小型环境风洞三维移测机

2015-02-24姚俊杰武利生郭怀亮

机床与液压 2015年16期

姚俊杰，武利生，郭怀亮

(太原理工大学机械工程学院，山西太原 030024)

环境风洞试验是针对大气污染物传输和扩散研究工作的一种较为先进的试验手段。在风洞试验中，通过控制探头在试验段中的移动，可以测量速度分布、脉动压力和湍流度等。过去做风洞试验，需要人工调整移测设备的方位，致使试验周期长、测量误差大。为了提高风洞试验的效率及其测量的准确度，研究人员研发出一些适用于风洞试验的移测装置。杨立军等［1］研发出了一套移测系统，该系统使用一个步进电机驱动支架上下移动，固定于支架上的探头可测0～2 m高度任意位置的气压，由此解决了风洞内竖向自动测量的问题，但是其他两个方向的移动还需要借助人工操作，其试验效率还略显不足;倪欣等人［2］研发出一套二维数控移测系统，该移测系统应用于试验段截面积为300 mm×800 mm的风洞中，可以完成某一横截面上的自动测量，其控制系统包括计算机控制与手动现场控制两套系统，方便了移测系统的远程和现场操作，但是不同截面的测量需借助人工移动设备。祝明红等［3］开发出一套适用于激光流速测量的移测架系统，该系统应用于φ3.2 m风洞中，直流伺服电机驱动3根滚珠丝杠实现3个方向的移动，只需要将探头安装于支架上，便可以完成风洞内参数的自动测量，提高了风洞试验的效率，但是其X、Y、Z三个方向的支撑结构导致迎风面积较大，一定程度上干扰了风洞内的流场。

上述各移测系统从一些方面解决了之前人工操作效率低下的问题，实现了移测设备的自动化，但与此同时也带来了新的问题，比如:如何降低移测系统机械结构对风洞流场带来的扰动;如何提高移测系统在一定风载荷下的稳定性等。为了解决以上问题以及现有技术的不足，作者所在的科研团队结合小型环境风洞的特点对移测系统进行了研究，开发了一种全新结构的三维移测机。

1 移测机的机械结构

移测机安装于试验段截面积为600 mm×600 mm的风洞中，设计风速为3～40 m/s。具体指标如下:整套设备的迎风面积S1不超过风洞截面积S的6%;探头在X、Y、Z三个方向上的移动距离分别为12 000、500、280 mm，位置精度分别为 ±0.5、±0.1、±0.1 mm;在最大风速下，安装于支架上的探头抖动不超过0.5 mm。移测机的三维机械结构如图1所示。

图1 机械结构示意图

(1)驱动部分

移测机在X、Y、Z三个方向上都采用了松下MINAS A5系列交流伺服电机作为动力源。其中，X向采用了双电机驱动的形式。相比单电机，双电机驱动不仅可以增加系统的动力储备，而且能使电机质量平均分配于整个移测机之中，有利于提高设备整体的稳定性。此外，3个方向的驱动电机全部沿风洞轴向旁置于移测机的两侧，从结构设计上减小了系统的迎风面积，降低了系统对风洞流场的干扰。

(2)传动部分

如图1所示，移测机由X向导轨1、Y向光杆导柱17、Z向传动轴7和传感器支架19以及支架滑移组件20组成。X向导轨是整个设备的支撑和导向，该导向装置是由两条高精度齿条导轨拼接组成的，安装在风洞内壁两侧，整个移测设备悬挂于导轨之上，移测机左右两侧的机架配以加强筋13，防止设备发生倾覆，提高了设备的稳定性。

X向的两个驱动电机3通过安装在机架12上的减速机14，再经齿轮9、10减速后，带动与齿条啮合的小齿轮2转动，实现移测机整体X向的平移运动。

Y向电机16通过固定在机架上的行星减速器14带动同步带轮15转动，从而使传感器支架滑移组件20在同步带18的带动下，实现Y向的平移运动，Y向光杆导柱17与Z向传动轴8起到支撑与导向的作用。

Z向电机5通过固定在机架上的减速机6带动Z向传动轴7转动，传动轴上沿轴向安装有长键，用来带动置于支架滑移组件之中的Z向传动齿轮8转动，传感器支架19为矩形状，嵌在支架滑移组件的导向槽中，其一侧带有齿条，随着大齿轮的转动而上下移动，完成Z向的平移运动，另一侧带有V形槽，用来固定传感器。

综上所述，该移测系统的机械结构具有以下几个特点:

(1)系统具有3个自由度，且各自由度之间没有耦合，可以根据需要对某一方向单独测量;

(2)3个方向上的电机全部沿风洞轴向旁置在移测机两侧，Y向光杆导柱与Z向传动轴处于同一高度，这些特点从结构上减小了系统的迎风面积，降低了对风洞流场的影响。

由表1可知，移测机的迎风面积S1占风洞横截面积S的5.98%＜6%。同时，移测机的迎风部分大都经设计安装在了风洞内壁两侧，对风洞试验的实际影响则更小。

表1 移测机迎风面积

(3)X向采用了双电机驱动，平衡了系统的质量分配，提高了在风力作用下的稳定性，增加了系统的驱动力;

(4)传感器支架采取V形槽固定测量探头，保证探头与来流的平行度。

2 移测机控制系统硬件

系统硬件主要包括松下FP0R系列PLC型号为C16CT、数字量I/O单元 E16RS、模拟量 I/O单元FP0-A21、交流伺服电机MSMD012G1U、交流伺服驱动器MADHT1505E、维控触摸屏以及组态王。控制系统硬件布局如图2所示。

图2 移测机控制系统硬件结构

(1)FPOR与MINAS A5系列交流伺服电机－驱动器组成的轴定位控制系统

MINAS A5系列交流伺服驱动器是日本松下电器公司生产的全数字化交流伺服装置，具有速度控制、位置控制和转矩控制3种控制方式。此系统采用位置控制方式。松下FPOR系列PLC提供了多重脉冲输出方式。此系统采用Pulse/Sign(正转ON/反转OFF)输出方式［4］，将PLC脉冲输出端子分别与驱动器上的脉冲信号端子 (PULS)和方向信号端子 (SIGN)连接，驱动器接受来自PLC的脉冲序列信号，从而控制电机的加速时间、减速时间、旋转角度以及旋转速度，同时接受编码器的反馈值，实时校正与目标值的偏差，从而实现了伺服电机的闭环控制［5］。

(2)风机控制

此控制系统采用西门子MM440变频器来控制风机转速的大小，变频器接受来自模拟I/O单元FP0-A21的模拟电压信号 (0～10 V)，随着模拟输入电压的不断改变，变频器的频率输出量也紧紧跟随给定量的变化，从而平滑无级地控制电机转速的大小。

(3)人机交互

此系统采用维控触摸屏和组态王两种人机交互，通过简单的参数设置以及相应的按键控制移测机，同时将现场的数字量以及模拟量信号转换成形象的图形动画，并显示在屏幕上，方便研究人员实时了解设备状态。人机界面与PLC相结合，扩展了PLC的功能，减少了按钮、仪表等仪器的使用。

3 双电机的同步控制

X向采用了双电机驱动，为了保证移测机的平稳运行，必须实现两个驱动电机的同步运转。驱动电机的转速以及运转圈数是由上位机的脉冲序列决定的，所以只需要让两个伺服驱动器接收到的脉冲序列同步即可。为了解决这个问题，硬件电路上采用了如图3的形式。

图3 控制单元电路

将驱动器DRV1和DRV2的PULS和SIGN接口同时接到FPOR的CH0(Y0 Y1)脉冲输出通道，使两个驱动器接收到相同的脉冲信号以及方向信号，实现两个驱动电机的同步运转。实际运行表明，此方案完全可行。

4 移测机控制系统软件

按照风洞试验的要求，制定出如图4所示的软件系统流程。

图4 控制系统软件流程图

该控制软件采用松下FPWIN GR、触摸屏自带软件以及组态王编写，各模块功能如下:

初始化模块。在PLC上电的第一个扫描周期内，初始化速度极限、坐标极限和步长极限等参数。

复位模块。此模块采用JOG运行 (F172)指令实现，当按下回参考点按钮时，移测机开始移动，直到运行于参考点传感器位置时，各轴归零。

手动模块。此模块采用JOG运行 (F172)指令实现，当按下手动按钮时，移测机根据设定好的速度开始移动，抬起按钮时，移测机停止。

模式运行模块。此模块包含定位、步进和自动3种功能，采用梯形控制 (F171)指令实现。其中，定位功能根据人机界面软件的参数设定值，控制移测机自动运行到风洞内指定位置;步进功能根据设定好的步长，控制移测机每一次运行固定的距离;自动功能可以看作是多次步进运动，只是不用再进行操作，只需要设置步长、步数和停留时间，移测机便会按照参数自动运行。

监视模块。实时显示移测机的工作状态，方便研究人员记录数据。

系统安全模块。在程序运行过程中，为了防止操作人员误操作，设置了速度以及坐标的极大极小安全值，即使输入的数据超过极限值，系统也会自动写入安全值以防发生意外。另外，在每个方向上分别安装了两个极限位置传感器，当设备运行到极限位置时会自动停止，防止发生机械碰撞。

5 结论

介绍了一种适用于小型环境风洞的移测机，通过双电机驱动、电机旁置等措施，平衡了设备的质量分配，减小了设备的迎风面积，不仅降低了机械结构对风洞流场带来的扰动，同时也降低了移测机所受风阻，提高机械系统在风力作用下的稳定性，保证了定位精度，见表2。其控制系统综合了PLC强大的控制功能以及触摸屏、组态王这两种人机界面友好、设计简捷的优点。图5是该移测机风洞中试运行时的图片。实际调试运行表明，该移测机可以满足风洞试验的要求。