基于離心機(jī)的超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

任 逸，馬博涵，馬紅磊，肖艷華，尚世龍，王健全，祝 郁，李富柱

（1.江蘇大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2.北京市八一學(xué)校，北京 100080；3.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094）

0 引言

隨著我國(guó)航空事業(yè)的迅猛發(fā)展，第四代戰(zhàn)機(jī)列裝部隊(duì)對(duì)飛行人員的身體素質(zhì)和飛行能力提出了更高的要求[1-2]。機(jī)動(dòng)飛行引起的力學(xué)環(huán)境改變會(huì)對(duì)人體的前庭反應(yīng)和心血管功能產(chǎn)生影響[2-3]，如在完成大角度轉(zhuǎn)彎、側(cè)翻、旋轉(zhuǎn)等多種失速機(jī)動(dòng)動(dòng)作時(shí)，常常會(huì)誘導(dǎo)空暈病、空間定向障礙及意識(shí)喪失等現(xiàn)象[1,4]。此外，載人航天器交會(huì)對(duì)接、應(yīng)急返回等過(guò)程中也涉及復(fù)雜的動(dòng)態(tài)載荷。因此，如何有效訓(xùn)練、評(píng)價(jià)人體前庭功能穩(wěn)定性及過(guò)載耐受能力已成為目前航空航天醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。

生物反饋訓(xùn)練可以有效減輕運(yùn)動(dòng)病的癥狀，但對(duì)地面模擬試驗(yàn)設(shè)備提出較高的要求[5-6]。目前針對(duì)航空航天環(huán)境地面模擬平臺(tái)的研制已有許多成果，例如載人離心機(jī)作為地面模擬超重最有效的裝備，可使受試者真切感受到飛行對(duì)人體生理、心理的影響，并且能夠輔助檢查并評(píng)估飛行人員的過(guò)載耐受能力[7-8]；轉(zhuǎn)椅、轉(zhuǎn)床等設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體多方位的前庭刺激，用于評(píng)定人體前庭功能穩(wěn)定性及心血管功能[2,6]。然而，航空航天任務(wù)涉及極為復(fù)雜的復(fù)合動(dòng)力學(xué)環(huán)境，上述設(shè)備雖然安全穩(wěn)定、參數(shù)精確可控、重復(fù)性強(qiáng)，但通常只能模擬單一的特定運(yùn)動(dòng)環(huán)境，無(wú)法模擬實(shí)際飛行過(guò)程中復(fù)雜運(yùn)動(dòng)耦合的情況。因此，亟需研制復(fù)合環(huán)境模擬試驗(yàn)平臺(tái)。

超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合環(huán)境作為航空航天過(guò)程中常見(jiàn)的力學(xué)環(huán)境，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)相關(guān)的模擬設(shè)備或研究。本文基于超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合力學(xué)環(huán)境的特點(diǎn)開(kāi)展試驗(yàn)平臺(tái)的功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，借助轉(zhuǎn)臂式離心機(jī)及自轉(zhuǎn)座椅模擬超重、旋轉(zhuǎn)及超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合環(huán)境，重點(diǎn)圍繞設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件選型及連接、軟件控制等方面展開(kāi)論述，并開(kāi)展精度測(cè)試驗(yàn)證。

1 主要結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臂式離心機(jī)是模擬超重環(huán)境最主要的設(shè)備形式，可通過(guò)臂架旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力模擬超重力，且可以調(diào)整末端座椅來(lái)改變超重加載的方向[9]。為設(shè)計(jì)超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合試驗(yàn)平臺(tái)，在離心機(jī)的基礎(chǔ)之上，采用框架式自轉(zhuǎn)座椅替代傳統(tǒng)的固定座椅，并且以鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)作為座椅旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)方式，可在減小系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的同時(shí)提高設(shè)備的安全性與穩(wěn)定性。

超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合試驗(yàn)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括底座（含離心電機(jī)、減速器、支撐臺(tái)架及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)等）、旋轉(zhuǎn)支架（含轉(zhuǎn)臂、平衡臂及配重塊等）、自轉(zhuǎn)座椅（含自轉(zhuǎn)電機(jī)、傳動(dòng)鏈條、連接框架、座椅及蓄電池等）和控制柜（含可編程邏輯控制器PLC、控制單元及功率單元等）。離心機(jī)與自轉(zhuǎn)座椅各自采用單獨(dú)的控制系統(tǒng)，離心機(jī)旋轉(zhuǎn)支架由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，自轉(zhuǎn)座椅由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)，以確保在超重旋轉(zhuǎn)過(guò)程中二者走線互不影響。

圖1 超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合試驗(yàn)平臺(tái)樣機(jī)Fig.1 Prototype of the integrated hypergravity rotation test platform

結(jié)構(gòu)及質(zhì)量問(wèn)題是航天產(chǎn)品研制過(guò)程中需要考量的重要因素[10]。圖2 為自轉(zhuǎn)座椅結(jié)構(gòu)，其框架采用3003 鋁合金材料，可在保證足夠強(qiáng)度的同時(shí)減小設(shè)備整體質(zhì)量；座椅的鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)機(jī)構(gòu)采用06B單排鏈輪及06B 鏈條的組合，并在鏈條嚙合處增加滑輪式防脫裝置，機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為1∶2。

圖2 自轉(zhuǎn)座椅結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the self-rotating seat

本文所設(shè)計(jì)的超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合試驗(yàn)平臺(tái)主要用于中小型動(dòng)物及設(shè)備等的超重、旋轉(zhuǎn)及超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合模擬試驗(yàn)，以檢測(cè)不同空間環(huán)境下生物/設(shè)備的生理/工作狀況。試驗(yàn)平臺(tái)的主要技術(shù)指標(biāo)為：離心機(jī)轉(zhuǎn)臂半徑1.8 m，最大轉(zhuǎn)速100 r/min，加速時(shí)間不少于10 s，最大模擬過(guò)載20g（控制精度±0.05g）；自轉(zhuǎn)座椅最大轉(zhuǎn)速100 r/min，最大承重約12 kg。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

為避免離心過(guò)程中臂架旋轉(zhuǎn)對(duì)自轉(zhuǎn)座椅的控制系統(tǒng)走線產(chǎn)生影響，對(duì)離心機(jī)與自轉(zhuǎn)座椅采用單獨(dú)的控制系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)。離心機(jī)控制系統(tǒng)采用PC+PLC+伺服電機(jī)+編碼器的總體方案，系統(tǒng)框圖如圖3 所示。該方案具有較強(qiáng)的靈活性與可擴(kuò)展性，可確保緊湊設(shè)計(jì)下的高性能。其中，PC 負(fù)責(zé)人機(jī)交互，與PLC 直接通信；PLC 借助PID 控制器技術(shù)對(duì)象和工程組態(tài)SIMATIC STEP 7 Basic 中提供的支持編輯器進(jìn)行控制回路組態(tài)；伺服電機(jī)采用位置控制模式的三閉環(huán)負(fù)反饋PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)，反饋控制原理如圖4 所示。

圖3 離心機(jī)控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of centrifuge control system

圖4 離心機(jī)控制系統(tǒng)伺服電機(jī)的反饋控制原理Fig.4 Feedback control principle of servo motor in centrifuge control system

自轉(zhuǎn)座椅控制系統(tǒng)采用IPC+驅(qū)動(dòng)器+步進(jìn)電機(jī)的總體方案，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制可靠，整體走線沿臂架分布，能確保不受離心旋轉(zhuǎn)的影響。IPC 與驅(qū)動(dòng)器依靠24 V 蓄電池供電，步進(jìn)電機(jī)采用兩相86 型步進(jìn)電機(jī)，由IPC 直接發(fā)送脈沖信號(hào)控制。

2.2 硬件設(shè)計(jì)選型

離心機(jī)控制系統(tǒng)硬件參數(shù)如表1 所示。伺服電機(jī)自帶 AS24DQI 編碼器以及滑鍵和抱閘；控制單元控制單軸驅(qū)動(dòng)，帶有 PROFINET 和 TTL/HTL 編碼器的檢測(cè)電路，承擔(dān)與功率單元的通信、開(kāi)/閉環(huán)控制以及與 PLC 的通信，并通過(guò) FM-IF 接口與功率單元相連；功率單元為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格帶集成進(jìn)線濾波器；外接編碼器集電極開(kāi)路輸出（PNP），與電機(jī)內(nèi)置編碼器協(xié)同構(gòu)成三閉環(huán)負(fù)反饋 PID 控制；操作面板 BOP20 可設(shè)定參數(shù)、讀取診斷信息（如報(bào)警和故障消息）并且確認(rèn)故障；CF 卡固件版本為V4.8。

表1 離心機(jī)控制系統(tǒng)硬件參數(shù)Table 1 Hardware parameters of the centrifuge control system

自轉(zhuǎn)座椅控制系統(tǒng)各硬件參數(shù)如表2 所示。

表2 自轉(zhuǎn)座椅控制系統(tǒng)硬件參數(shù)Table 2 Hardware parameters of the self-rotating seat control system

2.3 控制系統(tǒng)原理

離心機(jī)控制電路如圖5 所示，采用三相四線制，U、V、W 為相線，N 為零線。所用的信號(hào)連接線均為雙絞線，以避免信號(hào)間的相互干擾。電氣柜中所有電氣組件接地端子都使用12 平黃綠線連接在接地母排PE 上。信號(hào)線接地柱與強(qiáng)電接地柱間距4 m 以上，以抑制強(qiáng)電信號(hào)對(duì)弱電信號(hào)的干擾。

圖5 離心機(jī)控制電路Fig.5 The centrifuge control circuit

自轉(zhuǎn)座椅控制系統(tǒng)中，采用24 V 直流輸出蓄電池給IPC 與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電，如圖6 所示。步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器組成開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)脈沖輸入直接控制電機(jī)動(dòng)作，控制可靠，動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速。

圖6 自轉(zhuǎn)座椅控制系統(tǒng)接線示意Fig.6 Wiring diagram of the self-rotating seat control system

3 軟件控制

人機(jī)交互系統(tǒng)與PLC 基于變量形式搭建人機(jī)界面（HMI）與控制過(guò)程之間的通信，I/O 模塊則是PLC 與控制過(guò)程交流的橋梁。HMI 利用變量讀取或?qū)懭隤LC 的控制數(shù)據(jù)，在PC 上進(jìn)行控制界面的組態(tài)，包括變量設(shè)置以及與PLC 之間的鏈接。

3.1 離心機(jī)控制界面

離心機(jī)控制系統(tǒng)采用SIMATICTIA Portal V15.1作為編程與控制軟件，集PLC 編程與wincc 編程于一體。其主頁(yè)面如圖7 所示，包括參數(shù)設(shè)置區(qū)、參數(shù)顯示區(qū)、控制按鈕及狀態(tài)顯示區(qū)、實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)顯示區(qū)以及手動(dòng)調(diào)速區(qū)等。其中，參數(shù)設(shè)置區(qū)主要為離心參數(shù)的輸入，包括載荷曲線路徑、旋轉(zhuǎn)半徑、數(shù)采周期與總數(shù)、載荷給定總數(shù)等；參數(shù)顯示區(qū)主要提示當(dāng)前讀取的載荷以及離心機(jī)實(shí)時(shí)的運(yùn)行情況；控制按鈕及狀態(tài)顯示區(qū)可以控制離心機(jī)啟/停、正/反轉(zhuǎn)及手動(dòng)/自動(dòng)模式等；實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)顯示區(qū)顯示實(shí)際載荷的曲線。超重離心結(jié)束后，載荷曲線會(huì)以數(shù)組的形式存放在wincc 的HMI 變量和PLC變量中，讀取結(jié)束后會(huì)自動(dòng)生成Excel 文件。

圖7 離心機(jī)控制軟件主頁(yè)面Fig.7 Main interface of the centrifuge control software

3.2 自轉(zhuǎn)座椅控制界面

自轉(zhuǎn)座椅控制系統(tǒng)采用三菱GX Works 2 作為組態(tài)工具，在進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，力求界面直觀、簡(jiǎn)潔。其控制界面如圖8 所示，輸入?yún)?shù)主要為運(yùn)行時(shí)間、座椅轉(zhuǎn)速以及正/反轉(zhuǎn)等。

圖8 自轉(zhuǎn)座椅控制軟件界面Fig.8 Interface of the self-rotating seat control software

4 測(cè)試驗(yàn)證

為測(cè)試超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合試驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)精度測(cè)試方案，包括單一超重精度測(cè)試、單一旋轉(zhuǎn)精度測(cè)試及超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合精度測(cè)試，分別選用2.5、5.0、10.0 kg 重力替代物進(jìn)行多運(yùn)轉(zhuǎn)水平模擬。

4.1 單一超重精度測(cè)試

此測(cè)試僅控制離心機(jī)運(yùn)動(dòng)，設(shè)置數(shù)據(jù)采集周期為1 s，待離心機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后連續(xù)采集100 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)并取平均值與輸入?yún)?shù)對(duì)比，記錄結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 單一超重精度測(cè)試記錄表Table 3 Hypergravity accuracy test record sheet

4.2 單一旋轉(zhuǎn)精度測(cè)試

此測(cè)試僅控制自轉(zhuǎn)座椅運(yùn)動(dòng)，采用秒表、測(cè)角儀等設(shè)備記錄旋轉(zhuǎn)一定圈數(shù)所需時(shí)間，多次測(cè)量后取平均值，記錄結(jié)果如表4 所示。

表4 單一旋轉(zhuǎn)精度測(cè)試記錄表Table 4 Rotation accuracy test record sheet

4.3 超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合精度測(cè)試

此測(cè)試中同時(shí)控制離心機(jī)與自轉(zhuǎn)座椅運(yùn)動(dòng)，通過(guò)Gopro 運(yùn)動(dòng)相機(jī)記錄復(fù)合加載過(guò)程中自轉(zhuǎn)座椅運(yùn)動(dòng)情況，離心機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)仍通過(guò)實(shí)時(shí)采點(diǎn)取均值的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，記錄復(fù)合加載下兩系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)情況，記錄結(jié)果如表5 所示。

表5 超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合精度測(cè)試記錄表Table 5 Hypergravity rotation composite accuracy test record sheet

通過(guò)各組測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：各運(yùn)轉(zhuǎn)水平下，離心機(jī)過(guò)載輸出相對(duì)誤差不超過(guò)0.5%；自轉(zhuǎn)座椅由于引入鏈條傳動(dòng)及手工測(cè)試的原因，旋轉(zhuǎn)相對(duì)誤差略大，但均平穩(wěn)完成測(cè)試。綜合對(duì)比表3、表4 和表5測(cè)試結(jié)果，離心機(jī)和自轉(zhuǎn)座椅控制系統(tǒng)間無(wú)明顯干擾，試驗(yàn)平臺(tái)效果達(dá)到預(yù)期要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在基于離心機(jī)的超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)中，采用自轉(zhuǎn)座椅代替?zhèn)鹘y(tǒng)固定座椅，分別搭建了獨(dú)立的離心機(jī)控制系統(tǒng)及自轉(zhuǎn)座椅控制系統(tǒng)，并開(kāi)展了精度測(cè)試驗(yàn)證。結(jié)果表明，該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)超重、旋轉(zhuǎn)及超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合等環(huán)境模擬，控制系統(tǒng)方便穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，能有效支撐相關(guān)模擬試驗(yàn)。

后期將進(jìn)一步完善平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，提高運(yùn)行精度，用于航空航天特因環(huán)境下人體生理與防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。