车载机械自动调平机械系统设计

李浩东

摘 要：车载自动调平系统是高精度车载工作平台的重要组成部分，它既实现了高精度工作平台的水平精度，又缩短了系统的调平时间。本文介绍了车载自动调平系统的组成及功能、工作原理、优势及技术特点、现实意义及市场前景。文中研制了可使战车高炮系统到达各种凹凸路面地点后底盘快速精确达到水平的调平系统，使战车高炮系统迅速转换为作战状态或者常规状态，确保发出精确的炮弹角度，提高系统的机动性。

关键词：自动调平；控制系统；PLC；调平系统

0 引言

随着国内外军事形势和国防技术的发展，越来越多的军用设备需要根据任务需求随时变更工作地点。对于装备各种重型武器的战车，必须保证在各种恶劣的地理环境下完成精确打击，并且保证这些军用设备的机动性能。为了确保坦克火炮的连续射击精度，采用军用卡车底盘高射炮系统。战场地形不均匀，如果仅仅使用轮胎支撑，水平误差将直接影响射击精度，弹性效果也会影响连续射击的稳定性。因而火炮射击時，其底盘必须处于水平状态。当卡车到达指定地点后，利用调平系统迅速将底盘调至水平状态，这样设备才能快速进入工作，工作完成后也能迅速转移。此举既保证了设备的正常工作，又大大提高了设备的机动性。

1.调平系统组成及功能

调平系统具备以下功能：平台全升、全降，撑腿落地自动检测，撑腿行程自动反馈，撑腿过行程和过载保护，水平监测，自动调平，撑腿自动锁定、解锁，本控、遥控等。调平系统由4套水平展开机构、4套撑腿、1套双轴水平检测器、1套温控装置、1套控制箱、1套车外操作盒、电缆组等组成。撑腿有电液式和机电式；控制箱由PLC控制器、低压电源、操作员面板、中间继电器和保护设备等组成。各部分作用如下

1）水平展开机构：实现撑腿水平展开和收回。

2）撑腿：车载自动调平系统的执行机构。

3）可编程控制器PLC：车载自动调平系统的控制核心。控制命令通过PLC发出，同时采集反馈信号，使各个物理量构成一个个相对独立的闭环控制系统。

4）水平传感器：自动测量工作平台与水平面的夹角（X轴/Y轴）。

5）撑腿到位检测和报警装置：实现撑腿到位情况检测和报警。

6）车外操作装置：实现车内外操作。

7）操作员面板：人机交流界面。用于输入控制命令，显示系统状态及倾角信息。

8）低压电源：用于系统各部分低压供电。

2.调平系统工作原理

调平系统由双轴水平传感器实时检测工作平台与水平面的倾角信息，通过电缆传送给可编程控制器PLC。当检测到工作平台与水平面的倾角超出工作要求时，可编程控制器PLC根据自动调平算法，采用模糊控制理论，指令控制系统驱动撑腿做相应运动，自动调整工作平台与水平面平行，满足工作平台的水平精度要求。当工作平台与水平面的水平精度达到设定要求时，可编程控制器PLC指令控制系统停止撑腿运行，实现系统的自动调平。

3.调平系统的优势及技术特点

1）实时检测，避免人为误判。水平传感器对高精度水平要求的工作平台与水平

面的夹角实时检测，只要角度发生变化，系统可及时判断是否需要调平，确

保平台的高精度水平。

2）自动调平，避免人为误动。当可编程控制器PLC发现工作平台的倾角超出要

求时，根据调平算法，指令控制系统驱动执行机构，根据调平算法进行自动

调平。

3）双重自保，安全性高。采用人工手动急停和程序自判急停双重保护，当出现

误动，倾角越来越大，可能导致车体倾覆时，既可人工手动急停；又可通过

PLC判断倾角不断变大或超过设定值时自动停机。

4）刚性锁定，可靠性高。由于采用双向超越离合器，只有主动轴才能驱动从动轴，故外力不能驱动撑腿，实现了系统的刚性锁定，确保系统自动调平后精度可靠。

5）双速调平，高精高效。由于控制程序采用大倾角时高速调平，倾角小于设定值时低速精确调平，既保证了调平精度，又缩短了调平时间。

调平系统具有实时检测、自动调平、双重自保、刚性锁定、双速调平等功能，因而处于国内同类产品的领先水平。

4.调平系统的硬件设计

西门子SIMATIC S7-200系列PLC主要包含一个中央处理器单元（CPU226），数字输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块。是拥有高速和中等规模I/O配置的中央处理单元（CPU226），可用于中等规模和中等程序指令执行速度的程序安装；32点输入的数字输入模块运用光耦合器来与总线隔离；模拟量输入模块有两个输入和反向极性保护。此外，模拟输入端的电平传感器电路包括集成运算放大器和相敏整流器。因此，我们选择它作为主控元件。

中央处理单元（CPU226）的详细参数为：CPU226功耗为11 W，有10 240 B的数据存储器。本机具有24位数字量输入，16位数字量输出的I/O特性，允许最大的扩展I/O模块为7个。共有256个定时器，布尔量运算执行时间为0.22μs。输入电压为20.4～28.8 V DC，输入电流在24 V DC并连接最大负载时可达1 050 mA。

水平传感器系统采用玻璃液位开关三极管，它有一个公共电极与两个控制用电极。当水平面为0时，电极输出相同的电流，为9 mA；当失去水平状态时，相应的控制电极输出信号之间的差异；当倾斜度大于15度时，传感器饱和，此时电极的输出电流为12 mA。

系统的每只脚上设有一个液体电压力开关，用于反映各腿的情況。其最大工作压力为350 MPa，切换频率为每分钟80次。当支撑腿接地时，电压力开关闭合，当支撑腿离开地面时，液体的电压力开关断开。通过电磁铁操作的直接作用完成了腿的升降运动，开关频率为15 000次/小时。

5.调平系统的软件设计

本系统的软件设计采用西门子公司生产的PLC STEP7 V5.1与西门子编程软件的使用匹配。SIMATIC STEP7 V5.1编程软件提供三种编程工具，分别为语句表（STL），功能图（FBD）和梯形图（LAD）。根据各模块的功能，系统采用梯形图完成软件设计。

6.结语

本文阐述了自动调平系统在我们日常生活中的重要性。并着重介绍了自动调平系统的软硬件设计。最后简述了在系统设计过程中遇到的问题。由于调平系统可用于各个方面，因此调平系统的优化既可造福社会，又可为企业带来可观的收益。

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