高精度钢丝绳悬挂载荷水平运动系统的设计与研究

李培艳等

摘要：为研究探测器对空中飞行物体的探测、识别、跟踪等功能，建立一个空中飞行目标的模拟系统，并以钢丝绳实现其传动与荷载。从计算钢丝绳的张紧力入手，设计出能够适应大悬挂的安全运动系统；同时设计出模拟系统的运动控制方法，推导出控制量的计算公式，为系统的高精度控制提供理论基础。

关键词：悬挂载荷；大跨距；下垂度；张紧力

中图分类号：U445.32文献标志码：B

Abstract： In order to study the functions of probe including probing flying subjects in the air and recognizing and tracking， a simulation system of flying subjects needs to be built， and transmitting and loading depend on wire ropes. So the tensile stress of wire rope was calculated based on the purpose of designing a safe movement system that applies to heavy load. The movement control method for the simulation system was designed， and the calculation formula for control parameter was deduced， which provides a theoretical basis for high precision control of the system.

Key words： hanging load； large span； sag； tensile stress

0引言

本文基于为某探测器所研制的户外试验配套设备，建立一个空中飞行目标的模拟系统，并通过改变模拟目标的大小、外观特征、运动速度等来检验探测器对不同目标探测的精度。将模拟目标视为一个质量为30 kg的悬挂载荷，运动系统跨距70 m，最高速度达到5 m·s-1，速度精度优于001 m·s-1，运动轨迹为水平直线。如果采用传统的刚性机构传动，很难满足该设备对运动跨距、载荷高度、背景遮盖的要求。因此，本文选择钢丝绳作为运动传动工具，重点研究如何实现悬挂载荷的高精度、大跨距、高速水平运动，其难点主要有以下几点。

（1） 如何控制张紧力，并在大张紧力的情况下实现载荷的高速高精度运动。

（2） 钢丝绳两端使用滚筒收放，在自动排绳模式下，如何使钢丝绳始终整齐地缠绕在滚筒上。

（3） 如何在大跨距、重载荷、高速度的条件下实现对运动的高精度控制。

1钢丝绳张紧力计算

要实现钢丝绳悬挂载荷做水平轨迹运动，首先要限制钢丝绳的悬垂度。钢丝绳的悬垂度由钢丝绳所受的张紧力和载荷重力共同决定，将钢丝绳视为没有刚性的悬链线，将探测器视为载荷，其在A、B两点间运动，运动系统可以简化为图1。

承重钢丝绳的一端连接一台普通异步电机，另一端连接一个1 400 kg的配重，当电机带动承重钢丝绳将配重提离地面后，钢丝绳即受到14 kN的恒定张力而张紧。承重钢丝绳同时作为载荷的运动轨道，载荷与承重钢丝绳之间使用滚动接口连接。

牵引钢丝绳中间固定在载荷上，两端通过滑轮缠绕在滚筒上，滚筒由伺服电机驱动。在滚筒前加张力阻尼器和拉力传感器，检测钢丝绳的拉力，同时不断调整牵引钢丝绳的预紧力，避免自动绕绳时出现乱绕或断裂的情况。

工作时，先启动异步电机将配重拉起以张紧承重钢丝绳。然后将伺服电机B设置为力矩模式，力矩方向为张紧钢丝绳方向；将伺服电机A设置为位置模式，慢速由B向A方向转动，直到拉力传感器的拉力值达到要求，停止伺服电机，这样牵引钢丝绳就得到了预紧力。载荷由A向B运动时，两台电机均工作在位置模式下，将B电机设置为主动电机，A电机设置为从动电机，控制B电机转动，A电机跟随B电机同步转动。载荷由B向A方向运动时，将A电机设置为主动电机，B电机设置为从动电机。当目标需要从高空放下时，转动异步电机，慢慢放下承重钢丝绳，将伺服电机A设置为力矩模式，自动适应载荷的重力跟随异步电机转动放下牵引钢丝绳。

3控制方法研究

3.1控制系统设计

伺服电机具有速度精确、位置精度高、控制灵活、反应快等特点，因此本文选用伺服电机作为执行原件。由于很难测量载荷的实际位置和速度，所以本系统采用电机编码器反馈的半闭环控制。控制系统原理如图3所示。

4结语

根据系统要求计算出钢丝绳的张力，根据系统特点设计出了成本较低又安全可靠的系统结构方案，并说明了系统的工作方法。设计了总线控制系统，推导出PID加速度前馈控制的控制量计算公式，并设计出系统的控制流程图。

参考文献：

[1]姜广智，孙志国.悬链线方程在单跨单荷重悬索中的应用[J].吉林师范大学学报：自然科学版，2009，2（1）：3840.

[2]成大先.机械设计手册[M].第5版.北京：化学工业出版社，2010.

[3]李志洲，郑民欣，王锦锦，等.基于EtherCAT网络的三轴伺服控制系统设计[J].组合机床与自动化加工技术，2012，2（2）：6365，71.

[4]郝双辉，蔡一，郑伟峰，等.基于前馈控制的交流伺服系统高速定位控制[J].微特电机，2010（2）：3537，40.

[责任编辑：谭忠华]endprint

摘要：为研究探测器对空中飞行物体的探测、识别、跟踪等功能，建立一个空中飞行目标的模拟系统，并以钢丝绳实现其传动与荷载。从计算钢丝绳的张紧力入手，设计出能够适应大悬挂的安全运动系统；同时设计出模拟系统的运动控制方法，推导出控制量的计算公式，为系统的高精度控制提供理论基础。

关键词：悬挂载荷；大跨距；下垂度；张紧力

中图分类号：U445.32文献标志码：B

Abstract： In order to study the functions of probe including probing flying subjects in the air and recognizing and tracking， a simulation system of flying subjects needs to be built， and transmitting and loading depend on wire ropes. So the tensile stress of wire rope was calculated based on the purpose of designing a safe movement system that applies to heavy load. The movement control method for the simulation system was designed， and the calculation formula for control parameter was deduced， which provides a theoretical basis for high precision control of the system.

Key words： hanging load； large span； sag； tensile stress

0引言

本文基于为某探测器所研制的户外试验配套设备，建立一个空中飞行目标的模拟系统，并通过改变模拟目标的大小、外观特征、运动速度等来检验探测器对不同目标探测的精度。将模拟目标视为一个质量为30 kg的悬挂载荷，运动系统跨距70 m，最高速度达到5 m·s-1，速度精度优于001 m·s-1，运动轨迹为水平直线。如果采用传统的刚性机构传动，很难满足该设备对运动跨距、载荷高度、背景遮盖的要求。因此，本文选择钢丝绳作为运动传动工具，重点研究如何实现悬挂载荷的高精度、大跨距、高速水平运动，其难点主要有以下几点。

（1） 如何控制张紧力，并在大张紧力的情况下实现载荷的高速高精度运动。

（2） 钢丝绳两端使用滚筒收放，在自动排绳模式下，如何使钢丝绳始终整齐地缠绕在滚筒上。

（3） 如何在大跨距、重载荷、高速度的条件下实现对运动的高精度控制。

1钢丝绳张紧力计算

要实现钢丝绳悬挂载荷做水平轨迹运动，首先要限制钢丝绳的悬垂度。钢丝绳的悬垂度由钢丝绳所受的张紧力和载荷重力共同决定，将钢丝绳视为没有刚性的悬链线，将探测器视为载荷，其在A、B两点间运动，运动系统可以简化为图1。

承重钢丝绳的一端连接一台普通异步电机，另一端连接一个1 400 kg的配重，当电机带动承重钢丝绳将配重提离地面后，钢丝绳即受到14 kN的恒定张力而张紧。承重钢丝绳同时作为载荷的运动轨道，载荷与承重钢丝绳之间使用滚动接口连接。

牵引钢丝绳中间固定在载荷上，两端通过滑轮缠绕在滚筒上，滚筒由伺服电机驱动。在滚筒前加张力阻尼器和拉力传感器，检测钢丝绳的拉力，同时不断调整牵引钢丝绳的预紧力，避免自动绕绳时出现乱绕或断裂的情况。

工作时，先启动异步电机将配重拉起以张紧承重钢丝绳。然后将伺服电机B设置为力矩模式，力矩方向为张紧钢丝绳方向；将伺服电机A设置为位置模式，慢速由B向A方向转动，直到拉力传感器的拉力值达到要求，停止伺服电机，这样牵引钢丝绳就得到了预紧力。载荷由A向B运动时，两台电机均工作在位置模式下，将B电机设置为主动电机，A电机设置为从动电机，控制B电机转动，A电机跟随B电机同步转动。载荷由B向A方向运动时，将A电机设置为主动电机，B电机设置为从动电机。当目标需要从高空放下时，转动异步电机，慢慢放下承重钢丝绳，将伺服电机A设置为力矩模式，自动适应载荷的重力跟随异步电机转动放下牵引钢丝绳。

3控制方法研究

3.1控制系统设计

伺服电机具有速度精确、位置精度高、控制灵活、反应快等特点，因此本文选用伺服电机作为执行原件。由于很难测量载荷的实际位置和速度，所以本系统采用电机编码器反馈的半闭环控制。控制系统原理如图3所示。

4结语

根据系统要求计算出钢丝绳的张力，根据系统特点设计出了成本较低又安全可靠的系统结构方案，并说明了系统的工作方法。设计了总线控制系统，推导出PID加速度前馈控制的控制量计算公式，并设计出系统的控制流程图。

参考文献：

[1]姜广智，孙志国.悬链线方程在单跨单荷重悬索中的应用[J].吉林师范大学学报：自然科学版，2009，2（1）：3840.

[2]成大先.机械设计手册[M].第5版.北京：化学工业出版社，2010.

[3]李志洲，郑民欣，王锦锦，等.基于EtherCAT网络的三轴伺服控制系统设计[J].组合机床与自动化加工技术，2012，2（2）：6365，71.

[4]郝双辉，蔡一，郑伟峰，等.基于前馈控制的交流伺服系统高速定位控制[J].微特电机，2010（2）：3537，40.

[责任编辑：谭忠华]endprint

摘要：为研究探测器对空中飞行物体的探测、识别、跟踪等功能，建立一个空中飞行目标的模拟系统，并以钢丝绳实现其传动与荷载。从计算钢丝绳的张紧力入手，设计出能够适应大悬挂的安全运动系统；同时设计出模拟系统的运动控制方法，推导出控制量的计算公式，为系统的高精度控制提供理论基础。

关键词：悬挂载荷；大跨距；下垂度；张紧力

中图分类号：U445.32文献标志码：B

Abstract： In order to study the functions of probe including probing flying subjects in the air and recognizing and tracking， a simulation system of flying subjects needs to be built， and transmitting and loading depend on wire ropes. So the tensile stress of wire rope was calculated based on the purpose of designing a safe movement system that applies to heavy load. The movement control method for the simulation system was designed， and the calculation formula for control parameter was deduced， which provides a theoretical basis for high precision control of the system.

Key words： hanging load； large span； sag； tensile stress

0引言

本文基于为某探测器所研制的户外试验配套设备，建立一个空中飞行目标的模拟系统，并通过改变模拟目标的大小、外观特征、运动速度等来检验探测器对不同目标探测的精度。将模拟目标视为一个质量为30 kg的悬挂载荷，运动系统跨距70 m，最高速度达到5 m·s-1，速度精度优于001 m·s-1，运动轨迹为水平直线。如果采用传统的刚性机构传动，很难满足该设备对运动跨距、载荷高度、背景遮盖的要求。因此，本文选择钢丝绳作为运动传动工具，重点研究如何实现悬挂载荷的高精度、大跨距、高速水平运动，其难点主要有以下几点。

（1） 如何控制张紧力，并在大张紧力的情况下实现载荷的高速高精度运动。

（2） 钢丝绳两端使用滚筒收放，在自动排绳模式下，如何使钢丝绳始终整齐地缠绕在滚筒上。

（3） 如何在大跨距、重载荷、高速度的条件下实现对运动的高精度控制。

1钢丝绳张紧力计算

要实现钢丝绳悬挂载荷做水平轨迹运动，首先要限制钢丝绳的悬垂度。钢丝绳的悬垂度由钢丝绳所受的张紧力和载荷重力共同决定，将钢丝绳视为没有刚性的悬链线，将探测器视为载荷，其在A、B两点间运动，运动系统可以简化为图1。

承重钢丝绳的一端连接一台普通异步电机，另一端连接一个1 400 kg的配重，当电机带动承重钢丝绳将配重提离地面后，钢丝绳即受到14 kN的恒定张力而张紧。承重钢丝绳同时作为载荷的运动轨道，载荷与承重钢丝绳之间使用滚动接口连接。

牵引钢丝绳中间固定在载荷上，两端通过滑轮缠绕在滚筒上，滚筒由伺服电机驱动。在滚筒前加张力阻尼器和拉力传感器，检测钢丝绳的拉力，同时不断调整牵引钢丝绳的预紧力，避免自动绕绳时出现乱绕或断裂的情况。

工作时，先启动异步电机将配重拉起以张紧承重钢丝绳。然后将伺服电机B设置为力矩模式，力矩方向为张紧钢丝绳方向；将伺服电机A设置为位置模式，慢速由B向A方向转动，直到拉力传感器的拉力值达到要求，停止伺服电机，这样牵引钢丝绳就得到了预紧力。载荷由A向B运动时，两台电机均工作在位置模式下，将B电机设置为主动电机，A电机设置为从动电机，控制B电机转动，A电机跟随B电机同步转动。载荷由B向A方向运动时，将A电机设置为主动电机，B电机设置为从动电机。当目标需要从高空放下时，转动异步电机，慢慢放下承重钢丝绳，将伺服电机A设置为力矩模式，自动适应载荷的重力跟随异步电机转动放下牵引钢丝绳。

3控制方法研究

3.1控制系统设计

伺服电机具有速度精确、位置精度高、控制灵活、反应快等特点，因此本文选用伺服电机作为执行原件。由于很难测量载荷的实际位置和速度，所以本系统采用电机编码器反馈的半闭环控制。控制系统原理如图3所示。

4结语

根据系统要求计算出钢丝绳的张力，根据系统特点设计出了成本较低又安全可靠的系统结构方案，并说明了系统的工作方法。设计了总线控制系统，推导出PID加速度前馈控制的控制量计算公式，并设计出系统的控制流程图。

参考文献：

[1]姜广智，孙志国.悬链线方程在单跨单荷重悬索中的应用[J].吉林师范大学学报：自然科学版，2009，2（1）：3840.

[2]成大先.机械设计手册[M].第5版.北京：化学工业出版社，2010.

[3]李志洲，郑民欣，王锦锦，等.基于EtherCAT网络的三轴伺服控制系统设计[J].组合机床与自动化加工技术，2012，2（2）：6365，71.

[4]郝双辉，蔡一，郑伟峰，等.基于前馈控制的交流伺服系统高速定位控制[J].微特电机，2010（2）：3537，40.

[责任编辑：谭忠华]endprint