姚俊杰，武利生，郭懷亮

(太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原 030024)

環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)是針對(duì)大氣污染物傳輸和擴(kuò)散研究工作的一種較為先進(jìn)的試驗(yàn)手段。在風(fēng)洞試驗(yàn)中，通過控制探頭在試驗(yàn)段中的移動(dòng)，可以測(cè)量速度分布、脈動(dòng)壓力和湍流度等。過去做風(fēng)洞試驗(yàn)，需要人工調(diào)整移測(cè)設(shè)備的方位，致使試驗(yàn)周期長、測(cè)量誤差大。為了提高風(fēng)洞試驗(yàn)的效率及其測(cè)量的準(zhǔn)確度，研究人員研發(fā)出一些適用于風(fēng)洞試驗(yàn)的移測(cè)裝置。楊立軍等［1］研發(fā)出了一套移測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)支架上下移動(dòng)，固定于支架上的探頭可測(cè)0～2 m高度任意位置的氣壓，由此解決了風(fēng)洞內(nèi)豎向自動(dòng)測(cè)量的問題，但是其他兩個(gè)方向的移動(dòng)還需要借助人工操作，其試驗(yàn)效率還略顯不足;倪欣等人［2］研發(fā)出一套二維數(shù)控移測(cè)系統(tǒng)，該移測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于試驗(yàn)段截面積為300 mm×800 mm的風(fēng)洞中，可以完成某一橫截面上的自動(dòng)測(cè)量，其控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)控制與手動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)控制兩套系統(tǒng)，方便了移測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程和現(xiàn)場(chǎng)操作，但是不同截面的測(cè)量需借助人工移動(dòng)設(shè)備。祝明紅等［3］開發(fā)出一套適用于激光流速測(cè)量的移測(cè)架系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用于φ3.2 m風(fēng)洞中，直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)3根滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)3個(gè)方向的移動(dòng)，只需要將探頭安裝于支架上，便可以完成風(fēng)洞內(nèi)參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量，提高了風(fēng)洞試驗(yàn)的效率，但是其X、Y、Z三個(gè)方向的支撐結(jié)構(gòu)導(dǎo)致迎風(fēng)面積較大，一定程度上干擾了風(fēng)洞內(nèi)的流場(chǎng)。

上述各移測(cè)系統(tǒng)從一些方面解決了之前人工操作效率低下的問題，實(shí)現(xiàn)了移測(cè)設(shè)備的自動(dòng)化，但與此同時(shí)也帶來了新的問題，比如:如何降低移測(cè)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)帶來的擾動(dòng);如何提高移測(cè)系統(tǒng)在一定風(fēng)載荷下的穩(wěn)定性等。為了解決以上問題以及現(xiàn)有技術(shù)的不足，作者所在的科研團(tuán)隊(duì)結(jié)合小型環(huán)境風(fēng)洞的特點(diǎn)對(duì)移測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，開發(fā)了一種全新結(jié)構(gòu)的三維移測(cè)機(jī)。

1 移測(cè)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

移測(cè)機(jī)安裝于試驗(yàn)段截面積為600 mm×600 mm的風(fēng)洞中，設(shè)計(jì)風(fēng)速為3～40 m/s。具體指標(biāo)如下:整套設(shè)備的迎風(fēng)面積S1不超過風(fēng)洞截面積S的6%;探頭在X、Y、Z三個(gè)方向上的移動(dòng)距離分別為12 000、500、280 mm，位置精度分別為 ±0.5、±0.1、±0.1 mm;在最大風(fēng)速下，安裝于支架上的探頭抖動(dòng)不超過0.5 mm。移測(cè)機(jī)的三維機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

(1)驅(qū)動(dòng)部分

移測(cè)機(jī)在X、Y、Z三個(gè)方向上都采用了松下MINAS A5系列交流伺服電機(jī)作為動(dòng)力源。其中，X向采用了雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的形式。相比單電機(jī)，雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)不僅可以增加系統(tǒng)的動(dòng)力儲(chǔ)備，而且能使電機(jī)質(zhì)量平均分配于整個(gè)移測(cè)機(jī)之中，有利于提高設(shè)備整體的穩(wěn)定性。此外，3個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)電機(jī)全部沿風(fēng)洞軸向旁置于移測(cè)機(jī)的兩側(cè)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上減小了系統(tǒng)的迎風(fēng)面積，降低了系統(tǒng)對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)的干擾。

(2)傳動(dòng)部分

如圖1所示，移測(cè)機(jī)由X向?qū)к?、Y向光桿導(dǎo)柱17、Z向傳動(dòng)軸7和傳感器支架19以及支架滑移組件20組成。X向?qū)к壥钦麄€(gè)設(shè)備的支撐和導(dǎo)向，該導(dǎo)向裝置是由兩條高精度齒條導(dǎo)軌拼接組成的，安裝在風(fēng)洞內(nèi)壁兩側(cè)，整個(gè)移測(cè)設(shè)備懸掛于導(dǎo)軌之上，移測(cè)機(jī)左右兩側(cè)的機(jī)架配以加強(qiáng)筋13，防止設(shè)備發(fā)生傾覆，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性。

X向的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)3通過安裝在機(jī)架12上的減速機(jī)14，再經(jīng)齒輪9、10減速后，帶動(dòng)與齒條嚙合的小齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)移測(cè)機(jī)整體X向的平移運(yùn)動(dòng)。

Y向電機(jī)16通過固定在機(jī)架上的行星減速器14帶動(dòng)同步帶輪15轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使傳感器支架滑移組件20在同步帶18的帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)Y向的平移運(yùn)動(dòng)，Y向光桿導(dǎo)柱17與Z向傳動(dòng)軸8起到支撐與導(dǎo)向的作用。

Z向電機(jī)5通過固定在機(jī)架上的減速機(jī)6帶動(dòng)Z向傳動(dòng)軸7轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)軸上沿軸向安裝有長鍵，用來帶動(dòng)置于支架滑移組件之中的Z向傳動(dòng)齒輪8轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器支架19為矩形狀，嵌在支架滑移組件的導(dǎo)向槽中，其一側(cè)帶有齒條，隨著大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而上下移動(dòng)，完成Z向的平移運(yùn)動(dòng)，另一側(cè)帶有V形槽，用來固定傳感器。

綜上所述，該移測(cè)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

(1)系統(tǒng)具有3個(gè)自由度，且各自由度之間沒有耦合，可以根據(jù)需要對(duì)某一方向單獨(dú)測(cè)量;

(2)3個(gè)方向上的電機(jī)全部沿風(fēng)洞軸向旁置在移測(cè)機(jī)兩側(cè)，Y向光桿導(dǎo)柱與Z向傳動(dòng)軸處于同一高度，這些特點(diǎn)從結(jié)構(gòu)上減小了系統(tǒng)的迎風(fēng)面積，降低了對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)的影響。

由表1可知，移測(cè)機(jī)的迎風(fēng)面積S1占風(fēng)洞橫截面積S的5.98%＜6%。同時(shí)，移測(cè)機(jī)的迎風(fēng)部分大都經(jīng)設(shè)計(jì)安裝在了風(fēng)洞內(nèi)壁兩側(cè)，對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)的實(shí)際影響則更小。

表1 移測(cè)機(jī)迎風(fēng)面積

(3)X向采用了雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，平衡了系統(tǒng)的質(zhì)量分配，提高了在風(fēng)力作用下的穩(wěn)定性，增加了系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力;

(4)傳感器支架采取V形槽固定測(cè)量探頭，保證探頭與來流的平行度。

2 移測(cè)機(jī)控制系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件主要包括松下FP0R系列PLC型號(hào)為C16CT、數(shù)字量I/O單元 E16RS、模擬量 I/O單元FP0-A21、交流伺服電機(jī)MSMD012G1U、交流伺服驅(qū)動(dòng)器MADHT1505E、維控觸摸屏以及組態(tài)王?？刂葡到y(tǒng)硬件布局如圖2所示。

圖2 移測(cè)機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

(1)FPOR與MINAS A5系列交流伺服電機(jī)－驅(qū)動(dòng)器組成的軸定位控制系統(tǒng)

MINAS A5系列交流伺服驅(qū)動(dòng)器是日本松下電器公司生產(chǎn)的全數(shù)字化交流伺服裝置，具有速度控制、位置控制和轉(zhuǎn)矩控制3種控制方式。此系統(tǒng)采用位置控制方式。松下FPOR系列PLC提供了多重脈沖輸出方式。此系統(tǒng)采用Pulse/Sign(正轉(zhuǎn)ON/反轉(zhuǎn)OFF)輸出方式［4］，將PLC脈沖輸出端子分別與驅(qū)動(dòng)器上的脈沖信號(hào)端子 (PULS)和方向信號(hào)端子 (SIGN)連接，驅(qū)動(dòng)器接受來自PLC的脈沖序列信號(hào)，從而控制電機(jī)的加速時(shí)間、減速時(shí)間、旋轉(zhuǎn)角度以及旋轉(zhuǎn)速度，同時(shí)接受編碼器的反饋值，實(shí)時(shí)校正與目標(biāo)值的偏差，從而實(shí)現(xiàn)了伺服電機(jī)的閉環(huán)控制［5］。

(2)風(fēng)機(jī)控制

此控制系統(tǒng)采用西門子MM440變頻器來控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，變頻器接受來自模擬I/O單元FP0-A21的模擬電壓信號(hào) (0～10 V)，隨著模擬輸入電壓的不斷改變，變頻器的頻率輸出量也緊緊跟隨給定量的變化，從而平滑無級(jí)地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小。

(3)人機(jī)交互

此系統(tǒng)采用維控觸摸屏和組態(tài)王兩種人機(jī)交互，通過簡單的參數(shù)設(shè)置以及相應(yīng)的按鍵控制移測(cè)機(jī)，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字量以及模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成形象的圖形動(dòng)畫，并顯示在屏幕上，方便研究人員實(shí)時(shí)了解設(shè)備狀態(tài)。人機(jī)界面與PLC相結(jié)合，擴(kuò)展了PLC的功能，減少了按鈕、儀表等儀器的使用 。

3 雙電機(jī)的同步控制

X向采用了雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了保證移測(cè)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，必須實(shí)現(xiàn)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的同步運(yùn)轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及運(yùn)轉(zhuǎn)圈數(shù)是由上位機(jī)的脈沖序列決定的，所以只需要讓兩個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器接收到的脈沖序列同步即可。為了解決這個(gè)問題，硬件電路上采用了如圖3的形式。

圖3 控制單元電路

將驅(qū)動(dòng)器DRV1和DRV2的PULS和SIGN接口同時(shí)接到FPOR的CH0(Y0 Y1)脈沖輸出通道，使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器接收到相同的脈沖信號(hào)以及方向信號(hào)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的同步運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)際運(yùn)行表明，此方案完全可行。

4 移測(cè)機(jī)控制系統(tǒng)軟件

按照風(fēng)洞試驗(yàn)的要求，制定出如圖4所示的軟件系統(tǒng)流程。

圖4 控制系統(tǒng)軟件流程圖

該控制軟件采用松下FPWIN GR、觸摸屏自帶軟件以及組態(tài)王編寫，各模塊功能如下:

初始化模塊。在PLC上電的第一個(gè)掃描周期內(nèi)，初始化速度極限、坐標(biāo)極限和步長極限等參數(shù)。

復(fù)位模塊。此模塊采用JOG運(yùn)行 (F172)指令實(shí)現(xiàn)，當(dāng)按下回參考點(diǎn)按鈕時(shí)，移測(cè)機(jī)開始移動(dòng)，直到運(yùn)行于參考點(diǎn)傳感器位置時(shí)，各軸歸零。

手動(dòng)模塊。此模塊采用JOG運(yùn)行 (F172)指令實(shí)現(xiàn)，當(dāng)按下手動(dòng)按鈕時(shí)，移測(cè)機(jī)根據(jù)設(shè)定好的速度開始移動(dòng)，抬起按鈕時(shí)，移測(cè)機(jī)停止。

模式運(yùn)行模塊。此模塊包含定位、步進(jìn)和自動(dòng)3種功能，采用梯形控制 (F171)指令實(shí)現(xiàn)。其中，定位功能根據(jù)人機(jī)界面軟件的參數(shù)設(shè)定值，控制移測(cè)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行到風(fēng)洞內(nèi)指定位置;步進(jìn)功能根據(jù)設(shè)定好的步長，控制移測(cè)機(jī)每一次運(yùn)行固定的距離;自動(dòng)功能可以看作是多次步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，只是不用再進(jìn)行操作，只需要設(shè)置步長、步數(shù)和停留時(shí)間，移測(cè)機(jī)便會(huì)按照參數(shù)自動(dòng)運(yùn)行。

監(jiān)視模塊。實(shí)時(shí)顯示移測(cè)機(jī)的工作狀態(tài)，方便研究人員記錄數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)安全模塊。在程序運(yùn)行過程中，為了防止操作人員誤操作，設(shè)置了速度以及坐標(biāo)的極大極小安全值，即使輸入的數(shù)據(jù)超過極限值，系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)寫入安全值以防發(fā)生意外。另外，在每個(gè)方向上分別安裝了兩個(gè)極限位置傳感器，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行到極限位置時(shí)會(huì)自動(dòng)停止，防止發(fā)生機(jī)械碰撞。

5 結(jié)論

介紹了一種適用于小型環(huán)境風(fēng)洞的移測(cè)機(jī)，通過雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)旁置等措施，平衡了設(shè)備的質(zhì)量分配，減小了設(shè)備的迎風(fēng)面積，不僅降低了機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)帶來的擾動(dòng)，同時(shí)也降低了移測(cè)機(jī)所受風(fēng)阻，提高機(jī)械系統(tǒng)在風(fēng)力作用下的穩(wěn)定性，保證了定位精度，見表2。其控制系統(tǒng)綜合了PLC強(qiáng)大的控制功能以及觸摸屏、組態(tài)王這兩種人機(jī)界面友好、設(shè)計(jì)簡捷的優(yōu)點(diǎn)。圖5是該移測(cè)機(jī)風(fēng)洞中試運(yùn)行時(shí)的圖片。實(shí)際調(diào)試運(yùn)行表明，該移測(cè)機(jī)可以滿足風(fēng)洞試驗(yàn)的要求。

表2 位移精度檢測(cè) mm

圖5 風(fēng)洞移測(cè)機(jī)實(shí)物

［1］楊立軍，施洪昌.風(fēng)洞移測(cè)架控制系統(tǒng)［J］.測(cè)控系統(tǒng)，2005，24(4):80 －84.

［2］倪欣，張彬乾，張昌民.風(fēng)洞敏感流場(chǎng)測(cè)量的二維精密數(shù)控移測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2006，25(4):434－437.

［3］祝明紅，張鈞，沈志宏，等.PDPA移測(cè)架系統(tǒng)的研制與應(yīng)用［J］.流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測(cè)量，2004，18(1):62－66.

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［5］王建平，靖新.利用PLC脈沖輸出和高速計(jì)數(shù)功能實(shí)現(xiàn)軸的精確定位控制［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，22(1):168 －172.

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［7］松下電工株式會(huì)社.Panasonic MINAS A5系列交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用說明書［M］.2010.

［8］殷洪義，吳建華.PLC原理與實(shí)踐［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［9］李周復(fù).風(fēng)洞特種實(shí)驗(yàn)技術(shù)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2010.