控制軟件具有本地和遠程控制兩種控制模式。

二維轉臺本地控制時，控制計算機能以數據文件的形式讀入用戶給定的指令，還可以根據用戶需要生成多種形式可調的輸入信號數據，并控制二維承載平臺運動。

二維轉臺遠程控制時，計算機實時監測上位機發送過來的運動指令以及二維承載平臺狀態。

3.3 數字控制算法

二維轉臺的控制上采用數字PID調節算法，PID（比例-積分-微分）調節是控制系統中技術成熟，應用廣泛的一種控制技術，因此被廣泛地應用于各種控制系統中。它的特點是形成了典型的結構，參數整定及調節方便，結構改變靈活，適應性強。

其中，A為門限，大偏差時，積分項不起作用，偏差在門限之內時，引入積分算法，這樣既可以減少超調量，又可以使積分控制達到預期的效果。

由于二維轉臺的慣量、電機參數、要求各不相同，各個回路的PID參數也各不相同，需要根據實際情況調試。

4 結束語

裝置可完成空間方位角標校與二維調姿功能。在每次試驗之前進行一次空間方位標校，令二維轉臺記住本次方位角位置并調整指向與標校位置重合，試驗過程中，每次執行任務后使二維轉臺調整至原始發射位置。根據上述論述與計算，此套標定與校準裝置對發射指向精度有一定程度上的提高。

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