车载系统调平机构设计Word格式.docx

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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。

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⑴：

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空制器、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、丫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和丫轴信号,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,丫值小于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,丫值大于0时,撑腿3为最高点；

X值大于0,丫值大于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轴和丫轴方向的调节。

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。

丫轴调节与X轴类似,如图（b）所示。

若工作台的X轴和丫轴调节成水平状态,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。

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图2平台调平控制系统柜图

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轴和丫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3mx9m,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。

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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。

液压缸上装有自锁机构，通高压控制油时开锁，活塞可自由移动，不通控制油时，活塞便锁定在任意位置上。

在运输状态下，平台固定在载车上，平台与载车间加有减振弹簧。

此时,六条腿收起并锁定。

进入工作状态时，系统工作原理如下：

启动泵f增压器产生高压f解锁f差动回路六支腿快速着地f伺服阀作用6液压缸同时上升，带动平台上升到设定的高度f进入微调阶段，启动调平程序（根据水平传感器信号f相应伺服阀产生一定的开口使对应液压缸产生一定位移闭环控制直到达到调平精度f当车体的水平度在误差范围内时，调平过程结束，用机械锁将支腿缸锁紧。

）

调平结束，设备可以进入工作状态，此后，在设备工作中，平台水平度波动，如果超差，传感器信号报警，启动泵，产生高压解锁，然后启动调平程序，可以实时控制水平度，保障平台的水平精度。

当需要将腿收上时，只要输入收上信号，对应伺服阀即反向开启，电液伺服阀右位接入系统，缸体带动平台下移。

下移到运载车上后，支撑腿收回并被锁定。

然后，关闭所有电源即可。

调平策略：

调平过程采用四点调平,即1、3、4、6腿参与调平,并且遵循只上升不下降的原则。

最高点保持不动,其他点向高位点趋近。

当满足终止条件（调平精度）时,调平结束。

由于三点即可确定一个平面,采用六点支撑就会出现有的腿离地悬空或承载力不够而产生虚腿现象。

为了保证各腿不产生虚腿现象,采取检测各腿承载力的措施。

这样,在每个缸的油路上就要加装压力传感器。

首先,算出在平衡状态下每个腿应该承受的力。

在控制过程中,实际腿承载力可由压力传感器实测出。

当采用四点调平满足精度要求时,可由压力传感器检测每条腿是否有虚腿现象。

若有,则虚腿的承载力必定小于希望值,可打开相应的阀门,使此腿承载力增大。

因阀控制缸运动有一定的滞后,为了防止虚腿运动过头,破坏平台的调平状态,承载希望值设定为理想的90%。

至此,调平结束,每个支撑腿锁定。

比较两种驱动形式：

液压驱动可以直接使用车辆本身的发动机作为一次能源，进而大大减少作战准备时间，但缺点也很明显必须启动车辆发动机才能实现调平。

液压系统具有驱动力大、工作平稳、反应快、体积小、结构紧凑、控制方便等优点。

如果一个电气系统能够搬送14〜24kg载荷,则相同体积的液压系统就可搬送100〜140kg的载荷,而且还有与电气系统相当的精度和响应速度。

液压驱动机构可得到很大的速度范围,其低速性能比电动机好;

液压系统定位刚度较大,位置误差小;

液压缸是直线位移驱动机构,其运动与支腿要求的运动相吻合,易获得较高的控制性能。

因此,从功率、结构和控制精度等方面看,大吨位载荷的平台控制采用电液伺服并联机构驱动最为合适。

但是液压系统存在价格高、能量损失大、对温度变化较为敏感、故障难排除、存在泄漏和维护问题等缺点，调平时间还不够短,响应不灵敏。

总体而言，目前的调平系统大多采用液压调平，实现的调平精度大多达到6'

采用自动电动调平比起液压传动调平有着以下优点:

调平时间短,调平精度高,可靠性好,便于维护等等。

由于系统平台在调平后,要求对其位置进行锁定,以保证平台上的精密装置正常工作。

机电传动采用丝杠螺母副可以可靠的自锁，而液压调平由于泄漏问题，则需要设置机械锁和专门的高压解锁回路，增加了成本和调整时间。

伺服电机驱动一般需加减速器,同样的承载能力下机构尺寸大于液压系统机构尺寸

一般用于单腿承载能力7t以下的调平系统，低温环境下（-40C）系统成本成倍增加。

由于本课题设计的调平系统需要非常稳定的工作，且承受较大的载荷，运输过程中为保证能正常通过尺寸也不宜过大，控制性能较好，针对这些要求在此采用电液伺服驱动，将支腿打开时由于不需要精确的定位直接用普通液压缸打开，支腿撑起调平时则采用伺服液压缸，可以保证非常精确的定位，高精度高可靠地调平。

支腿布局方案⑶：

图5三脚平台

支撑平台的支腿数可以是三个，四个或者六个。

图平台的方案⑷。

因为一个平台可以由三点或两条相交线确定，当两条相交线在平台上水平时我们可以得出平台水平的结论。

两个传感器分别放在两个相交的方向上，用来检测A，B，C三点的相对高度。

当三点处于同一高度，平台即完全水平。

平台不能承受大的负荷，而且抵抗翻倒的能力非常有限。

遇到风大的时候，平台不能保持水平而且很难调节水平，所以带有三个支腿的平台只用于一些简单的不重要的平台。

图6展示了一个四支腿平台。

两个传感器分别放在两个交叉的方向上，

可以检测A，B，C，D四点的相对高度。

这个四支腿平台能够承受很大负载，而且能抵抗很大的翻转力量，所以其应用非常广。

但是，由于四条支腿支撑一个平台是一个静不定结构，也许一只脚没有到达地面而悬在空中。

所以，事实上平台只有三条支腿支撑。

在设计四脚平台时必须解决这个问题。

六脚或更多脚平台将增加静不定程度，会使得设计计算十分复杂，所以只用于负载很大，而其他方法不符合要求的场合。

一般来说，平台上的负载小于30吨，所以与其他方案比较后本文选择了四脚平台。

图8丫方向调平

调平方法与过程：

1）一个方向调整。

先调整X方向，然后调丫方向，或者反过来。

对于这种方法,支腿的行动是协调的，但是需要太多时间。

2）多个方向调整。

所有支腿同时开始动作并达到同一给定高度。

用这种方法调整的速度高，但由于每条支腿的速度和位移不相等且动作相互限制，造成控制算法非常复杂。

此外，每条支腿承受不同的压力会发生超载。

所以在本文四脚平台是用一个方向调整的方法。

调整平台水平度的过程是调整四个点的相对高度，所以有如下三种调平方法。

1）最高点固定调平方法。

最高点不动，其他点上升到与最高点同一高度。

2）最低点固定调平方法。

让最低点固定不动，把其他点下降到与最低点同一高度。

3）中间点固定调平方法。

让平台中间点保持固定，把较高点降低较低点升

高，直到所有点处于同一高度

至于考虑到效率，第三种方法最好，但会产生一个虚腿，也就是一条支腿没有负重或悬在空中，第二种方法同样存在类似的问题。

在用第一种方法时，每条支腿的移动方向是相同的，动力装置消除造成的影响可以避免，所以调平精度要高一些。

当四条支腿都到达地面承受负载时，调平过程开始。

首先，最高点由传感器的值确定。

依照图7和图8，传感器放置在X和Y方向。

根据X和Y的值，最高点可以确定如下：

1）X>

0,Y<

0.A点最高

2）X<

0.B点最高

3）X<

0,Y>

0.C点最高

4）X>

0.D点最高

例如，A点是最高点，根据水平传感器的信号，X方向和丫方向可以依次调整。

当首先调整X方向时，调平过程如下：

支腿1和4保持不动，支腿2和3同时上升到给定高度，如图7所示。

支腿的位移由X方向传感器的值确定。

在X方向调整水平之后，丫方向应该根据丫方向传感器的值来调整，如图8所示。

其过程和方法与X方向相同。

当X和丫方向同时达到水平时，平台即完全水平。

水平传感器：

水平传感器是一个双轴液体摆,可用来测量摆壳绕两个正交轴偏离水平面的角度。

液体摆的顶盖上装有一个中心电极（N）和四个与其距离相等的匀布电极（L1、L2、L3、L4）。

四个匀布电极成为十字交叉,中心电极用来测量摆壳绕两个正交轴偏离水平面的角度。

在液体摆顶盖上装有一个中心电极与壳体相通,四个匀布电极则与壳体绝缘。

壳体内注有大电阻系数的电解液,充满空腔,但壳顶保持有一气泡。

当液体摆处于水平位置时,气泡的周界正好处于四个均匀分布电极的中心,因此从中心电极到四个匀布电极的电阻相等。

而当液体摆偏离水平位置时,空气泡仍处于电解液的最高点电极所覆盖的面积发生变化,因而从中心电极到四个匀布电极的电阻也发生变化。

这种电阻差便形成了液体摆的输出信号,表示了天线工作平台所处的不同的水平度。

所以本文采取了电液调平系统，采用双轴传感器四点追逐式的调平方法，稳定可靠，调平精度高。

2．调平机构的选择[5]

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。

螺旋支腿及其驱动装置该装置由螺旋支腿（螺旋千斤顶）、减速器、电动驱动机构或液压驱动机构等组成。

工作时,由电动驱动机构或液压驱动机构带动减速器转动,减速器再带动螺旋千斤顶里的螺杆转动,螺旋支腿上升或下降,从而达到发射系统调平的目的。

电动驱动机构一般为电机,液压驱动机构通常为电机和液压马达。

减速器有多种类型,常见的有谐波减速器、行星齿轮减速器、摆线齿轮减速器等类型。

采用螺旋支腿作为调平机构时,其主要优点是:

可以承受较大的载荷,调平过程平稳、可靠;

其缺点是调平时间长,而且当螺旋千斤顶或齿轮减速机构发生锈蚀以后,将造成操作困难。

采用液压支腿作为调平机构时,它不仅承载能力大,而且操作灵活方便、反应时间短、精度高,易于调平。

采用液压支腿调平时,多个液压支腿对称布置在系统需要调平的两侧,并将传感器安装在系统的基准平面上。

工作时,调平液压支腿在液压系统压力油的作用下伸出,着地后将发射系统顶起并进行调平。

在液压支腿调平方式中由于控制原理、控制方式及侧重点的不同,液压系统有不同的组成及结构形式。

以常见的四支腿调平为例,其液压系统主要由液压支腿、双向液压锁、压力继电器、电磁换向阀等组成,调平时，压力油P口经换向阀、双向液压锁分别进入四个调平液压支腿的无杆腔，四个

调平液压支腿活塞杆在压力油的作用下低压空载伸出。

活塞杆触地后,控制系统根据角度检测装置检测到的发射系统左右及前后不平角度,控制相应的液压支腿动作,经多次反复调平后,最终将发射系统调平在要求的范围内。

采用液压支腿能较好实现快速自动调平的要求。

它的缺点是在长期重载荷及温差变化较大的工作环境条件下,对液压支腿的自锁性能和液压系统的密封性能有较高的要求。

所以本文选用液压支腿形式，通常将多个液压支腿对称布置在发射系统需要调平的两侧,并将角度检测装置安装在发射系统的基准平面上。

系统工作时,调平液压支腿在

水平液压缸的作用下伸出,着地后安装在支腿上的垂直伺服缸将平台顶起并进行调平。

3.支臂的形式选择[6]

目前,地面雷达支臂的形式一般有折叠式支臂、收缩式支臂和仿生式支臂。

折叠式支臂虽然结构简单但在收拢状态时占用了运输宽度，加装调平撑腿后影响载车的通过性能,而且其悬臂式结构承载能力差，加载后变形挠度大，不易实现动态高精度调平；

收缩式支臂由于套筒间存在间隙，因而支臂刚性差，而且加装调平撑腿后亦影响运输通过性能；

仿生式支臂，又名螃蟹腿，其特点是抗风稳定性高，抗倾覆半径大，阵地适应性好，容易与载车分离或结合。

在此选用仿生式支臂，如图9所示，展开过程：

由于支臂处运输状态时，整个支臂的重心在转轴的外侧，因此在连杆机构的牵引下，支臂的前臂和后臂自动向外展开。

但由于与前臂连接钢丝绳的长度是不变的，因此支臂的前臂在向外展开的同时自动与后臂收拢合为一体。

收拢过程：

首先是调平撑腿自动收回到极限即运输状态，其次仿生支臂完成解锁动作,最后仿生支臂腿自动收拢至运输状态。

由于仿生支腿的受力状态视其跨度和支点的位置关系而变化，为了满足机动式雷达对仿生支臂重量的要求，要选用高强度的

材料,而且在满足系统刚度和强度的条件下，还要进一步进行重量和截面尺寸的优化设计。

图9仿生支臂的展开和收拢

在初步选择了仿生式支臂结构后，我和指导老师讨论了方案的可行性，这个机构在支臂收拢时完全在平台的上方，不占整车通过空间，展开时的距离也足够大，稳定可靠，同时垂直液压缸的行程也可以选得较小。

对于将支臂撑开的机构原打算用一个六杆组合锁紧机构实现，但设计过程过于复杂，并且杆件需要承受很大的力，对于材料强度等都

要求很高，可能难以实现，各杆件间的连接也需要做一些处理，根据导师的建议，我直接选了一个液压缸，但是需要一个带锁紧装置的液压缸，其原理后面会再介绍。

垂直液压缸支起整个平台调平完