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      機(jī)場激光驅(qū)鳥器掃描系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

      2013-09-06 01:20:42安慧珍
      山西電子技術(shù) 2013年1期
      關(guān)鍵詞:反射鏡伺服系統(tǒng)方位

      安慧珍

      (國營大眾機(jī)械廠第一研究所,山西太原 030024)

      0 引言

      近年來,隨著國內(nèi)外生態(tài)環(huán)境的改善和人民保護(hù)鳥類的意識的提高,鳥類越來越多。這給世界和中國軍民用航空業(yè)卻帶來了災(zāi)難。機(jī)場采取了各種各樣的驅(qū)鳥措施,并且起到了一定的效果。但現(xiàn)在世界范圍內(nèi)還沒有一種能解決全空域、全時間段的全能手段來驅(qū)鳥。驅(qū)鳥是一個世界性難題,是一個目前亟待解決的難題。

      機(jī)場激光驅(qū)鳥器掃描系統(tǒng)主要用以控制光線在機(jī)場允許范圍內(nèi)均勻掃描,刺激恐嚇鳥類,使其不敢在機(jī)場降落、盤旋、停留,達(dá)到保護(hù)航空安全,維護(hù)乘客的財產(chǎn)和生命安全的目的。

      1 技術(shù)指標(biāo)

      掃描半徑:1500m(平直跑道);

      方位掃描范圍:-120°~ +120°;

      俯仰掃描范圍:-4°~+2°;

      方位在-120°~+120°范圍內(nèi)做勻速(1°/s)重復(fù)掃描;

      俯仰在-4°~+2°范圍內(nèi)做勻速(1°/s)重復(fù)掃描。

      2 系統(tǒng)原理、功能、特點及組成

      2.1 工作原理

      系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)的設(shè)定及指令,能夠自動控制轉(zhuǎn)臺進(jìn)行方位、高低轉(zhuǎn)動,能夠自動控制光線掃描范圍、光斑停留位置和停留時間,原理框圖見圖1。

      圖1 原理框圖

      2.2 系統(tǒng)功能

      控制機(jī)柜內(nèi)部的激光器發(fā)射出激光,經(jīng)擴(kuò)束管擴(kuò)束后向上射入反射鏡,反射鏡由轉(zhuǎn)臺帶動進(jìn)行高低方位運動,反射出的激光在機(jī)場允許范圍內(nèi)均勻掃描,刺激、恐嚇鳥類,使其不敢在機(jī)場停留,保護(hù)航空安全,維護(hù)乘客的財產(chǎn)和生命。

      2.3 系統(tǒng)特點

      (1)連續(xù)工作時間長,可靠性要求高;

      (2)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速低,要求低速平穩(wěn)性好,回轉(zhuǎn)運動精度高;(3)由于采用激光系統(tǒng),要求該系統(tǒng)安全可靠性高。

      2.4 系統(tǒng)組成

      該系統(tǒng)由以下幾個分組成:方位伺服系統(tǒng)、高低伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、反射鏡系統(tǒng)、防護(hù)罩、回轉(zhuǎn)支撐等。系統(tǒng)組成見圖2。

      圖2 系統(tǒng)組成圖

      方位伺服系統(tǒng)包括方位電機(jī)、方位驅(qū)動器、方位減速器、方位傳感器、回轉(zhuǎn)主軸。

      高低伺服系統(tǒng)包括高低電機(jī)、高低驅(qū)動器、高低減速器、高低傳感器、高低軸系。

      控制系統(tǒng)由控制器、數(shù)據(jù)運算單元、數(shù)據(jù)存儲單元、數(shù)據(jù)通訊單元、接口單元、AD/DA轉(zhuǎn)換單元、DA轉(zhuǎn)換單元、脈沖發(fā)生單元等組成。

      反射鏡系統(tǒng)包括反射鏡和支撐。防護(hù)罩包括上罩體和下罩體。

      2.5 使用條件

      工作環(huán)境:室外;

      工作溫度:-10℃ ~+40℃;

      儲存溫度:-20℃ ~+50℃。

      3 各分系統(tǒng)設(shè)計

      3.1 方位伺服系統(tǒng)、高低伺服系統(tǒng)設(shè)計

      (1)方位掃描范圍:-120°~+120°,所以無需采用回流環(huán),可以節(jié)約生產(chǎn)成本。

      (2)因激光經(jīng)位于轉(zhuǎn)臺正下方的機(jī)柜內(nèi)擴(kuò)束器,射入反射鏡內(nèi),所以為使光束不受線纜的影響,采用雙層壁的設(shè)計方法。

      (3)軸承的選取:根據(jù)總體要求,主軸中心既要通過80~100mm光束,又要通過電纜,且電纜不允許干擾光束,同時需要承受軸向力和徑向力,選取向心推力球軸承。

      (4)傳動方式:齒輪傳動。

      齒輪傳動具有以下特點:

      ①效率高,在常用的機(jī)械傳動中,以齒輪傳動效率為最高,這對大功率傳動有很大的經(jīng)濟(jì)意義;

      ②結(jié)構(gòu)緊湊,比帶、鏈傳動所需的空間尺寸小;

      ③傳動比穩(wěn)定,傳動比穩(wěn)定往往是對傳動性能的基本要求;

      ④工作可靠、壽命長。

      根據(jù)實際結(jié)構(gòu)尺寸要求,擬定Z1=17,Z2=403,減速比i為 23.7。

      (5)電機(jī)選取:驅(qū)動部分是利用電機(jī)產(chǎn)生的力矩和力,通過機(jī)械傳動裝置來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。直流電機(jī)控制性能優(yōu)越,慣性小,啟動力矩高,因此這類系統(tǒng)的動作靈敏,快速響應(yīng)特性好,能迅速跟上控制信號的變化。

      選取電機(jī)時,初步估計各運動構(gòu)件相應(yīng)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量,并把所有參與運動構(gòu)件質(zhì)量或轉(zhuǎn)動慣量都等效到電機(jī)主軸上。并把各構(gòu)件所受的外力也同樣等效到電機(jī)主軸上進(jìn)行計算,動力學(xué)方程為[1]:

      式中:T——折算到電機(jī)主軸的轉(zhuǎn)矩;

      JM——電機(jī)主軸及同步運動件轉(zhuǎn)動慣量;J1——負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量;

      j1——從電機(jī)主軸到負(fù)載的速比;Tf1——摩擦轉(zhuǎn)矩;

      ω——電機(jī)角速度;

      t——時間。

      負(fù)載功率P的計算公式為:

      式中:T1——負(fù)載的轉(zhuǎn)矩;

      ω1——負(fù)載角速度;

      估算出負(fù)載功率P。

      以方位伺服系統(tǒng)為例計算,擬選方位電機(jī)BLM57050,具體參數(shù)見表1,電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量JM=0.011 9 Nm。

      方位角加速度為57.3°/s2(1 rad//s2),摩擦力矩Tf1要求做到0.12Nm。

      經(jīng)計算J1=108.5g·m2,代入公式(1)中,

      n電機(jī)=ω1·60/360=0.4 rpm.

      根據(jù)估算結(jié)果,進(jìn)行校核:

      ①負(fù)載力矩T=0.32 Nm小于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩0.29 Nm;

      ②電機(jī)功率大于估算功率P=1.8 W;

      ③電機(jī)轉(zhuǎn)速0.4 rpm小于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速Nn;

      ④負(fù)載等效慣量限制在2.5倍的電機(jī)慣量之內(nèi)。

      經(jīng)過校驗,選定方位電機(jī)為BLM57050電動機(jī),符合要求。同時,高低電機(jī)選為BLM57025。

      根據(jù)實際要求,距離為1500m時光斑的步長為200mm。

      伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。該電機(jī)帶有標(biāo)準(zhǔn)1000線編碼器,細(xì)分后達(dá)4000線,配以23.7倍減速器,其脈沖當(dāng)量為(2π×1500/360)×(360/4000/23.7)=120mm<200mm,精度足夠高,完全符合技術(shù)要求。

      估算出折算到電機(jī)主軸的轉(zhuǎn)矩T為0.32 Nm。

      表1 直流電機(jī)參數(shù)

      (6)傳感器的選擇與設(shè)計

      傳感器是實現(xiàn)測量和控制的首要環(huán)節(jié),是測量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。如果沒有傳感器對原始信號進(jìn)行準(zhǔn)確可靠地采樣和轉(zhuǎn)換,那么一切的測量和控制都將是不可靠的。因此要求所選傳感器有高準(zhǔn)確度和靈敏度,以保證儀表的測量和控制的可信度。

      行程開關(guān)采用霍爾傳感器,屬非接觸式傳感器,穩(wěn)定性好,工作安全、可靠。

      安全開關(guān)采用機(jī)械行程開關(guān),結(jié)構(gòu)簡單,功耗小,易于維修和校準(zhǔn),使用方便,工作安全、可靠。

      3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

      運動控制是一門有關(guān)如何對物體位置和速度進(jìn)行精密控制的技術(shù)。典型的運動控制系統(tǒng)由三部份構(gòu)成:控制部分;驅(qū)動部分;執(zhí)行部分[2]。如圖3所示。

      圖3 運動控制系

      其中運動執(zhí)行部件通常為步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)。當(dāng)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,加以放大,驅(qū)動電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動角度。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。

      控制器具備以下功能:

      (1)控制脈沖個數(shù)來控制角位移量;

      (2)控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度;(3)具有A/D轉(zhuǎn)換功能,進(jìn)行溫度檢測、電壓檢測、風(fēng)力檢測、雨量檢測;

      (4)具有檢測限位功能,通過I/O口檢測高低、方位安全開關(guān)的狀態(tài);

      (5)具有零點校正功能,通過I/O口對霍爾傳感器進(jìn)行零點校正;

      (6)具有檢測驅(qū)動器錯誤功能;(7)通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通訊。3.2.1 單片機(jī)控制電路

      單片機(jī)控制電路為控制器的核心部分,通過單片機(jī)和外圍芯片電路實現(xiàn)控制功能。單片機(jī)控制電路承擔(dān)數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸任務(wù),同時負(fù)責(zé)接收上位機(jī)下達(dá)的命令,以及系統(tǒng)的自檢等命令,以使系統(tǒng)可靠、有序地工作。

      3.2.2 電源部分設(shè)計

      該系統(tǒng)中單片機(jī)、傳感器需要5V直流電壓。市場上電源的技術(shù)比較成熟,能滿足本系統(tǒng)的要求,采用24V直流穩(wěn)壓電源一臺,通過7805、7812得到我們需要的電壓。

      3.2.3 硬件的抗干擾設(shè)計

      控制器中最容易受干擾的部位是電源、接地系統(tǒng)、輸入和輸出。在設(shè)計中采取了相應(yīng)的抗干擾措施。

      (1)采用光電隔離

      通常在數(shù)據(jù)信息的傳輸過程中,發(fā)送和接收之間存在明顯的接地電位差。這種電位差隨發(fā)送與接收的距離變化而變化,一般情況下距離越遠(yuǎn),電位差越大。在本設(shè)計中,由于驅(qū)動器的輸入電壓為24V,屬于高壓,容易產(chǎn)生串?dāng)_信號,同時考慮到高低電壓安全隔離,所以采用光電隔離。

      (2)采用抗干擾穩(wěn)壓電源

      采用抗干擾能力很強(qiáng)的三端穩(wěn)壓器件7805、7812等,克服絕大部分干擾。

      3.3 總體的造型設(shè)計

      造型設(shè)計也是總體設(shè)計中一個重要的問題。造型設(shè)計是與設(shè)備的功能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝、視覺感覺與市場關(guān)系緊密相關(guān)的重要設(shè)計工作。造型設(shè)計所采用結(jié)構(gòu)、材料和工藝要符合經(jīng)濟(jì)原則;還要使產(chǎn)品的外形、色彩和表面特征符合美學(xué)原則,以適應(yīng)人們的時尚要求,并從式樣、形態(tài)、風(fēng)格、氣氛上體現(xiàn)時代的特點[3]。

      圖4 外部造型圖

      本次設(shè)計中采用球體造型,該系統(tǒng)的整體各部分輕重對稱,相對和諧,減小風(fēng)阻;同時,采用止口設(shè)計,可防風(fēng)防雨;光線用反射鏡傳輸,有效減輕回轉(zhuǎn)體的重量;采用對稱設(shè)計法,使系統(tǒng)均衡穩(wěn)定。

      4 保證該系統(tǒng)精度的措施

      (1)選用D級回轉(zhuǎn)軸承,游隙小,回轉(zhuǎn)精度高,摩擦力矩小,低速平穩(wěn)性好;

      (2)為了減小摩擦扭矩,要求回轉(zhuǎn)主軸尺寸公差等級為IT6級,形位公差(同軸度、圓柱度、垂直度)等級達(dá)到IT4級;

      (3)齒輪加工精度等級為IT5級,研磨后精度等級為IT3級;

      (4)防護(hù)罩采用球體造型,減小風(fēng)阻。

      5 結(jié)論

      該系統(tǒng)已交付使用,從現(xiàn)場使用情況來看,運行精度高,低速平穩(wěn)性好,安全可靠,滿足技術(shù)要求。該設(shè)計是合理的、有效的。

      [1]郭慶鼎,孫宜標(biāo),王麗梅.現(xiàn)代永磁電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)[M].北京:中國電力出版社,2006.

      [2]浦昭邦,王寶光.測控儀器設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

      [3]王健石.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)手冊[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.

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