摘 要:本文介紹了在彈翼張開氣動特性研究中直線伺服系統(tǒng)（主要包括寶德六軸控制卡、Copley直線伺服、光柵尺）的實際應(yīng)用情況，簡述了彈翼張開的控制要求及風(fēng)洞導(dǎo)彈模型彈翼張開的動態(tài)和靜態(tài)性能的實現(xiàn)。如：最大速度、最大加速度、跟蹤精度、定位精度、運行平穩(wěn)度等重要指標(biāo)。分析了該直線伺服系統(tǒng)的特點及在風(fēng)洞應(yīng)用中應(yīng)注意的問題，對直線伺服系統(tǒng)在風(fēng)洞研究中的應(yīng)用前景進行了展望。 關(guān)鍵詞：直線伺服;電機;光柵;尺動態(tài)采集;彈翼張開 引 言 　　直線電動機在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，近幾年來已在世界得到重視，并在西歐工業(yè)發(fā)達地區(qū)掀起“直線電動機熱”。直線電動機無需將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)為線性運動，機械結(jié)構(gòu)簡單可靠，電機運行平穩(wěn)，無齒槽效應(yīng)，動態(tài)響應(yīng)速度快、慣量小，加速度可達20g，結(jié)構(gòu)緊湊，可選配直線編碼器做高精度位置控制，其位置精度取決于所選編碼器。根據(jù)彈翼張開氣動特性研究進行彈翼剪式展開試驗的要求，在試驗過程中兩片彈翼應(yīng)該在250ms～ls的時間內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)90o，需要設(shè)計一套控制彈翼張開的方案來滿足這一要求[1]。本文介紹了采用Copley直線伺服系統(tǒng)實現(xiàn)彈翼張開的方案。 1 系統(tǒng)的構(gòu)成 　　彈翼張開機構(gòu)的直線伺服系統(tǒng)由直線伺服電機TB2506、Copley伺服控制器、寶德控制卡、光柵尺、直流電源、控制算機等組成?？刂扑銠C主要進行程序的編寫下載及系統(tǒng)運行中的狀態(tài)顯示，5um精度的光柵尺進行位置反饋把反饋信號輸至Copley伺服控制器，Copley伺服控制器閉環(huán)控制直線電機進行位置模式的動作，需要時計算機也可通過ILS232串口設(shè)置伺服控制器。Copley伺服控制器再輸出一路信號給寶德卡，寶德卡通過RS232將信號傳輸給PC通過程序進行實時狀態(tài)的顯示，寶德卡將預(yù)先設(shè)定的位置指令（本例中為脈沖）發(fā)送給伺服控制器進行位置模式的彈翼張開機構(gòu)控制。運動傳動機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)彈翼的連續(xù)轉(zhuǎn)動90～和彈翼轉(zhuǎn)動角度的無級調(diào)節(jié)，并可以實現(xiàn)彈翼展開前、后的鎖緊。 1．1 直線伺服電機 　　由于試驗?zāi)Ｐ统叽绲南拗?，對整套機構(gòu)的尺寸做出了嚴格的限制，也對動力系統(tǒng)做出了幾何尺寸上的要求。彈翼張開風(fēng)洞試驗研究的整套彈翼張開機構(gòu)連同驅(qū)動動力系統(tǒng)應(yīng)該能夠裝入彈腔內(nèi)（直徑67ram的圓柱空間）[2]，由于管狀直線伺服電機可以直接替換螺桿、滾珠絲桿、凸輪、液壓和氣動傳動的裝置，它具有以下特點：低慣量、低或無背隙、無齒槽效應(yīng)、精度高、驅(qū)動效率高、高響應(yīng)速度和加速度、運動極其平穩(wěn)可靠、體積緊湊安裝較容易、單一運動部件維護費用小、適應(yīng)環(huán)境范圍廣、壽命長。電機可配備直線光柵尺記錄彈翼張開角度，保證運動的高準確性。通過控制伺服電機的行程，便可實現(xiàn)彈翼張開角度的變化。伺服電機又可實現(xiàn)彈翼張開前后的自動鎖緊，這都將給試驗帶來較大的方便。整套電機組件均可直接裝在導(dǎo)彈模型空腔內(nèi)，作為高速風(fēng)洞試驗彈翼張開動力系統(tǒng)，選擇了Copley公司的直線伺服電機TB2506。 　　電機主要技術(shù)參數(shù)如下：最大速度9．7m／s；瞬時最大加速度620m／s／s；額定功率為62．5W；額定電壓96V；額定電壓下動慣量：34gcm2；輸出軸直徑：25ram；電機寬度：68ram；[3]（在使用中進行了簡單的修形，以便裝人模型內(nèi)腔。） 　　經(jīng)過地面調(diào)試該驅(qū)動電機轉(zhuǎn)距能滿足試驗的需要，彈翼在規(guī)定的時間內(nèi)能順利的打開，其運行對天平的測量沒有產(chǎn)生不利影響，具有易于自動控制、機構(gòu)簡單等優(yōu)點。通過控制直線伺服電機的行程，即可實現(xiàn)彈翼張開角速度的變化和彈翼轉(zhuǎn)角的無級調(diào)節(jié)。 1．2 Copley伺服控制器 　　Copley伺服控制器可直接調(diào)用TB系列電機的參數(shù)便于控制參數(shù)的調(diào)整，下圖給出本系統(tǒng)應(yīng)用的參數(shù)設(shè)置主界面，其中位置數(shù)字信號由寶德卡發(fā)送，速度環(huán)及電流環(huán)參數(shù)可在伺服電機帶載情況下由控制器軟件CME2自動設(shè)定。位置環(huán)經(jīng)過常規(guī)的計算，通過靜態(tài)調(diào)試選定合適的位置環(huán)參數(shù)，將參數(shù)下載到控制器中，這里就不詳細介紹了。 　　光柵尺使用的是RENISHAW的RG24型，讀數(shù)頭精度為Sum，由于行程只有50mm，購買了80mm的柵尺。寶德卡為NextMoveES智能型六軸運動控制卡，控制軟件采用Work—Bench v5。 2 直線伺服電機優(yōu)點 　　在系統(tǒng)中，采用直線電動機直接驅(qū)動與原旋轉(zhuǎn)電動機傳動的最大區(qū)別是取消了從電動機到彈翼之間的許多中間傳動環(huán)節(jié)，把彈翼張開傳動鏈的長度縮短。正由于這種方式，帶來了原旋轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動方式無法達到的性能指標(biāo)和一定優(yōu)點。為說明問題比較一下兩種電機在彈翼張開中的應(yīng)用情況。 　　 　　圖三是彈翼張開課題研究時的方案，圖四為某型號的彈翼張開機構(gòu)方案。 　　直線伺服電機的應(yīng)用特點如下： 2．1 高速響應(yīng) 　　由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時間常數(shù)較大的如減速機、絲桿等機械傳動件，使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能大大提高，反應(yīng)異常靈敏快捷。旋轉(zhuǎn)電機時的方案彈翼打開（O°到90°）最短時間做到0．3秒，且電機及傳動鏈的齒槽效應(yīng)對實驗結(jié)果有不利的影響。直線電機方案做到0．18秒。 2．2 精度 　　直線驅(qū)動系統(tǒng)取消了由于減速機、絲桿等機械機構(gòu)引起的傳動誤差，減少了插補時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，大大提高了定位精度，小于1‘ 。旋轉(zhuǎn)電機方案由于傳動誤差的存在且彈翼角度不能直接測量，所以精度很難控制。 2．3 動剛度高 　　直接驅(qū)動避免了啟動、變速和換向時因中間傳動環(huán)節(jié)的彈性變形、磨損和反向間隙造成的運動滯后現(xiàn)象，可有效提高傳動剛度。 2．4 速度快、過渡過程短 　　由于零傳動的高速響應(yīng)性，使其過渡過程大大縮短。以實現(xiàn)起動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間準停。最大加速度一般可達（2～10）g（g=9．8m／s2），Copley公司的直線伺服電機TB2506可達到20g，而滾珠絲桿傳動的最大加速度只有（0．1～O．5）g。 2．5 安靜、噪音低 　　由于取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦，且導(dǎo)軌又可采用滾動導(dǎo)軌或磁懸浮導(dǎo)軌（無機械接觸），其運動時噪音將大大降低。 3 應(yīng)用中應(yīng)注意事項 　　由于直線伺服系統(tǒng)沒有旋轉(zhuǎn)電機應(yīng)用中的減速機、絲杠等機械傳動件，其力矩的選擇要留出一定的系數(shù)以保證機構(gòu)的可靠運行。直線伺服的推桿（永磁體）磁力大易導(dǎo)致磁化效應(yīng)，應(yīng)避免易磁化的物件接近，電機的緊固件盡可能采用非鐵磁性的材料。 4 風(fēng)洞導(dǎo)彈模型彈翼張開的動態(tài)和靜態(tài)性能的實現(xiàn) 　　動態(tài)試驗：在吹風(fēng)中調(diào)入電機的相對零位、根據(jù)實驗工況確定下一位置所對應(yīng)的位置指令、通過控制計算機發(fā)送給寶德卡，寶德卡再發(fā)送信號給伺服電動機驅(qū)動器，伺服電動機驅(qū)動器按指令驅(qū)動電機進行指定的動作。同時動態(tài)采集系統(tǒng)采集光柵信號、主天平的電壓信號，天平信號通過信號調(diào)理電路濾掉交流雜波、經(jīng)過放大、采樣、A／D轉(zhuǎn)換、送給采集計算機進行后臺處理，計算出彈翼及彈體所受的力和力矩。光柵信號經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成彈翼的轉(zhuǎn)角。 　　靜態(tài)試驗：在風(fēng)洞吹風(fēng)前調(diào)入電機的相對零位、根據(jù)實驗工況確定下一位置所對應(yīng)的位置指令、通過控制計算機發(fā)送給寶德卡，寶德卡再發(fā)送信號給伺服電動機驅(qū)動器，伺服電動機驅(qū)動器按指令驅(qū)動電機進行指定的動作。采取位置環(huán)反饋參數(shù)加大的辦法鎖緊彈翼。通氣吹風(fēng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集用VXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集天平力。 5 結(jié)束語 　　直線伺服系統(tǒng)在彈翼張開氣動特性研究中是成功的，經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計也可應(yīng)用在動導(dǎo)系統(tǒng)及低速風(fēng)洞的進氣道走錐系統(tǒng)中以簡化原有方案。 參考文獻 [1]崔曉春，彈翼張開非定常氣動特性研究——FL一2風(fēng)洞試驗方案論證（Ⅱ），CARLA，2002、6 [2]王穎，F(xiàn)L一2風(fēng)洞彈翼張開氣動特性試驗研究——彈翼傾斜張開機構(gòu)設(shè)計，CARLA，2002、6 [3]ThnustTube Motom‘IlmmtBloek Range Copyright Linear Drives Limited 200