基于二維轉(zhuǎn)臺與空間方位角標(biāo)定裝置的電磁軌道發(fā)射軸線標(biāo)定與校準(zhǔn)裝置設(shè)計

魏楓　王歡　宋玙薇

摘 要：針對出射角度誤差對電磁軌道發(fā)射指向精度產(chǎn)生的影響較大的問題，設(shè)計出一套發(fā)射軸線標(biāo)定與校準(zhǔn)裝置。并從系統(tǒng)構(gòu)成、總體方案設(shè)計與控制系統(tǒng)設(shè)計等方面詳細(xì)介紹了技術(shù)方案?？捎糜诙S調(diào)姿及設(shè)置任務(wù)工況、姿態(tài)及坐標(biāo)測量、軸線標(biāo)定及提供空間方位角坐標(biāo)基準(zhǔn)。對電磁發(fā)射指向精度的提高可以提供一定程度上的幫助。

關(guān)鍵詞：電磁發(fā)射；二維轉(zhuǎn)臺；空間方位角標(biāo)定

中圖分類號：TM15 文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)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(tài)指向精度、姿態(tài)穩(wěn)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(fā)射的指向精度和獲取相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)，本文基于二維轉(zhuǎn)臺與空間方位角標(biāo)定裝置設(shè)計一套電磁發(fā)射軸線標(biāo)定與校準(zhǔn)裝置。裝置主要完成的功能有：每輪發(fā)射試驗前，進(jìn)行一次空間方位標(biāo)校，記住本次方位角位置并調(diào)整二維轉(zhuǎn)臺使發(fā)射指向與標(biāo)校位置重合，試驗開始后，在每次執(zhí)行任務(wù)后調(diào)整二維轉(zhuǎn)臺至原始發(fā)射位置，使得每次發(fā)射角度都保持在原始角度?？捎糜跐M足承載電磁發(fā)射裝置、二維調(diào)姿及設(shè)置任務(wù)工況、姿態(tài)及坐標(biāo)測量、軸線標(biāo)定及提供坐標(biāo)基準(zhǔn)的需求，對發(fā)射指向精度的提高具有積極作用。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)總體布局

本系統(tǒng)由二維轉(zhuǎn)臺與空間方位角標(biāo)校裝置兩部分構(gòu)成。其中二維轉(zhuǎn)臺由控制柜和機(jī)械臺體兩部分組成?？臻g方位角標(biāo)校裝置由軸線角度標(biāo)準(zhǔn)裝置、標(biāo)定工裝桿標(biāo)準(zhǔn)器與兩臺經(jīng)緯儀組成。

（1）二維轉(zhuǎn)臺總體布局

平臺的布局為立式UI形式，平臺機(jī)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(jié)構(gòu)上，俯仰軸軸線與方位軸垂直。方位軸與方位框架為U型結(jié)構(gòu)。俯仰軸與俯仰框架為I型結(jié)構(gòu)。

臺體的機(jī)械結(jié)構(gòu)三維示意圖如圖1所示。

（2）空間方位角標(biāo)校裝置總體布局

軸線角度標(biāo)準(zhǔn)裝置為負(fù)載后端大約五米處建造的一個水泥基準(zhǔn)墩。標(biāo)定工裝桿標(biāo)準(zhǔn)器為一系列標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)器，用于精確無縫插入負(fù)載內(nèi)部，便于精確測量負(fù)載軸線的指向。兩臺經(jīng)緯儀作為現(xiàn)場測量的儀器設(shè)備。如圖2。

1.2 系統(tǒng)工作流程

軸線標(biāo)定與校準(zhǔn)裝置工作流程圖如圖3。

2 總體方案設(shè)計

2.1 二維轉(zhuǎn)臺方案設(shè)計

（1）機(jī)械臺體設(shè)計

俯仰軸和方位軸均采用蝸輪蝸桿+電機(jī)驅(qū)動以滿足旋轉(zhuǎn)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(hù)轉(zhuǎn)臺和被測產(chǎn)品的安全。

（2）軸系設(shè)計

a.俯仰軸系設(shè)計

俯仰軸系是I形結(jié)構(gòu)，設(shè)有負(fù)載安裝基準(zhǔn)面。回轉(zhuǎn)部分采用電機(jī)驅(qū)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(zhuǎn)精度，內(nèi)環(huán)軸系是選用P4級精度的圓錐滾子軸承，背對背安裝結(jié)構(gòu)。

兩個軸承的跨距設(shè)計是L，回轉(zhuǎn)誤差：

考慮到軸承的均化效應(yīng)，實際回轉(zhuǎn)精度還稍有提高。

b.方位軸系設(shè)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(nèi)部設(shè)有加強(qiáng)筋，可保證框架具有足夠的剛度。

U形框架與外環(huán)軸是采用螺釘連接。既加強(qiáng)了軸與框架的剛度，又保證了傳動要求。方位軸兩側(cè)軸系結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

（3）緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到有沖擊問題，專門設(shè)計緩沖結(jié)構(gòu)，避免因為沖擊，而損壞機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖7所示。由組合碟簧構(gòu)成，可以緩沖2000KG沖擊力，緩沖行程24mm。

（4）臺體力學(xué)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(yīng)進(jìn)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(jī)經(jīng)蝸桿驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)精度，由控制系統(tǒng)保證。

d.方位軸（Y軸）采用電機(jī)經(jīng)蝸桿驅(qū)動，同樣由自控系統(tǒng)控制回轉(zhuǎn)精度。

e.地腳螺栓，可調(diào)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(jié)構(gòu)，并經(jīng)過熱處理去除內(nèi)應(yīng)力。

2.2 空間方位角標(biāo)校裝置方案設(shè)計

（1）指向方位角標(biāo)定

標(biāo)定工裝桿標(biāo)準(zhǔn)器，用于精確無縫插入負(fù)載中心，便于精確測量負(fù)載軸線的指向。

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

（2）測量誤差分析

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

檢測目標(biāo)（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(nèi)；

基準(zhǔn)墩指向誤差應(yīng)控制在6″以內(nèi)；

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

每次數(shù)據(jù)的測量都要求重復(fù)進(jìn)行三次，取算術(shù)平均值作為測量結(jié)果。

綜上所述，最大的綜合測量誤差可以控制在20″以內(nèi)，滿足使用要求。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

（1）控制結(jié)構(gòu)

為了使用和維護(hù)的方便，二維轉(zhuǎn)臺控制柜在設(shè)計上采用了模塊化的方法，電控系統(tǒng)框圖如圖11所示。

在這個系統(tǒng)框圖中，位置環(huán)、速度環(huán)控制器及數(shù)字差分部分均由控制計算機(jī)來實現(xiàn)；驅(qū)動部分接收到模擬控制量，經(jīng)過功率放大后將控制指令輸出給電機(jī)；光電編碼器測角系統(tǒng)完成角位置測量，并反饋給控制計算機(jī)。

（2）數(shù)字控制模塊

控制計算機(jī)中的數(shù)字控制卡通過系統(tǒng)總線讀取測角系統(tǒng)的角度測量值，然后發(fā)送給CPU。同時，將CPU計算的控制指令經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬量提供給系統(tǒng)的功放模塊。數(shù)字控制卡與計算機(jī)的通信采用標(biāo)準(zhǔn)的ISA接口，提高了系統(tǒng)的可靠性和互換性。

數(shù)字控制卡直接插在控制柜中控制計算機(jī)的ISA插槽中即可。

控制卡設(shè)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(shù)字量輸入輸出緩沖接口、鎖相環(huán)、編碼器接口、數(shù)字濾波等幾部分功能。具體的控制卡結(jié)構(gòu)框圖如圖13所示?？刂瓶ㄍㄟ^ISA總線與工業(yè)計算機(jī)交互信息。

控制卡的核心部分是計數(shù)接口。控制卡將細(xì)分盒輸出的RS422方波編碼信號轉(zhuǎn)換成TTL信號，然后經(jīng)過FPGA的濾波、解碼，從而將角度信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字值。工業(yè)控制計算機(jī)可以通過ISA總線實時讀取編碼器數(shù)據(jù)以及零位信號。

另外，為了防止計算機(jī)的死機(jī)，控制卡中加入了硬件看門狗的設(shè)計。硬件看門狗計數(shù)器每個時鐘周期加1，而工業(yè)控制計算機(jī)定時清空看門狗計數(shù)器。當(dāng)計算機(jī)死機(jī)時，看門狗無法收到清空信號而導(dǎo)致計數(shù)器溢出，從而復(fù)位控制卡，使電機(jī)停止，保證系統(tǒng)的安全可靠。

3.2 軟件設(shè)計

（1）控制軟件設(shè)計

控制軟件擬基于RTX實時操作系統(tǒng)開發(fā)，是“強(qiáng)實時”控制軟件，控制周期設(shè)計為0.2ms，采用C/C++語言聯(lián)合開發(fā)。

控制軟件的結(jié)構(gòu)是由兩部分組成：上層的人機(jī)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(fā)而成，而RealTime.rtss則是利用Visual C++ 6.0使用純C語言開發(fā)而成，WinTCS和RealTime是兩個相對獨(dú)立的進(jìn)程，二者通過觸發(fā)“事件”來進(jìn)行通信，通過“共享內(nèi)存”的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這樣可以避免進(jìn)程之間的相互干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。

（2）控制軟件主要功能

系統(tǒng)管理軟件主要包括自檢模塊、數(shù)據(jù)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(yùn)動功能參數(shù)設(shè)定，軟件啟動時執(zhí)行，通過對控制系統(tǒng)各部件的掃描檢測，判斷是否存在異常，并根據(jù)異常等級，給出從警告到禁止運(yùn)行等保護(hù)措施，并定為出問題的設(shè)備和部件。

數(shù)據(jù)分析模塊，是對自檢或運(yùn)行中所用的輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析的模塊，用于性能測試和結(jié)果分析。

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

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

二維轉(zhuǎn)臺本地控制時，控制計算機(jī)能以數(shù)據(jù)文件的形式讀入用戶給定的指令，還可以根據(jù)用戶需要生成多種形式可調(diào)的輸入信號數(shù)據(jù)，并控制二維承載平臺運(yùn)動。

二維轉(zhuǎn)臺遠(yuǎn)程控制時，計算機(jī)實時監(jiān)測上位機(jī)發(fā)送過來的運(yùn)動指令以及二維承載平臺狀態(tài)。

3.3 數(shù)字控制算法

二維轉(zhuǎn)臺的控制上采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)算法，PID（比例-積分-微分）調(diào)節(jié)是控制系統(tǒng)中技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛的一種控制技術(shù)，因此被廣泛地應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中。它的特點是形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定及調(diào)節(jié)方便，結(jié)構(gòu)改變靈活，適應(yīng)性強(qiáng)。

其中，A為門限，大偏差時，積分項不起作用，偏差在門限之內(nèi)時，引入積分算法，這樣既可以減少超調(diào)量，又可以使積分控制達(dá)到預(yù)期的效果。

由于二維轉(zhuǎn)臺的慣量、電機(jī)參數(shù)、要求各不相同，各個回路的PID參數(shù)也各不相同，需要根據(jù)實際情況調(diào)試。

4 結(jié)束語

裝置可完成空間方位角標(biāo)校與二維調(diào)姿功能。在每次試驗之前進(jìn)行一次空間方位標(biāo)校，令二維轉(zhuǎn)臺記住本次方位角位置并調(diào)整指向與標(biāo)校位置重合，試驗過程中，每次執(zhí)行任務(wù)后使二維轉(zhuǎn)臺調(diào)整至原始發(fā)射位置。根據(jù)上述論述與計算，此套標(biāo)定與校準(zhǔn)裝置對發(fā)射指向精度有一定程度上的提高。

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