Zwei-Achs-Trägheitsprüfdrehtesch ist die Kernausrüstung für die Leistungsprüfung von Trägheitsnavigationssystemen und Haltungssteuerungssystemen. Durch die Simulation der Winkelbewegung des Trägers im zweidimensionalen Raum liefert er präzise Haltungsgrenzwerte und Bewegungsanreize für Trägheitsgeräte (z. B. Gyroskop, Beschleunigungsmesser) und Trägheitssysteme. Die technische Leistung des Drehtisches bestimmt direkt die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Trägheitsprüfung, deren Kern auf dem Prinzip der präzisen Bewegungssteuerung und dem Konstruktionsdesign mit hoher Steifigkeit und geringer Störung basiert. Dieser Artikel wird die Kernlogik der Bewegungssteuerung, die Kernkomponenten der Schlüsseltechnologien und Strukturen sowie die Konstruktionspunkte ausführlich erläutern und den inneren Mechanismus zur Realisierung einer hochpräzisen Winkelbewegungssimulation aufdecken.

I. Bewegungssteuerungsprinzip des Dual-Axis-Trägheitsprüfdrehtisches

Das Kernziel der Bewegungssteuerung des Dual-Axis-Trägheitsprüfdrehtisches ist es, unabhängige oder verbindliche Winkelbewegungen zweier orthogonaler Achsen (in der Regel Richtungsachse und Neigungsachse) zu erreichen, um die Bedürfnisse der Gestensimulation unter verschiedenen Testszenarien zu erfüllen, wie konstante Drehgeschwindigkeit, Winkelpositionierung, Sinus-Schwingung usw. Sein Steuerprinzip basiert auf der geschlossenen Schleifensteuerung von "Befehlsgenerierung - Signalrückkopplung - Fehlerkorrektur" und vereint Schlüsseltechnologien wie kinetische Auflösung, Servoantrieb und hochpräzise Prüfung, um die Genauigkeit und dynamische Reaktionsleistung der Ausgangswinkelbewegung zu gewährleisten.

(1) Kernsteuerungslogik: Schließkreis-Steuerungsarchitektur

Das Mess- und Steuerungssystem ist ein wichtiger Bestandteil des Drehtisches, dessen Hauptfunktionen können auf die Implementierung der Servo-Steuerungsstrategie des Systems zurückgeführt werden, die technische Leistung und Funktionalität des Systems abschließen und sicherstellen, dass das System normal und sicher funktioniert.

1. Prinzip : Die Steuerung des Drehbuchs basiert auf der Fehlerkontrolltheorie, d.h. der Unterschied zwischen dem Befehlswert und dem Rückmeldungswert ist ein Fehler, das ideale Ziel der Steuerung ist, den Fehler auf Null zu bringen. Dieser Fehler erzeugt einen Spannungswert nach Berechnung durch den PID-Algorithmus, den Forward-Feed-Korrekturgorithmus, den Reibungskompensationsalgorithmus und andere Operationen, dann wird der Spannungswert durch die industrielle allgemeine D / A-Karte ausgegeben, als Eingang des Motorantriebs, der Motorantrieb basierend auf der gegebenen Spannung antreibt den Motor, um die Kontrolle des Motors zu erreichen. Der motorgetriebene Drehtischrahmen dreht sich, der Drehwinkel wird durch den Winkel-Encoder erfasst, über das Winkelmodul und die Datenerfassungskarte an das Steuerprogramm zurückgegeben, das heißt den Rückkopplungswert, und dann mit dem Befehlswert verglichen, so dass die Regelung bis zu einem Fehler von Null geschleift wird.

Das System verwendet eine untergeordnete Struktursteuerung, die aus einem analogen Stromring und einer digitalen Positionsring-Steuerschaltung besteht. Steuern Sie den Eingang des Motorantriebs über eine D/A-Wandelkarte, der den Motor antreibt, um die Steuerung des Motors zu erreichen. Beide Achsensysteme werden durch einen Winkelencoder das Signal zur Position der Drehachse zurückgegeben, nachdem das Winkelmodul und die Datenerfassungskarte an das Steuerprogramm zurückgegeben wurden, und das Steuersystem verwendet den PID-Steueralgorithmus und den fortgeschrittenen Robustheit-Steueralgorithmus, um den Drehtisch zu steuern, was den Positionsring des Systems bildet. Der Positionsring ist der primäre Rückkopplungsring des Systems, der verwendet wird, um die Kontrollgenauigkeit und die dynamischen Anforderungen des Systems zu gewährleisten. Der Stromring des Systems wird intern durch den Antrieb realisiert, und der Stromring bildet eine negative Rückkopplung des Armaturstroms, um die Auswirkungen von Spannungsschwankungen zu verringern, die Linearität des Steuermoments zu verbessern und gleichzeitig die Leistungsumwandlungsschaltung und den Motorüberstrom zu verhindern.

2. Steuerungssoftware : Die Turntable-Steuerungssoftware ist in die obere Ebene (integrierte Managementebene) und die untere Ebene (direkte Steuerungsebene) unterteilt, die obere und untere Ebene kommunizieren durch gemeinsamen Speicher auf einem Computer, die obere Ebene bildet die zentrale Überwachung des 2D-Turntables, die integrierte Managementebene, die hauptsächlich die integrierte Online-Verwaltung von nicht-Echtzeitprozessen, die Leistungserkennung, die Sicherheitseinstellungen und die Überwachungsfunktionen realisiert. Die untere Ebene der Software ist die direkte Steuerstufe des 2D-Drehtischsteuerungssystems, um einzelne unabhängige Servo-Steuerkreise zu bilden.

Das Überwachungssystem (CMS, Central Monitoring System) ist ein spezielles Hardwaregerät des Steuerungssystems, das über eine Schnittstelle direkt mit der Steuerungssoftware kommuniziert, um die Arbeitszustandskontrolle, die Datenerfassung und das Überwachungsalarmmanagement der einzelnen Kanäle zu realisieren. Das Überwachungssystem bietet Sicherheitsschutz und logische Steuerung des gesamten Geräts.

3. Servo-SteuerungDas Steuersystem verfügt über zwei voneinander unabhängige digitale Servo-Steuerkanäle, das System verwendet das digitale Servo-Steuersystem des Mikrocomputer-Steuerantriebs-Drehmomentmotor-Direktantriebsrahmens. Die digitale Winkel-Position-Feedback-Schaltung besteht aus hochpräzisen Feedback-Elementen und digitalen Transformatoren, die die Präzisions- und Leistungsanforderungen des Systems erfüllen. Die Verwendung von industriellen Steuergeräten als Hauptcomputer des Servosystems kann die Realisierung der Systemleistung gewährleisten und gleichzeitig die Systemsteuerungsstrategie sehr gut implementieren, so dass die Leistung des Systems vollständig gewährleistet ist.

Der gesamte Controller besteht aus vier Komponenten: dem klassischen PID-Controller, dem Null-Differenz-Forwarding-Controller auf Basis von Null-Punkt-Vorkompensation, dem adaptiven Reibungskompensator und dem robusten Controller auf Basis von Störungsbeobachtern.

Der Positionsring verwendet eine zusammengesetzte Steuerstruktur, d. h. die Kombination von Vorlaufsteuerung und Rückkopplungssteuerung, deren Vorteil darin besteht, dass die Verfolgungsleistung des Systems von der Stabilität des Systems getrennt berücksichtigt werden kann. Die Vorlaufsteuerung dient zur Verbesserung der Systemverfolgungsleistung und beeinträchtigt nicht die Systemstabilität, während die Schließkreissteuerung die Stabilität des Systems, die Robustheit bei äußeren Störungen und Parameterwechseln gewährleistet.

Bei der Positionsschleifensteuerung wird eine robuste Steuermethode auf der Grundlage eines Störbeobachters verwendet, der Störbeobachterteil wird verwendet, um Kraftmomentstörungen zu unterdrücken und das System zu linearisieren. Die Grundidee ist, dass die Unterschiede zwischen den tatsächlichen Objekten und den nominalen Modellausgängen durch externe Momentstörungen und Änderungen der Modellparameter verursacht werden, alle gleichwertig mit dem Steuereingang sind, d.h. gleichwertige Störungen beobachtet werden und eine gleichwertige Kompensation in der Steuerung eingeführt werden, um die Unterdrückung von Störungen zu erreichen und die Robustheit des Steuersystems zu verbessern. Das Design des geschlossenen Schleifens berücksichtigt hauptsächlich die Systemstabilität und die statischen Fehler der Position und nimmt effektive logische Filtermaßnahmen für das Positionsfeedback ein, um den Einfluss von Fehlercodes und Fehlercodes zu beseitigen. Der Positionsschleifenregler verwendet eine zusammengesetzte Steuerung, um einen reibungslosen Betrieb des geschlossenen Schleifensystems zu gewährleisten, die Reaktion ist nicht überreguliert, und seine Parameter können sich anpassen, um sich an verschiedene Belastungen anzupassen, um die Robustheit des Steuersystems bei Parameterwechseln zu verbessern.

Schlüsseltechnologien: Hochpräzise Erkennung und Fehlerkompensation

Die Präzision der geschlossenen Schleifensteuerung hängt von der hochpräzisen Rückmeldungserfassung und einer effektiven Fehlerkompensation ab, die die Kerntechnik der Doppelachsdrehbewegungssteuerung ist:

1. Hochpräzise Winkelpositions-/Winkelgeschwindigkeitserkennung : Mit hochpräzisen Prüfelementen erfasst man den Bewegungszustand des Drehtischrahmens in Echtzeit und bietet eine zuverlässige Grundlage für die Fehlerkorrektur. Zu den häufig verwendeten Prüfelementen gehören optische Encoder, Rotationstransformatoren, Kreisinduktionssynchronisatoren usw. Unter ihnen hat der Kreisinduktionssynchronizer eine hohe Präzision, hohe Stabilität und eine starke Störungsbeständigkeit, die weit verbreitet in der hochpräzisen Drehtisch verwendet wird; Optoelektronische Encoders haben die Vorteile einer schnellen Reaktionsgeschwindigkeit und einer hohen Auflösung, die sich für Szenarien mit hohen dynamischen Leistungsanforderungen eignen. Um die Prüfgenauigkeit weiter zu verbessern, wird in der Regel die Segmentiertechnologie mit mehreren Leseköpfen verwendet, um durch die Überlagerung und Segmentierung von Signalen mit mehreren Leseköpfen die Gravierungsfehler und die Installationsfehler der Prüfkomponenten zu reduzieren.

2. FehlerkompensationstechnologieDie Kompensation von Systemfehlern und zufälligen Fehlern während der Drehbewegung durch die Kombination von Software und Hardware ist der Schlüssel zur Verbesserung der Kontrollpräzision. Systemfehler umfassen hauptsächlich mechanische Antriebsfehler, geometrische Fehler des Rahmens (z. B. Zwei-Achsen-Ortogonalitätsfehler, Radialkreisschläge des Achssystems und Schläge des Endkreises), Totzonenfehler des Motors usw. Zufallsfehler umfassen hauptsächlich Laststörungen, Temperaturverschiebungen, äußere Vibrationen usw. Die Kompensationsstrategie umfasst: Erstens Offline-Kalibrierungskompensation, die Kalibrierung von Systemfehlern durch hochpräzise Messgeräte wie Laserinterferometer, die Errichtung eines Fehlermodells und den Aufruf des Modells in Echtzeit während des Kontrollprozesses zur Fehlerkompensation; Zweitens ist die adaptive Kompensation online, die durch adaptive Steuerungsalgorithmen in Echtzeit zufällige Fehler wie Laststörungen, Temperaturdrift und andere erkennt, die Steuerparameter dynamisch anpasst und die Störungsfähigkeit des Systems verbessert.

II. Struktur des zweichassigen Trägheitsprüfdrehtisches

Die Struktur des zweichassigen Trägheitsprüfdrehtisches muss die Kernanforderungen von "hoher Genauigkeit, hoher Steifigkeit, geringer Störung und Leichtgewicht" erfüllen, um sicherzustellen, dass die mechanische Struktur die Bewegung genau übertragen kann und den Einfluss der eigenen Störungen auf die Prüfgenauigkeit reduziert. Der Kern der Struktur besteht aus Drehtischrahmen, Achsenkomponenten, Antriebsmitteln, Stützstrukturen und Schutzeinrichtungen, und die Konstruktion der einzelnen Teile bestimmt direkt die mechanischen Eigenschaften und Prüfgenauigkeit des Drehtisches.

a) Zusammensetzung der Kernstruktur

1. Rotationsrahmen : Als Kernbauteil für die Tragung von Testteilen und die Realisierung von Winkelbewegungen, unterteilt in den Innenrahmen (Schrägachsrahmen) und den Außenrahmen (Richtachsrahmen), die beiden Rahmen sind durch die Achskomponenten orthogonal verbunden. Die Gestaltung des Rahmens muss Steifigkeit und Leichtgewicht berücksichtigen: Mangelnde Steifigkeit kann zu Verformungen während der Bewegung führen, die die Gestengenauigkeit beeinflussen; Zu großes Gewicht erhöht die Motorlast und verringert die dynamische Reaktionsleistung. In der Regel wird eine hochfeste Aluminiumlegierung als Rahmenmaterial verwendet, um die Rahmenstruktur durch eine Analyse mit begrenzten Elementen zu optimieren, die Verstärkung an kritischen Stellen einzustellen und die Steifigkeit der Struktur zu verbessern, während das Gewicht reduziert wird.

2. AchsenkomponentenEs ist das Kernteil, das eine hohe Präzision der Winkelbewegung des Drehtisches gewährleistet, was die Drehgenauigkeit und Stabilität des Achssystems direkt bestimmt. Die Lagerkomponenten bestehen hauptsächlich aus Spindel, Lager, Lagersitz und Verriegelungsmechanismen. Um die Drehgenauigkeit zu verbessern, werden in der Regel hochpräzise Wälzlager (wie Winkelkontaktkugellager, Kegelrollenlager) oder statische Drucklager (Gasstatische Drucklager, Flüssigkeitsstatische Drucklager) verwendet: Wälzlager hat die Vorteile einer einfachen Struktur, niedriger Kosten und schneller Reaktion, geeignet für mittlere und hohe Präzisionsdrehtische; Statische Drucklager unterstützen die Spindel durch Hochdruckgas oder Flüssigkeit, die Öl- / Gasfilm bildet, mit reibungsfreier, geringer Verschleißung und hoher Drehgenauigkeit, geeignet für ultrapräzise Drehtische. Die Vorspannung des Lagers muss während der Montage streng kontrolliert werden, um den Radialkreisschlag der Spindel und den Schlag der Endfläche zu verringern und gleichzeitig die Auswirkungen von Temperaturänderungen auf die Genauigkeit der Welle durch ein Temperaturkompensationsdesign zu verringern.

3. AntriebsmittelVerantwortlich für die Übertragung der Bewegung des Motors auf den Drehtischrahmen, die Antriebsgenauigkeit wirkt sich direkt auf die Bewegungssteuerungsgenauigkeit des Drehtisches aus. Die häufig verwendeten Antriebsmethoden umfassen den direkten Antrieb und den indirekten Antrieb: Direktantrieb (DD-Antrieb) ist die Verbindung des Motorrotors direkt mit dem Drehtischrahmen, die Beseitigung der mittleren Antriebslinie, die hohe Antriebsgenauigkeit, schnelle Reaktion und keinen Antriebsspalt haben, ist die bevorzugte Antriebsmethode für hochpräzise Drehtische; Der indirekte Antrieb überträgt Bewegung über Getriebe, Synchronbänder, Schrauben und andere Antriebselemente, die für Szenarien mit größeren Belastungen geeignet sind, aber die Steuerung des Antriebsspaltes durch Präzisionsbearbeitung und Montage erfordert, um Antriebsfehler zu reduzieren.

4. Stützkonstruktionen und SchutzeinrichtungenDie Stützstruktur umfasst die Basis und den Träger, um die Komponenten des Drehtisches zu fixieren, muss ausreichende Steifigkeit und Stabilität haben, um die Auswirkungen von äußeren Vibrationen auf die Drehtischebewegung zu vermeiden. In der Regel wird Gusseisen oder Granit als Grundmaterial verwendet, Granit hat eine gute Bebkenbeständigkeit und Stabilität, kann effektiv Schwingungen absorbieren und die statische Genauigkeit des Drehtisches verbessern. Die Schutzvorrichtung wird hauptsächlich zum Schutz der Innenkomponenten des Drehtisches verwendet, um Staub, Wasserdampf usw. in die Achse und den Antriebsmittel zu verhindern und gleichzeitig Sicherheitsunfälle während des Testprozesses zu vermeiden. In der Regel werden Schutzteile wie Abdeckungen und Sicherheitsrister verwendet.

Schlüsselpunkte der Strukturgestaltung

1. Zwei-Achsen-Ortogonal-DesignDer Ortogonalitätsfehler der beiden Achsen ist ein kritischer geometrischer Fehler, der die Genauigkeit der Verbindungen der beiden Achsen beeinflusst, der durch eine präzise Konstruktion und Montage gewährleistet werden muss. In der Konstruktionsphase wird die Montageposition der Achskomponenten durch dreidimensionale Modellierung optimiert, um sicherzustellen, dass die Mittellinie der beiden Achsen strikt orthogonal ist; Während der Montage wird ein Laserinterferometer zur Echtzeitmessung verwendet, um den Ortogonalfehler in wenigen Sekunden zu kontrollieren, indem die Montagepräzision des Lagersitzes angepasst wird.

2. Leicht und dynamisch ausgewogenes Design : Ungleichmäßige Gewichtsverteilung des Drehtischrahmens und der Last führt zu einer Zentrifugalkraft während der Bewegung, die Vibrationen auslöst und die dynamische Genauigkeit beeinflusst. Daher ist ein leichtes Design des Drehtischrahmens erforderlich, während durch dynamische Gleichgewichtsprüfung und Korrektur die Exzentrismasse eliminiert wird. Die dynamische Gleichgewichtskorrektur wird in der Regel durch Verschärfung oder Entschwerung verwendet, um das Ungleichgewicht des Drehtisches in einem sehr kleinen Bereich zu kontrollieren, um die Stabilität des Drehtisches bei hoher Drehgeschwindigkeit zu gewährleisten.

3. StörungsunterdrückungsdesignMechanische Störungen des Drehtisches (z. B. Lagerreibung, Antriebsspalt) und äußere Störungen (z. B. Vibrationen, Temperaturänderungen) können die Prüfgenauigkeit ernsthaft beeinflussen und müssen durch das Strukturdesign unterdrückt werden. Erstens ist die Verwendung von Isolationsdesign, Isolationsmatten oder Isolationsplattformen zwischen der Basis und dem Boden einzurichten, um äußere Schwingungen zu absorbieren; Zweitens ist die Anwendung der Temperaturregelung, die Einrichtung der Heiz- / Kälteanlage und des Temperatursensors innerhalb des Drehtisches, die Echtzeit-Steuerung der Arbeitstemperatur des Drehtisches und die Verringerung der Auswirkungen der Temperaturänderung auf die Genauigkeit der Achse und die Materialeigenschaften; Drittens ist die Optimierung der Verkabelung und der Leitungskonstruktion, um zu vermeiden, dass Kabel und Rohrleitung während der Drehtischbewegung Zug und Reibung erzeugen und das Störmoment reduzieren.

4. Installation und Schnittstellenplanung von Testteilen : Die Installationsgenauigkeit von Testteilen beeinflusst direkt die Zuverlässigkeit der Testergebnisse und erfordert die Konstruktion von hochpräzisen Installationsschnittstellen und Positionierungsbenchmarks. Normalerweise werden Positionierungsstifte, Endflansche und andere Positionierungsmethoden verwendet, um sicherzustellen, dass das Installationszentrum des Testteils mit dem Drehzentrum des Drehtisches übereinstimmt; Gleichzeitig werden die notwendigen Signal- und Stromschnittstellen vorbehalten, um die Verbindung des Testteils mit einem externen Testsystem zu erleichtern, und das Schnittstellendesign muss den Bewegungsbereich und die Genauigkeit des Drehtisches vermeiden.

III. Schlussfolgerung

Das Prinzip der Bewegungssteuerung und das Strukturdesign des Dual-Axis-Trägheitsprüfdrehtisches ist ein organisches Ganzes, die hohe Genauigkeitsanforderung an Bewegungssteuerung hängt von der hohen Steifigkeit und geringen Störungen des Strukturdesigns ab, und die Optimierung des Strukturdesigns bietet eine gute Grundlage für die Realisierung von Bewegungssteuerungsalgorithmen. Mit der Entwicklung der Trägheitsnavigationstechnologie in Richtung der hohen Präzision und Miniaturisierung verbessern sich die Leistungsanforderungen an den zweichassigen Trägheitsprüfdrehtischen auch kontinuierlich. In Zukunft müssen fortschrittliche Steuerungsalgorithmen (wie intelligente Steuerung, robuste Steuerung) und hochpräzise Strukturgestaltungstechnologie (wie additive Fertigung, Präzisionsmontage) weiter integriert werden, um die Prüfgenauigkeit, dynamische Reaktionsleistung und Zuverlässigkeit des Drehtisches kontinuierlich zu verbessern und die Entwicklung der Trägheitstechnologie stark zu unterstützen.