大型光电设备基准平面自动调平系统

第１７卷　第５期２００９年５月　　　　　　　　　　　光学精密工程　ＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　　　　　　　Ｖｏｌ．１７　Ｎｏ．５　Ｍａｙ２００９　　收稿日期：２００８０７１５；修订日期：２００８０９１１．　　基金项目：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所三期创新工程资助项目（Ｎｏ．０６１Ｘ２０Ｃ０６０）文章编号　１００４９２４Ｘ（２００９）０５１０３９０７大型光电设备基准平面自动调平系统姜伟伟１，２，高云国１，冯栋彦１，２，陈兆兵１，２，蒲继承３（１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３；２．中国科学院研究生院，北京１０００３９；３．中国矿业大学，北京１０００８３）摘要：研制了一种光电设备自动调平系统。选用了３条机械支腿支撑大型光电设备载车，由安装在光电设备基座上的倾角传感器测得基准平面的倾角大小及方向，将此角度根据调平算法换算为３个机械支腿的伸长量，驱动机械支腿伸长使基准平面达到水平。给出了支撑腿数量和机械式支腿的选择依据，设计了一种可以在小角度范围内自动矫正受力方向的机械支腿，设计了整个传动系统，并且给出了驱动电路和调平算法。实验测定其调平精度为０．００３°，整个光电设备调平时间约为１２０ｓ。实验结果表明：与以往的调平系统相比，该系统缩短了光电设备开展工作的准备时间，提高了调平精度。关　键　词：光电设备；机械支腿；限位；调平算法中图分类号：ＴＨ７４１．１４　　文献标识码：Ａ犃狌狋狅犿犪狋犻犮犾犲狏犲犾犻狀犵狊狔狊狋犲犿犳狅狉犫犪狊犲狆犾犪狀犲狅犳犾犪狉犵犲狊犻狕犲狆犺狅狋狅犲犾犲犮狋狉犻犮犲狇狌犻狆犿犲狀狋ＪＩＡＮＧＷｅｉｗｅｉ１，２，ＧＡＯＹｕｎｇｕｏ１，ＦＥＮＧＤｏｎｇｙａｎ１，２，ＣＨＥＮＺｈａｏｂｉｎｇ１，２，ＰＵＪｉｃｈｅｎｇ３（１．犆犺犪狀犵犮犺狌狀犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犗狆狋犻犮狊，犉犻狀犲犕犲犮犺犪狀犻犮狊犪狀犱犘犺狔狊犻犮狊，犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲狊，犆犺犪狀犵犮犺狌狀１３００３３，犆犺犻狀犪；２．犌狉犪犱狌犪狋犲犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲狊，犅犲犻犼犻狀犵１０００３９，犆犺犻狀犪；３．犆犺犻狀犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犕犻狀犻狀犵牔犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犅犲犻犼犻狀犵１０００８３，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ａｎａｕｔｏｍａｔｉｃｌｅｖｅｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｒｅｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｓａｒｅｃｈｏｓｅｎｔｏｓｕｓｔａｉｎａｌａｒｇｅｓｉｚｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ａｎｄａｏｂｌｉｑｕｉｔｙｓｅｎｓｏｒｆｉｘｅｄｏｎｔｈｅｐｅｄｅｓｔａｌｏｆｔｈｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｓｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｓｉｚｅａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｂｌｉｑｕｉｔｙａｎｇｌｅｆｒｏｍａｂａｓｅｐｌａｎｅ．Ｂａｓｅｄｏｎａｌｅｖｅｌｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅｏｂｌｉｑｕｉｔｙａｎｇｌｅｉｓｃｏｎｖｅｒｔｅｄｔｏｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｔｏｄｒｉｖｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｔｏｌｅｖｅｌｔｈｅｂａｓｅｐｌａｎｅ．Ｔｈｅｒｅａｓｏｎｓｆｏｒｃｈｏｏｓｉｎｇｔｈｒｅｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐｏｉｎｔｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｓａｎｄｔｈｅｅｎｔｉｒｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｄｒｉｖｅｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄａｕｔｏｍａｔｉｃｌｅｖｅｌｉｎｇａｒｉｔｈｍｅｔｉｃｓａｒｅｇｉｖｅｎａｌｓｏ．Ａｕｔｏｍａｔｉｃｌｅｖｅｌｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｌｅｖｅｌｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｌｅｖｅｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｒｅａｃｈ０．００３°，ａｎｄｔｈｅｌｅｖｅｌｉｎｇｔｉｍｅｏｆｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｓａｂｏｕｔ１２０ｓ，ｗｈｉｃｈｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｉｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｆｏｒｍｅｒｌｙｓｙｓｔｅｍｓｏｎｐｒｅｐａｒｅｄｔｉｍｅａｎｄｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ；ｌｉｍｉｔｅｄｐｌａｃｅ；ｌｅｖｅｌｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍ１　引　言　　车载大型光电设备在工作时的基准平面由载车低架、副车架、支撑支腿组成，要求基准平面在工作时达到要求的调平精度和稳定性［１３］。随着科学技术水平的发展和不断提高，调平系统所能实现的调平精度越来越高，调平所用时间也越来越少，并且自动化程度也越来越高。早期的调平系统基本采用手动的调平机构，基准平面的监测系统为单轴水平仪，调平的时候费时费力，这种调整方式目前还使用在一些早期光电设备上。随着电子技术的发展，调平系统逐渐由手动调平转变为半自动和自动调平。目前的调平系统按照控制方式分类主要分为以下几种：主控计算机加下位机控制板、ＰＬＣ控制系统、单片机嵌入式系统。根据控制方式的特点，使用的场合不同。２　基本原理　　采用主控计算机加下位机驱动电路板的控制模式完成系统的调平，整个调平过程如图１所示。倾角传感器将测得的倾斜角度的大小及方向通过串口由ＲＳ４８５信号传递给主控计算机，主控计算机中使用ＶＣ＋＋６．０编写串口通信软件［４５］，通信软件将测得角度经过调平算法换算为３个支腿各自的伸长量对应的脉冲数，将脉冲数通过串口由ＲＳ４８５信号传递给驱动板上的微控制器ＡＴ８９Ｓ５２［６７］，微控制器驱动步进电机的驱图１　调平过程示意图Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｌｅｖｅｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ动器使步进电机旋转，步进电机转矩经过减速增加转矩，将力矩传递给机械支腿，实现机械支腿的伸长。本文着重阐述机械支腿［８９］、步进电机驱动器的驱动电路板［１０］和调平软件，并且将此系统应用于某大型光电设备，实验结果表明本自动调平系统不仅能达到基准平面倾角指标，而且增强了设备由运输状态切换到工作状态的机动性能。３　机械部分设计３．１　支撑腿数量的选择传统的工程车辆的支撑为了增加稳定度多选用４条或多于４条支腿，这对于一般无精密对准要求的工程车辆是完全可行的。但是使用４条及以上数量的支腿，对基准平面已经产生了超定位，车载光电设备由运输状态切换到工作状态时不可能保证每条支腿受力状态有很好的重复性，必然导致车低架及副车架的内应力发生变化而发生基准平面变形，导致车上的光电设备的对准方向变化［１１］。这样，车辆切换到工作状态就必须再进行光学调整。根据三点确定一个平面的原理采用３条支腿的支撑方式不但可以确定一个平面，而且可以保证每条支腿的受力状态的重复性，并且保证仪器的对准方向有较好的一致性。基于以上分析确定采用三点的支撑方式来实现设备运输状态和工作状态的切换。三支腿布局如图２所示。图２　三支腿布局图Ｆｉｇ．２　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｓ３．２　支腿类型的选择现有支腿类型有液压式、机械式。液压支腿虽然单位体积内输出的力较大，但是它存在着一些缺点：液压油的可压缩性、液压油的黏度系数随温度的变化特性、密封元器件的泄漏问题、液压油０４０１　　　　　光学　精密工程　　　　　第１７卷　的可燃性、自身不能实现机械锁紧等。机械支腿环境适应性较强、能够实现自锁。本光电设备在较复杂的环境下使用，温度变化较大、环境比较恶劣。综上所述，本系统选用机械支腿。３．３　机械支腿设计机械支腿的装配图如图３所示。图３　机械支腿的装配图Ｆｉｇ．３　Ａｓｓｅｍｂｌｙｄｒａｗｉｎｇｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ机械支腿上有４个常开开关，上、下限位开关位于为机械支腿上下行程的尽头，触底开关用于支腿伸长至垫块，触顶开关用于支腿收缩至顶盖，开关与电路驱动板相连。球头座的作用是在小角度范围内矫正支腿的受力状态。在机械支腿中最主要的承重构件是传动螺杆，对传动螺杆需要校核的方面有螺纹牙的耐磨性计算、螺纹牙的强度计算、螺杆的强度计算，限于篇幅不再论述。螺杆螺纹副转动需要的扭矩为：犜＝犉·ｔａｎ（φ＋狏）·０．５犱２，（１）式中：犉为支腿所受压力，整车总质量为２０ｔ，后支腿承重８ｔ，故取犉＝８００００Ｎ；φ为螺纹升角，φ＝２．５１°；狏为当量摩擦角，狏＝８．５４°；犱２为螺纹中径，犱２＝７２．５ｍｍ。将参数值代入公式（１），可以得到螺纹转动所需的力矩为：犜＝５７０Ｎ·ｍ．３．４　支腿传动系统简介传动结构设计遵循的原则是：充分利用车底的有限空间，在满足要求前提下做到整个传动系统的体积尽量小。如图４所示。图４　支腿传动系统图Ｆｉｇ．４　Ｄｒｉｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ整个传动过程：由驱动板驱动步进电机产生旋转力矩，步进电机输出转矩经过１６倍减速器增加力矩，然后又经过传动比为４的大小齿轮传动增加转矩，由大齿轮将力传递给支撑螺母，然后转化为螺杆的直线运动。根据上节计算知道螺杆传动需要的扭矩为：犜＝５７０Ｎ·ｍ；可以计算出所需步进电机输出力矩为：犜１＝犜／６４≈９Ｎ·ｍ；根据犜１来选择步进电机的型号。４　控制系统设计４．１　调平算法机械系统不可避免存在空回，所以采用逐高的调平办法，即高点不动低点向高点看齐的模式。根据倾角传感器测得的两路互相垂直的角度信号确定最高点，计算其余两点应该伸长的长度，然后调节其余两个支点伸长至最高点，调平过程如图５所示。图５中犃、犅、犆代表３个支腿。经过倾角传感器测量得到３个支腿之间的位置关系如图５中左边所示，下一步编写算法，使犅、犆支腿共同升高且使犅支腿与犃支腿同高，最后一步升高犆支腿至最高点。这种升高方式的目的在于使整个调平过程尽量平缓，减小车体变形及振动。鉴于各种误差的存在，基准平面的最大倾角在一定的误差范围内的时候，就认为基准平面是水平的，并且记录下最大倾角及倾斜方向。１４０１第５期　　　　　　姜伟伟，等：大型光电设备基准平面自动调平系统图５　调平过程示意图Ｆｉｇ．５　Ｌｅｖｅｌｉｎｇｄｉａｇｒａｍ４．２　主控计算机控制软件编写调平软件安装在主控计算机上，主要完成的工作如下：（１）接收倾角传感器的角度信号；（２）根据角度信号判断出３个支点的高点及另外两个支点与高点的差距并将差距换算为脉冲个数发送给驱动板；（３）发送支腿开始工作、支腿撤收命令给驱动板。使用ＶＣ＋＋６．０的ＭＦＣ方式（交互式）编写调平软件，编写的时候调用ＶＣ＋＋６．０提供的ＭＳＣＯＭＭ３２．ＯＣＸ控件。控件ＭＳＣＯＭＭ３２．ＯＣＸ主要的设置如下：ｍ＿Ｃｏｍ．ＳｅｔＣｏｍｍＰｏｒｔ（１）；／／选择ＣＯＭ１口ｍ＿Ｃｏｍ．ＳｅｔＩｎＢｕｆｆｅｒＳｉｚｅ（１０２４）；／／设置输入缓冲区的大小，单位是Ｂｙｔｅｍ＿Ｃｏｍ．ＳｅｔＯｕｔＢｕｆｆｅｒＳｉｚｅ（１０２４）；／／设置输出缓冲区的大小，单位是Ｂｙｔｅｉｆ（！ｍ＿Ｃｏｍ＿ＧｅｔＰｏｒｔＯｐｅｎ（））ｍ＿Ｃｏｍ．ＳｅｔＰｏｒｔＯｐｅｎ（ＴＲＵＥ）；／／打开串口ｍ＿Ｃｏｍ．ＳｅｔＳｅｔｔｉｎｇｓ（“９６００，ｎ，８，１”）；／／设置数据传输速波特率为９６００ｂ／ｓ、无校验位、８位数据位、１位停止位ｍ＿Ｃｏｍ．ＳｅｔＲＴｈｒｅｓｈｏｌｄ（１）。／／表示一个字符引发一个事件主程序的流程如图６所示。该软件显示基准平面的倾斜角度，并且可以选择使用串口号为１～１６的任何一个串口。该软件可以显示３个支腿应该调节的高度。单击相应的按钮可以向驱动板发送支腿开始伸长、自动调平、撤收支腿、支腿伸长或缩短一定长度的命令。考虑到数据传输在强电磁干扰下可能发生数据传输错误，所以还有单片机的复位命令按钮。图６　调平软件主程序流程图Ｆｉｇ．６　Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｌｅｖｅｌｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅ采用