车载系统调平机构设计

一选题背景1．课题的来源、目的及意义：很多国防及工程机械，如导弹发射车、各种机动雷达天线座车、重型起重机、打桩机等，到达预定位置后, 为了增加其作业稳定性要求快速架设精确的水平基准使车身在工作过程中保持水平状态。

这些车载平台一般都设有液压支腿，支腿的形式和液压系统的组成多种多样，以往采用手动调整螺杆或液压千斤顶，通过观察水泡,由多人反复操作调节各螺杆支腿达到水平，这种方法调整时间长、精度低，操作难度大，且需要多人配合操作。

近年来，自动调平方法发展得很快，包括液压调平和机电调平系统，大大缩短了调平的时间,提高了调平的精度，只需要启动电源即可完成全部架设与调平。

常见的调平机构有螺旋支腿和液压支腿两种形式, 将多个支腿对称布置在发射系统两侧, 通过支腿的上下伸缩, 实现发射系统的调平。

而常用的支臂形式一般有折叠式支臂、收缩式支臂和仿生式支臂。

需要选择一种合适的调平方法，合适的支腿形式以及其布置结构达到高精度高可靠地调平，稳定地受力和支腿能轻松展开收拢的目的。

如今车载平台的调平应用得非常广泛，在军事上应用于雷达野战车，导弹发射车及火炮等高科技武器装备，在工业上应用于起重机，高空作业机，打桩机，挖掘机，摊铺机等多种工程机械。

如果能设计出一种更快速，更稳定，更高精度的调平机构将会大大增加这些武器快速投入战斗的能力和工程上的效率，可使我国的国防力量在这个方面得到很大的提高，工业经济方面也会得到很高的收益。

2．应解决的主要问题及技术指标：主要问题：（1）双轴水平传感器实现四点追逐式调平：在该方式下需要考虑控制系统与执行系统的精度问题（2）支腿的展开及布置形式：要易于操作，保证整车的通过性（3）支腿的受力分析：由于负载较大要考虑结构的刚性问题，影响调平精度，还要使四个支撑点的受力均匀避免其中有一腿不受力或悬空（4）液压缸的锁紧：由于液压缸的内泄漏不可避免，为保证长时间工作不出现软腿现象要在液压缸停止工作时将其锁紧。

技术指标：（1）整车自重小于4t,支腿展开及收拢采用自动控制式，展开5m x 5m（2）支腿收拢状态下离地高度大于车轮半径（约为250mm）（3）可在坡度小于2°的地面架设（4）调平时间小于2min3．国内外发展概况及存在的问题：由于车载调平机构在军事及工业上的应用相当广泛，目前国外研究自动调平装置的国家很多，比较领先的有德国，日本，美国等。

自20世纪六七十年代液压技术日渐成熟后国外大多开始使用液压调平技术，随着传感器的广泛应用机电调平技术也成熟起来，在导弹发射车，雷达车和很多工程机械上都得到了应用。

例如德国Rheinmetal DeTec AG 公司研制的35MM自行高炮采用双轴四轮炮架，射击时炮架由3个液压千斤顶支撑，并可自动调平。

战斗时液压泵旋臂向外转动并锁定，调平轴伸长，火炮抬起，炮轮翻起离地呈倾斜位置，火炮降到所需的高度并自动调平，自动化程度很高，我国也引进了部分技术。

美国GOMAO公司和德国的Wrtgen公司在混凝土摊铺机上都使用了电液调平系统和机液调平系统，突破了过去以固定模板修筑水泥混凝土路面的老方法，使其能够高质量、高速度地修建水泥混凝土高等级公路路面。

在国内调平技术成熟相对较晚，目前比较领先的有中国电子科技集团公司（CETC）第14研究所研制的YLC-20雷达，它的机动性非常好，系统采用车载运输方式，运用液压自动调平，天线电动升降等技术，可在1小时内完成系统架撤及调平，实现快速转移，投入作战的效率非常高。

我国在防空火炮，起重机及高空作业机上机液及电液调平技术也用得比较多，自动调平控制将影响到国内的很多行业，目前在雷达车上用得最为广泛，有很大的发展前景。

4．本设计的指导思想：本课题就是要设计一种可靠的能快速调平并能长期稳定工作的调平机构，安装在车载平台上使上面机构能正常准确地工作。

二方案论证1．调平系统的选择调平系统的特性及要求：（1）在移动状态下车载自动调平系统平台由载车运载,进入工作状态时,平台由支撑系统支撑并与地面脱离;（2）车载自动调平系统平台应在一定时间内（少于2分钟）调平, 满足一定的精度要求（平面度要求）;（3）车载自动调平系统平台一旦调平后, 应对其位置进行锁定, 以保证平台上的精密装置正常工作;（4）当车载自动调平系统平台偏离水平状态时, 应及时进行调平, 满足车载自动调平系统平台的水平要求;（5）当车载自动调平系统平台进入移动状态时,其支撑脚能快速升起。

目前在车体水平调节系统中，主要是使用液压驱动、电机驱动调平。

在选择方案时不仅要考虑对调平时间的要求,还必须注意平台的稳定性。

机电调平方案[1]：自动调平系统由4套撑腿、1套水平传感器和1套控制箱组成.撑腿由滚珠丝杆、减速机和带光电编码器的伺服电机组成;水平传感器采用双轴电子水平监测器;控制箱由4 套撑腿电机驱动器、低压电源、接口转换板、状态文本显示器、PLC控制器、继电器、温控加热器、风扇以及保护开关等机电器件组成。

调平方法：图 1 水平传感器方向四点支撑的工作平台的X 轴、Y 轴是根据水平传感器的安装位置确定的工作平台面上互相垂直的两个轴向。

调节一个平面到水平状态的调节过程可以有单向调节和多点调节两种方案。

若采用多点调节,则各点都同时运动,调整到一个预定点,其特点是速度快,但算法复杂. 由于四点支撑的工作平台是一刚性结构,其平衡处于静不定状态,多点调节时因每个撑腿的位移、速度均不相同,四个撑腿的运动相互制约,具体控制算法难以实现,而且由于每个撑腿的受力不一致而容易发生伺服电机过载。

因此这里采用单向调节的方案,即先将X 轴方向调平,再将Y 轴方向调平。

虽调节时间稍长,但协调性好.调平过程中调节的是四点的相对高度, 为了有效消除伺服传动系统的反向间隙和死区影响,提高系统的调节精度, 具体调节过程中采用向最高点看齐的方法,即保持相对最高点不同,把低点调高,这样工作台就只有上升运动。

调平过程：在工作平台的撑腿着地后, 控制系统开始进行调平。

通过水平传感器的检测信号,可以找出工作平台的最高点。

将水平传感器按如图 1所示方向安置于工作平台上,传感器输出含有X 和Y 轴信号,它们是与水平误差(角度) 成线性关系的模拟直流电压信号。

最高点判断：当X 值大于0 , Y 值小于0 时,撑腿1 为最高点; X 值小于0 , Y 值小于0 时,撑腿2 为最高点;X 值小于0 , Y 值大于0 时, 撑腿3 为最高点; X值大于0 , Y 值大于0 时,撑腿4 为最高点。

假设撑腿着地后撑腿1 为最高点(其他撑腿为最高点的情况相似) , 根据水平传感器的信号,可以分别进行X 轴和Y 轴方向的调节。

如先进行X 轴调节,其过程如下:撑腿1 和4 不动, 撑腿2和3 同时上升一定位移, 即工作平台绕撑腿1 和4 为轴线旋转,撑腿2 和3 同时上升,如图(a) 所示,上升的数值由控制系统根据水平传感器的X轴反馈值决定,直至X 轴呈水平状态。

Y 轴调节与X 轴类似,如图(b) 所示。

若工作台的X 轴和Y 轴调节成水平状态,则可认为工作台已处于水平状态。

调平控制原理：根据系统实际情况,可以考虑两种调平算法:a. 开环调节,即计算出工作低边与高边的垂直高度差,直接控制低边撑腿上升到这一高度;b. 闭环调节,在低边撑腿上升过程中不断地测量工作台的倾角,且不断调整,当工作台的倾角符合调平要求时,撑腿停止运动,调平过程结束。

开环调节算法要求工作台是一理想的刚性平面,工作台无扭曲变形,四条撑腿安装一致且与工作台面垂直,调节过程中工作台绝对无变形。

上述条件在实际中是无法保证的。

而闭环调节算法对控制对象的一些软参数要求不高,实际调节效果好。

因此,调平控制系统采用闭环调节方法,其控制框图如图2 所示。

控制器根据工作平台的水平传感器来控制执行机构的动作和位移,工作台的调平精度完全由水平传感器决定,使调平系统成为一闭环控制系统。

控制系统硬件组成：控制系统由控制器、通信、检测、执行机构4个部分组成,具体包括可编程控制器,中惯量带抱闸交流伺服电机、双轴水平传感器等。

通信部分：包括PLC 与操作员面板之间的通信和PLC 与上位机之间的通信两个部分。

传感器检测：系统需要检测工作平台水平状态、撑腿力矩的大小、撑腿丝杆的位移。

工作平台水平状态来自双轴水平传感器。

它能检测平面坐标X 轴和Y 轴方向上两路水平误差信号, 输出与水平误差(角度) 呈线性关系的模拟直流电压信号和角度显示信号。

水平传感器是整个调平系统中一个极为关键的传感器,其性能的好坏直接影响整个系统的调平时间和调平精度。

检测撑腿力矩的大小主要是防止撑腿内部故障或外部因素导致撑腿卡死时,强行驱动撑腿运动而导致伺服电机过载或撑腿丝杆损坏。

撑腿丝杆位移(撑腿行程) 的检测是通过伺服电机自带的旋转编码器的反馈来实现的,伺服电机驱动器输出A ,B 相脉冲,经过电平转换后,通过PLC 上的双向高速计数器转换为撑腿行程。

执行机构：本系统四条撑腿的驱动采用全数字交流伺服电机,控制模式为模拟电压速度控制,其优点在于定位速度快,精度高。

采集驱动器上的编码器信号和转矩信号送至PLC ,可以方便地实现控制系统的位置闭环和转矩闭环。

液压调平方案：六点支撑液压式平台自动调平系统：[2]平台上安放有一套精密的光学瞄准装置, 平台尺寸为3 m×9 m , 平台重量加上负载超过30t, 并且调平精度为3’。

平台控制方式：三点即可确定一个平面。

因此, 三条腿就能支撑平台。

但由于平台面积大, 负载大, 其上设备要求基准精度高, 故刚度成为一个突出问题。

为了提高刚度,系统采用六腿支撑。

支撑腿的分布由负载情况及强度、刚度条件确定。

这样, 平台的支撑就成为三次超静定问题。

故提高刚度是以增加静不定次数、加大控制难度为代价的。

平台的六个支撑点如图3 所示。

图3 平台支撑点示意图电液伺服系统是由电气的信号处理部分与液压的功率输出部分组成的闭环控制系统。

它综合了电气和液压两方面的优点, 因此, 在负载大, 又要求响应速度快, 控制精度高的场合, 使用电液伺服系统最为合适。

由于计算机技术日益得到广泛应用, 用计算机对电液伺服系统进行实时控制是液压技术发展的一个重要趋势。

调平机构电液伺服系统工作原理方块图如图4 所示。

由计算机控制六套完全相同的阀控液压缸装置。

水平传感器安装在平台上。

按与平板长度方向平行的方向布置A、B水平仪, 如图1 所示。

水平仪输出的位置信号经过放大和电平变换后, 送给CPU 的A/D通道, 转换为数字量后, 参与平台调整算法。

调平结束执行锁定。

图4 调平机构电液伺服系统工作原理方块图调平机构液压系统：为使平台调平后能立即锁定, 并在一定的时间内保持精度, 系统采用了液压锁和带机械锁定装置的液压缸。