基于单片机的机电调平试验系统研究

2015-07-07张付祥陈万军孙书鹏

制造业自动化 2015年1期

张付祥，陈万军，孙书鹏

（河北科技大学机械工程学院，石家庄 050018）

0 引言

很多特殊用途的工程车辆在工作之前要先进行精度较高的水平调整，要求调平速度快，自动化程度高，还要可靠性高。过去主要采用手工调平，由多人反复操作调节支腿，通过观察气泡达到水平，这种方法不仅调节时间长，而且精度低[1]。目前调平系统应用较多的是采用液压调平，但液压调平系统也有诸多缺点，如调平时间较长、响应迟钝、漏油、成本高、维护困难等问题。机电调平相比比液压调平优点是调平时间短，精度高，可靠性好等[2]。

1 单支腿机械结构

本文提出一种基于单片机的机电式自动调平试验系统，调平支腿主要由驱动电机、减速器、丝杠螺母、内外套筒、限位螺钉以及行程开关组成，结构原理如图1所示。支腿通过控制驱动电机的起停以及转向将动力和转矩输出，由锥齿轮传递进行减速，同时将力矩传递给丝杠，把电机的螺旋运动转化为直线运动，从而实现支腿的举升和收藏运动，并且由限位螺钉实现支腿的快速升降功能，由上下行程开关来限制支腿的行程[3]，调平结束后，由力传感器判断虚腿。

图1 调平支腿结构原理图

2 平台调平方式

现有调平系统的支撑方式主要有三点式、四点式以及多点式调平，其中多点式是指六点以上的调平方式。

2.1 三点式调平

由几何知识可知不在同一条直线上的三点确定一个平面，或者等效为不平行的两条直线确定一个平面，故可以在相交直线上各安装一个倾角传感器，通过考察平面内两条相交直线是否水平，来判断平台的水平度。三点式平台模型如图2所示。

图2 三支腿式系统平台模型

根据两个倾角传感器测得的倾角θ1和θ2可以判断三个支撑点A、B、C的相对高低[4]，系统平台调平时，θ1和θ2同时满足要求后，各个支腿停止运动，此时系统平台处于我们所认为的水平状态。由于精度的限制，认为平台已经水平，但是平台距离真正的水平还存在一定的误差，平台的水平误差θ与θ1、θ2的关系为：

θ1和θ2测量范围为，为试验平台要求参数，水平误差θ为：

如果，同时将系统平台的三条支腿的距离设计成等边三角形，可以得出：

三点式调平控制原理简单，调平速度快，成本较低，但抗倾覆能力差，尤其对于重载式车辆，是必须要避免的。

2.2 四点式调平

对于四点式调平系统的四条支腿布置方式按对称式布置，分别将四条支腿置于四个角的位置，这种四腿支撑的方式保证了平台受力均匀，四条支腿分列两侧也保证了调平系统平台的稳定性，同时也增强了平台的抗颠覆性能力。四点式平台中央安装双轴倾角传感器，如图3所示。

图3 四支腿调平系统平台模型

四点式调平系统平台在调平完成时也会产生一定的误差，取，由式（2）得：

由此得知，四点式调平不但解决了抗倾覆能力差的问题，同时提高了调平的精度，但是四点调平结束后，容易出现虚腿现象，从而影响系统的稳定性。为了解决虚腿问题，在每个支腿上都装有压力传感器，通过比较调平后各支腿的压力值与静态下各支腿压力值，差值如果超出一定的误差，则是虚腿并需要对其进行充实。

2.3 多点式调平

多点式调平的原理相近，考虑到在调平系统工作中平台会发生形变，为了解决这个问题，通过增加支腿数量来减少平台发生形变。这显然达到了目的，但在多支腿调平系统的调平过程中，由于支腿的增加使得调平算法复杂，控制系统也变得复杂，与此同时调平系统相对应的调平时间也会相应增加，各个支腿的受力不均匀，虚腿问题更加突出。

综合考虑各种调平方式的调平时间、精度、成本、抗倾覆性等因素，采用四点调平方式。

3 电控系统硬件构成

四腿机电调平电控系统硬件结构如图4所示。

图4 硬件结构图

倾角传感器：选用高精度数字双轴倾角传感器，能输出X、Y两个垂直方向上的角度，分辨率为0.002o，可选RS232接口，波特率可调，工作方式为应答模式和自动模式。

压力传感器：测量支腿所承受的压力，采用RS232接口，工作于应答模式。

位置传感器：选用性能较稳定的接近开关，用于限制丝杠的行程。

单片机：选用ATMEL公司生产的AT89C52单片机，接收操作人员的控制按键输入，把接收到的倾角传感器和压力传感器的数值进行转换，并把结果显示在数码管上，并且选择匹配的调平方式，驱动电机按合适的方向运动和的距离，实时监控，实现调平。

报警电路：当系统出现故障，如压力过大、丝杠超出行程，会通过蜂鸣器或点亮发光二极管通知操作人员。

4 调平方法研究

调平系统的调平方法主要包括角度误差调平法和位置误差调平法。角度误差调平法通过直接检测平台的X轴和Y轴的倾角值，通过伸长或缩短支腿，使倾角值减小到要求的误差范围之内。位置误差调平法首先通过计算确定每条支腿要伸长或缩短的距离，然后驱动相应支腿动作，直到四个支腿平齐，使平台达到水平。由于平台的载重一般比较大，当支腿需要缩短时，平台下降会产生较大惯性[5]，容易发生抖动和倾覆，所以一般采用“逐高式”，即只升不降的方法实现调平。系统的调平过程如图5所示。

图5 调平过程流程图

平台初始状态如图6所示，系统上电接收到调平开始命令之后，首先通过倾角传感器读取X轴和Y轴的角度和，然后确定平台的四个支撑点的最高点。最高点的判断方法如下（设定角度精度为）：

调平过程中，保持最高点不动，解算出三条较低支腿的行程（假设最高点为C，AD之间的距离为a，AB之间的距离为b），由于平台为刚性平台，为了消除单点升高时，带来的虚腿问题，采用双腿同时升高，同时还简化了算法，计算如下：

图6 倾斜平台示意图

解算出各支腿的行程之后，如果同时调整X方向和Y方向水平，会使算法复杂，既增加了工作量，又延长了调平时间，所以先调整X方向水平，然后调整Y方向水平，在调整Y方向水平时，可能会影响X方向的水平，则当这两个方向都调整水平后再进行判断，如果水平度不满足精度要求，再分别进行调平，如此循环，直到达到所要求的精度范围之内。在分别进行调平的过程中，为了增加调平精度和缩短调平时间，在调平过程中，采用粗调平和精调平相结合的方法。粗调平是指采用位置误差调平法，在解算出各支腿行程之后，采用较快的速度先上升到理想距离的95%，以此来缩短调平时间。精调平是指采用角度误差调平法，在粗调平结束后，直接通过检测倾角的角度值来判断平台的水平度，虽然调平时间长，但可以保证调平精度。

由于各种因素的影响，在X方向和Y方向都调平之后，可能会有虚腿产生，影响系统的稳定性。通过判断压力传感器的压力值，便可判断出虚腿，并进行充实。虚腿充实后仍然要检测平台的水平，满足精度要求时，调平结束，锁定支腿。