大型筒状结构件自动调姿对中控制系统及控制方法
【专利摘要】一种大型筒状结构件自动调姿对中控制系统，包括对中控制单元、对中检测单元、激光位移传感器、第一位姿控制单元、第二位姿控制单元、前压力继电器、后压力继电器、前拉线位移传感器、后拉线位移传感器、前步进电机、后步进电机、前调整装置、后调整装置、活动筒状结构件、固定筒状结构件；本发明实现了两大型筒状结构件的自动快速精确对中控制，为大型筒状结构件的对接连接提供保障。
【专利说明】大型筒状结构件自动调姿对中控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种控制系统及方法，特别是涉及一种调姿控制系统及方法。
【背景技术】
[0002]传目前，大型筒状结构件的对接，在飞机装配、管线对接、飞船太空对接等领域广泛应用，某些产品需要多次实现分离与对接过程。在大型筒状结构件的对接过程中，要保证其可靠连接，首先需要解决其同心问题，即通过其自身姿态调节消除初始误差，使两筒状结构件的同心度满足对接要求。传统的调姿对中过程均采用人工测量、调整的方法，效率较低，对操作人员依赖性强。为保证安全性和可靠性要求，设置了多个人工检测、操作环节，一个完整的工作流程需要多人配合操作，耗时较长。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种大型筒状结构件自动调姿对中控制系统以及利用该系统的控制方法用于解决上述技术问题。
[0004]本发明大型筒状结构件自动调姿对中控制系统包括对中控制单元、对中检测单元、激光位移传感器、第一位姿控制单元、前压力继电器、前拉线位移传感器、前步进电机、前调整装置、活动筒状结构件、固定筒状结构件；
[0005]对中控制单元的信号输入端通过CAN总线与对中检测单元的信号输出端相连接，对中检测单元的信号输入端与激光位移传感器的信号输出端相连接；
[0006]对中控制单元的信号输出端经CAN总线连接到第一位姿控制单元的信号输入端，前压力继电器、前拉线位移传感器、前步进电机分别与第一位姿控制单元和前调整装置相连接，前调整装置与活动筒状结构件机械连接；
[0007]所述激光位移传感器用于实现两大型筒状结构件对接部位空间偏差距离的检测，并将检测结果传输给对中检测单元；所述对中检测单元用于将接收的检测结果转换为CAN总线上能够传输的信息并经CAN总线将转换的信息上传给对中控制单元；所述对中控制单元对激光位移传感器的检测信息进行解析计算，得出其空间位姿偏差，并解析出将大型筒状结构件位姿调整装置上各执行技术数控油缸的调整数据通过CAN总线发送至第一位姿控制单元和第二位姿控制单元；所述第一位姿控制单元用于接收相应的压力传感器和拉线位移传感器的检测信息，并且根据检测信息实时控制相应的步进电机，从而实现数控油缸位移的闭环控制和过程误差检测；所述前调整装置包括第一升降油缸、第二升降油缸、横移油缸；所述前压力继电器用于检测相应的数控油缸的工作油路的油压值；前拉线位移传感器用于检测相应数控油缸的缸杆的伸出长度。
[0008]2、根据权利要求1所述的大型筒状结构件自动调姿对中控制系统，其特征在于，还包括第二位姿控制单元、后压力继电器、后拉线位移传感器、后步进电机、后调整装置；
[0009]对中控制单元的信号输出端经CAN总线连接到第二位姿控制单元的信号输入端，后压力继电器、后拉线位移传感器、后步进电机分别与第二位姿控制单元和后调整装置相连接，后调整装置分别与活动筒状结构件机械连接；
[0010]所述第二位置控制单元分别接收相应的压力传感器和拉线位移传感器的检测信息，并且根据检测信息实时控制相应的步进电机，从而实现数控油缸位移的闭环控制和过程误差检测；
[0011]所述后调整装置分别包括第一升降油缸、第二升降油缸、横移油缸，与前调整装置配合实现大型筒状结构件的上下、左右、俯仰、横摆四个自由度的调节；
[0012]后压力继电器用于检测相应的数控油缸的工作油路的油压值；后拉线位移传感器用于检测相应数控油缸的缸杆的伸出长度。
[0013]3、利用权利要求1至2所述的大型筒状结构件自动调姿对中控制系统的自动调姿对中方法包括如下步骤:
[0014]S1、判断第一径向激光位移传感器、第二径向激光位移传感器和第三径向激光位移传感器是否有正常采集值:
[0015]如果有正常采集值则进入S2 ；
[0016]如果有人以一个激光位移传感器没有正常采集值，则继续SI进行判断。
[0017]S2、采集第二径向激光位移传感器的检测值X2r和第三径向激光位移传感器检测值X4r，计算W = X2r-X4r，如| W |≤1_，则转到下一工步；如果| W | >1_，前调整装置的横溢油缸、后调整装置的横移油缸同步左移(W/2)mm。
[0018]S3、首先检测第一径向激光位移传感器的采集值Xlr,计算Q = Xlr。如I Q I < 0.5_，则检测三个轴向激光位移传感器是否有信号，如果有则转下一工步，否则
停机报错。如果I Q I >0.5mm，则前后两个调整装置的四个升降油缸同步上升(Q)mm，然后检测三个轴向激光位移传感器是否有信号，如果有则转下一工步，否则停机报错。
[0019]S4、采集第二轴向激光位移传感器的检测值Y2a和第三轴向激光位移传感器的检测值Y4a，计算M = Y2a-Y4a，如| M |≤0.5mm，则转到下一工步；如果| M | >0.5mm,则后调整装置的横移油缸右移((L2-L1)*M/H)mm。
[0020]S5、采集第二轴向激光位移传感器的检测值X2r和第三轴向激光位移传感器检测值X4r，计算W = X2r-X4r，如| W |≤1_，则转到下一工步；如果| W | >1_，前调整装置的横溢油缸和后调整装置的横移油缸同步左移(W/2)mm。
[0021]S6、采集第二轴向激光位移传感器的检测值Y2a、第三轴向激光位移传感器的检测值Y4a和第一轴向激光位移传感器的检测值YI a，计算N = (Y2a+Y4a) /2_Y I a，如
I N I < 0.5mm，则转到下一工步；如果I N | >0.5mm，则后调整装置的两个升降油缸同步上升((L2-L1)N/D)mm。
[0022]S7、检测第一径向激光位移传感器采集值Xlr，计算Q = XlrjB | Q | <0.5，则转S8，如果I Q I >0.5，则前调整装置和后调整装置的四个升降油缸同步上升(Q)mm。
[0023]S8、综合检查W、M、N、Q值，如果丨W丨≤1mm，丨M丨≤0.5mm、丨N丨≤0.5mm、
I Q I≤0.5mm均满足，则完成自动对中，结束流程；如有任一项不满足，则返回SI，直到满
足要求为止，循环5次仍不满足要求，则停机报错。
[0024]本发明的大型筒状结构件自动调姿对中控制系统及方法将传感器技术、自动控制技术、数控油缸闭环控制技术应用于大型筒状结构件对接过程控制，采用光、机、电、液一体化设备，实现自动检测大型筒状结构件间相对位置偏差，并进行分析解算及控制执行机构运动，实现大型筒状结构件在四个自由度方向上的姿态快速调整及快速精确对中，有效避免了原有人工操作方式的缺陷，使产品的性能和技术水平上了一个新台阶，系统采用信息化控制系统、闭环位移反馈数控油缸、激光位移传感器组合检测等先进技术，使产品技术水平和性能上了一个新台阶，尤其在使用性方面获得了重要突破，在大型筒状结构件调姿对中、对接领域具有广泛的推广意义。
[0025]下面结合附图对本发明的大型筒状结构件自动调姿对中控制系统及方法作进一步说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明的大型筒状结构件自动调姿对中控制系统组成框图；
[0027]图2为本发明的位姿调整装置结构示意图；
[0028]图3为活动管状结构件与前后位姿调整装置支撑结构示意图；
[0029]图4为大型筒状结构件自动对中流程示意图；
[0030]图5为激光位移传感器布置位置不意图。
【具体实施方式】
[0031]如图1所示，本发明的大型筒状结构件自动调姿对中控制系统包括对中控制单元A、对中检测单元B、激光位移传感器C、第一位姿控制单元Y、第二位姿控制单元y、前压力继电器D、后压力继电器d、前拉线位移传感器E、后拉线位移传感器e、前步进电机F、后步进电机f、前调整装置G、后调整装置g、活动筒状结构件H、固定筒状结构件h ；
[0032]对中控制单元A的信号输入端通过CAN总线与对中检测单元B的信号输出端相连接，对中检测单元B的信号输入端与激光位移传感器C的信号输出端相连接；
[0033]对中控制单元A的第一信号输出端通过CAN总线与第一位姿控制单元Y的信号输入端相连接，第一位姿控制单元Y的第一信号输出端与前压力继电器D的信号输入端相连接，第一位姿控制单元Y的第二信号输出端与前拉线位移传感器E的信号输入端相连接，第一位姿控制单元Y的第三信号输出端与前步进电机F的信号输入端相连接，前压力继电器D的信号输出端与前调整装置G的第一信号输入端相连接，前拉线位移传感器E的信号输出端与前调整装置G的第二信号输入端相连接，前步进电机F与前调整装置G机械连接，前调整装置G与活动筒状结构件H机械连接；
[0034]对中控制单元A的第二信号输出端通过CAN总线与第二位姿控制单元y的信号输入端相连接，第二位姿控制单元I的第一信号输出端与后压力继电器d的信号输入端相连接，第一位姿控制单元y的第二信号输出端与后拉线位移传感器e的信号输入端相连接，第一位姿控制单元y的第三信号输出端与后步进电机f的信号输入端相连接，后压力继电器d的信号输出端与后调整装置g的第一信号输入端相连接，后拉线位移传感器e的信号输出端与后调整装置g的第二信号输入端相连接，后步进电机f与后调整装置g机械连接，后调整装置g与活动筒状结构件H机械连接；
[0035]激光位移传感器C用于实现两大型筒状结构件对接部位空间偏差距离的检测，并将检测结果传输给对中检测单元B ;对中检测单元B用于将接收的检测结果转换为CAN总线上能够传输的信息并经CAN总线将转换的信息上传给对中控制单元A ;对中控制单元A用于解析计算激光位移传感器C的检测信息，得出其空间位姿偏差，并将大型筒状结构件位姿调整装置上各数控油缸的调整数据通过CAN总线发送至第一位姿控制单元Y和第二位姿控制单元I ;第一位姿控制单元Y和第二位置控制单元I分别用于接收相应的压力传感器和拉线位移传感器的检测信息，并且根据检测信息实时控制相应的步进电机，从而实现数控油缸位移的闭环控制和过程误差检测；前调整装置G、后调整装置g分别包括三个数控油缸(其中包括两个升降油缸、一个横移油缸)，两个位姿调整装置配合用于实现大型筒状结构件的上下、左右、俯仰、横摆四个自由度的调节；前压力继电器D、后压力继电器d用于分别检测相应的数控油缸的工作油路的油压值；前拉线位移传感器E、后拉线位移传感器e用于分别检测相应数控油缸的缸杆的伸出长度。
[0036]如图2所示，前位姿调整装置G、后位姿调整装置d分别包括第一升降油缸1、第二升降油缸3、横移油缸2，第一升降油缸I和第二升降油缸2实现大型筒状结构件的竖直方向上的升降的调整，横移油缸3实现大型筒状结构件在水平方向的移动。
[0037]如图3所示，大型筒状结构件4的前后两端分别设置有前调整装置G、后调整装置g，大型筒状结构件4的前端设置有对接框5，在前调整装置G、后调整装置g的配合下可以实现大型筒状结构件4的升降、横移、俯仰、横摆四个自由度上的调整，调整方式如下:
[0038]升降调整:调整装置G、后调整装置g同步升降(保证两调整装置的四个升降油缸同步升降动作)；
[0039]横移调整:调整装置G、后调整装置g同步横移动作(保证两调整装置的两个横移油缸同步横移动作)；
[0040]俯仰调整:前调整装置G不动作，单独控制后调整装置g升降动作；
[0041]横摆调整:前调整装置G不动作，单独控制后调整装置g横移动作。
[0042]如图5所示，包括活动筒状结构件H、固定筒状结构件h，固定筒状结构件h的圆周上分布有第一径向检测点Ir、第二径向检测点Ilr、第三径向检测点IVr，固定筒状结构件h的端面上分布有第一轴向检测点la、第二轴向检测点Ila、第三轴向检测点IVa，其中第二轴向检测点IIa与第三轴向检测点Iva之间的水平距离时L，第一轴向检测点Ia与第二轴向检测点IIa之间的垂直距离为M，相应的在活动筒状结构件H上设置有第一径向激光位移传感器IrO、第二径向激光位移传感器IlrO、第三径向位移传感器IVrO、第一轴向激光位移传感器IaO、第二轴向激光位移传感器IlaO、第三轴向激光位移传感器IVrO。
[0043]上述激光位移传感器都是用高精度的激光位移传感器，作为活动筒状结构件H与固定筒状结构件h相对位置偏差的检测元件，三个轴向位移传感器用于检测两筒状结构件端面间的水平距离分别记为Y2a、Y4a、Yla，三个径向传感器用于检测两筒状结构件外壁间的径向距离，分别记为X2a、X4a、Xla，这些距离间接反映了被测对象的轴线位置差异，通过相应的执行机构的动作使得Y2a = Y4a = Yla, X2r = Mr, Xlr = 0时，即认为实现了两筒状结构件的轴线对中要求。
[0044]自动对中控制方法是实现大型筒状结构件自动调姿对中功能的关键，由于固定筒状结构件h与活动筒状结构件H初始停放偏差具有不确定性，因此针对各种可能的工况，控制系统都设置了对应的逻辑策略，使其覆盖所有使用工况。
[0045]对中过程按照“先粗同心，再调平行，再精同心”的顺序进行。由于两筒状结构件初始停放位置的偏差范围较大，轴向位移传感器在初始位置存在无法收到反馈信号的可能，因此应先进行同心调节，由于存在平行度偏差，此时的同心调节并不能真正保证同心，只能算作粗同心调节。在粗同心调整后，保证轴向位移传感器有信号的情况下，即可进行调平行工作。完成平行调整后再进行同心调节，即可保证真正同心，即为精同心。由于此种传感器安装方式，造成轴、径向位移传感器检测值之间会存在一定的耦合关系，因此一个循环可能无法满足最终控制要求，通过多次执行以上循环即可不断消除传感器之间的耦合影响，直至最终结果满足要求即可。
[0046]基于以上原则，实现活动筒状结构件与固定筒状结构件之间的上下、左右、俯仰、横摆四个自由度调节，需要:左右粗同心、左右调平行、左右精同心、上下粗同心、上下调平行、上下精同心六个步骤才能完成一次调整循环。为了避免轴向传感器出现无信号状态，对上述6个工步进行科学规划和调整，步骤如下:工步一，左右粗同心；工步二，上下粗同心；工步二，左右调平行；工步四，左右精同心；工步五，上下调平行；工步/K，上下精同心。
[0047]如图4所示为大型筒状结构件自动对中流程，以下详细介绍每一个工步的控制要求，以及自动对中的初始条件和结束条件。
[0048]初始条件:第一径向激光位移传感器IrO、第二径向激光位移传感器II rO和第三径向激光位移传感器IV rO均有正常采集值。
[0049]工步一:左右粗同心
[0050]采集第二径向激光位移传感器II rO的检测值X2r和第三径向激光位移传感器IV rO检测值X4r,计算W = X2r_X4r,如| W | ^ 1mm，贝1J转到下一工步；如果I W I >lmm限，前调整装置G的横溢油缸、后调整装置g的横移油缸同步左移(W/2)mm。 [0051]工步二:上下粗同心
[0052]首先检测第一径向激光位移传感器IrO的采集值Xlr,计算Q = Xlr。如I Q I <0.5，则检测三个轴向激光位移传感器是否有信号，如果有则转下一工步，否则停
机报错。如果I Q I >0.5，则前后两个调整装置的四个升降油缸同步上升(Q)mm，然后检测三个轴向激光位移传感器是否有信号，如果有则转下一工步，否则停机报错。
[0053]工步二:左右调平打
[0054]采集第二轴向激光位移传感器II a0的检测值Y2a和第三轴向激光位移传感器1￥80的检测值￥4&，计算11 = ￥2&-￥4&，如| M |≤0.5，则转到下一工步；如果| M | >0.5，则后调整装置h的横移油缸右移((L2-L1)*M/H)mm。
[0055]工步四:左右精同心
[0056]采集第二轴向激光位移传感器II rO的检测值X2r和第三轴向激光位移传感器IV rO检测值X4r,计算W = X2r-X4r,如| W | ^ 1mm，贝1J转到下一工步；如果I W I >lmm,前调整装置G的横溢油缸和后调整装置g的横移油缸同步左移(W/2)mm。
[0057]工步五:上下调平行
[0058]采集第二轴向激光位移传感器II a0的检测值Y2a、第三轴向激光位移传感器IVaO的检测值Y4a和第一轴向激光位移传感器I a的检测值Yla，计算N = (Y2a+Y4a) /2_Yla，如丨N I < 0.05mm，则转到下一工步；如果I N | >0.05，则后调整装置g的两个升降油缸同步上升((L2-L1)N/D)mm。
[0059]工步六:上下精同心
[0060]检测第一径向激光位移传感器IrO采集值Xlr,计算Q = Xlr。如I Q I <0.5,则转下一工步。如果I Q I >0.5，则前调整装置G和后调整装置g的四个升降油缸同步上升(Q) mm。
[0061]结束条件:上述工步执行一个循环后，综合检查W、M、N、Q值，如果I W I ^ Imm,
丨M I≤0.5、I N I≤0.5、I Q I≤0.5均满足，则完成自动对中，结束流程；如有任一项不满足，则循环执行工步一至工步六，直到满足要求为止，循环5次仍不满足要求，则停机报错。
[0062]以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种大型筒状结构件自动调姿对中控制系统，其特征在于，包括对中控制单元(A)、对中检测单元(B)、激光位移传感器(C)、第一位姿控制单元(Y)、前压力继电器(D)、前拉线位移传感器(E)、前步进电机(F)、前调整装置(G)、活动筒状结构件(H)、固定筒状结构件(h)； 对中控制单元(A)的信号输入端通过CAN总线与对中检测单元(B)的信号输出端相连接，对中检测单元(B)的信号输入端与激光位移传感器(C)的信号输出端相连接； 对中控制单元(A)的信号输出端经CAN总线连接到第一位姿控制单元(Y)的信号输入端，前压力继电器(D)、前拉线位移传感器(E)、前步进电机(F)分别与第一位姿控制单元(Y)和前调整装置(G)相连接，前调整装置(G)与活动筒状结构件(H)机械连接； 所述激光位移传感器(C)用于实现两大型筒状结构件对接部位空间偏差距离的检测，并将检测结果传输给对中检测单元(B);所述对中检测单元(B)用于将接收的检测结果转换为CAN总线上能够传输的信息并经CAN总线将转换的信息上传给对中控制单元(A);所述对中控制单元对激光位移传感器(C)的检测信息进行解析计算，得出其空间位姿偏差，并解析出将大型筒状结构件位姿调整装置上各执行技术数控油缸的调整数据通过CAN总线发送至第一位姿控制单元(Y)和第二位姿控制单元(y);所述第一位姿控制单元(Y)用于接收相应的压力传感器和拉线位移传感器的检测信息，并且根据检测信息实时控制相应的步进电机，从而实现数控油缸位移的闭环控制和过程误差检测；所述前调整装置(G)包括第一升降油缸(I)、第二升降油缸(2)、横移油缸(3);所述前压力继电器(D)用于检测相应的数控油缸的工作油路的油压值；前拉线位移传感器(E)用于检测相应数控油缸的缸杆的伸出长度。
2.根据权利要求1所述的大型筒状结构件自动调姿对中控制系统，其特征在于，还包括第二位姿控制单元(y)、后压力继电器(d)、后拉线位移传感器(e)、后步进电机(f)、后调整装置(g)； 对中控制单元(A)的信号输出端经CAN总线连接到第二位姿控制单元(y)的信号输入端，后压力继电器(d)、后拉线位移传感器(e)、后步进电机(f)分别与第二位姿控制单元(y)和后调整装置(g)相连接，后调整装置(g)分别与活动筒状结构件(H)机械连接； 所述第二位置控制单元(y)分别接收相应的压力传感器和拉线位移传感器的检测信息，并且根据检测信息实时控制相应的步进电机，从而实现数控油缸位移的闭环控制和过程误差检测； 所述后调整装置(g)分别包括第一升降油缸(I)、第二升降油缸(2)、横移油缸(3)，与前调整装置(G)配合实现大型筒状结构件的上下、左右、俯仰、横摆四个自由度的调节； 后压力继电器(d)用于检测相应的数控油缸的工作油路的油压值；后拉线位移传感器(e)用于检测相应数控油缸的缸杆的伸出长度。
3.利用权利要求1至2所述的大型筒状结构件自动调姿对中控制系统的自动调姿对中方法包括如下步骤: S1、判断第一径向激光位移传感器(IrO)、第二径向激光位移传感器(II r0)和第三径向激光位移传感器(IV r0)是否有正常采集值: 如果有正常采集值则进入S2 ； 如果有人以一个激光位移传感器没有正常采集值，则继续SI进行判断。.52、采集第二径向激光位移传感器(IIrO)的检测值X2r和第三径向激光位移传感器(IVrO)检测值X4r,计算W = X2r-X4r,如| W | < lmm,则转到下一工步；如果| W | >lmm,前调整装置(G)的横溢油缸、后调整装置(g)的横移油缸同步左移(W/2)mm。 .53、首先检测第一径向激光位移传感器(IrO)的采集值Xlr,计算Q= Xlr。如I Q I < 0.5_，则检测三个轴向激光位移传感器是否有信号，如果有则转下一工步，否则停机报错。如果I Q I >0.5mm，则前后两个调整装置的四个升降油缸同步上升(Q)mm，然后检测三个轴向激光位移传感器是否有信号，如果有则转下一工步，否则停机报错。 . 54、采集第二轴向激光位移传感器(IIa0)的检测值Y2a和第三轴向激光位移传感器(IV a0)的检测值Y4a,计算M = Y2a-Y4a,如| M | < 0.5mm,则转到下一工步；如果I M I >0.5mm，则后调整装置(h)的横移油缸右移((L2-L1) *M/H)mm。 .55、采集第二轴向激光位移传感器(IIrO)的检测值X2r和第三轴向激光位移传感器(IVrO)检测值X4r,计算W = X2r-X4r,如| W | < lmm,则转到下一工步；如果| W | >lmm,前调整装置(G)的横溢油缸和后调整装置(g)的横移油缸同步左移(W/2)mm。 .56、采集第二轴向激光位移传感器(IIa0)的检测值Y2a、第三轴向激光位移传感器(IVaO)的检测值Y4a和第一轴向激光位移传感器(I a)的检测值Yla，计算N =(Y2a+Y4a)/2-Yla，如| N |≤0.5mm，则转到下一工步；如果| N | >0.5mm，则后调整装置(g)的两个升降油缸同步上升((L2-L1)N/D)mm。 . 57、检测第一径向激光位移传感器(IrO)采集值Xlr，计算Q= Xlr，如| Q | ^0.5,则转S8，如果I Q I >0 .5，则前调整装置(G)和后调整装置(g)的四个升降油缸同步上升(Q) mm。.58、综合检查W、M、N、Q值，如果丨W丨≤1mm，丨M丨≤0.5mm、丨N丨≤0.5mm、I Q I≤0.5mm均满足，则完成自动对中，结束流程；如有任一项不满足，则返回SI，直到满足要求为止，循环5次仍不满足要求，则停机报错。
【文档编号】G05B19/401GK104035377SQ201410222292
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】郝欣伟, 刘懿敏, 安晨亮, 杨学军, 刘澍, 顾银芳, 郑国梁, 顾长明, 王真真, 苏娟, 李志超 申请人:北京航天发射技术研究所, 中国运载火箭技术研究院