摘 要

两自由度探针定位装置是燃气轮机引射冷却吹风试验台上的一套重要设备，用于实现实验室燃气轮机中的探针自动位移实现精确定位。该两自由度探针定位系统在传感器方面可满足压力探针和热线风速仪需要，并且其使用了数字化控制，具有高精度测量条件、能实现自动定位以及分布式测量等特点。

本文主要研究方向是使传感器探针实现具备两自由度运动的能力。在不断深入研究相关定位系统后，使本套装置完美达成了周向旋转及直线位移，并且优化了机械系统，使其简单又美观。在总体设计完毕后，还为其配套了控制元件，解决了以往需要手动进行定位的技术难题。在此基础上本文着重进行了两自由装置的选型和设计，不仅减小了系统总体积，简化了系统的组成机构，还提高了传感器探针定位精度。角位移采用中空轴步进电机作为执行元件，直线位移采用了滚珠丝杠与步进电机通过齿轮副无间隙啮合的形式使得两自由度探针定位系统运动平稳的同时定位精度高。在位置控制和通讯方面，采用了LM629和CAN232不仅使得两自由度探针定位系统的可靠性大大提高，而且延长了通讯距离。

关键词： 探针、位置伺服控制、定位系统、微型步进电机

ABSTRACT

The two-degree-of-freedom probe positioning device is a set of important equipment on the gas turbine ejector cooling blower test bed, which is used to realize the automatic displacement of the probe in the laboratory gas turbine to achieve accurate positioning. The two-degree-of-freedom probe positioning system can meet the needs of pressure probe and hot-wire anemometer in sensor aspect, and it uses digital control, has the characteristics of high precision measurement conditions, automatic positioning and distributed measurement.

The main objective is to enable the probe to achieve a two-degree-of-freedom motion capability. After further study of the relevant positioning system, the device perfectly achieves circumferential rotation and linear displacement, and optimizes the mechanical system to make it simple and beautiful. After the overall design is completed, the control elements are also matched to solve the technical problems of manual positioning in the past. In the aspect of control, the system adopts modular design idea and consists of communication components, position control components and two-degree-of-freedom positioning devices.The hollow axis stepper motor is used as the actuator for the angular displacement, and the screw nut and stepper motor are used for the linear displacement to make the two-degree-of-freedom probe positioning system move smoothly and have high positioning accuracy. In terms of position control and communication, LM629 and CAN232 not only improve the reliability of the two-degree-of-freedom probe positioning system, but also extend the communication distance.

Key words: Probe, Position Servo Control, Positioning System, Micro Stepping Motor

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 课题的历史发展及研究意义 1

1.2两自由度探针定位系统的发展 2

1.2.1国内发展现状 2

1.2.2国外发展现状 4

1.3不同直线运动的各类发展 4

1.4角位移的发展 5

1．5定位系统中测量技术的发展 6

1.6本课题研究的主要内容 6

第二章 定位装置总体设计 7

2.1引言 7

2.2装置的整体性分析 7

2.2.1装置总体组成 7

2.2.2装置特点 8

2.2.3 技术指标 8

2.3 机械系统--定位支架的整体分析 9

2.4 支架线性位移定型 10

2.5角位移定型 11

2．6位置控制器件的选择 12

2．7 主次通讯器件的选择 12

2.8小结 13

第三章 系统各部件设计 14

3.1引言 14

3.2滚珠丝杆的计算及选型 14

3.2.1选用滚珠丝杆的意义及优点 14

3.2.2导程计算 15

3.2.3当量载荷与当量转速的计算 15

3.2.4 额定动载荷计算 17

3.2.5 确定滚珠丝杆型号 17

3.3步进电机的计算及选型 18

3.3.1 选用步进电机的意义及优点 18

3.3.2 电机的选择 18

3.3.3线性位移的精度计算 19

3.3.4 转矩校核验算 20

3.3.5 中空轴步进电机选型 20

3.4 齿轮副的选型 21

3.5小结 21

第四章 控制模块设计 22

4．1引言 22

4．2 位置控制和位置硬件的设计 22

4．3接口的原理及作用 23

4．5 位置的确定--PID控制 23

4.6小结 25

第五章 总结 26

5.1 总结与展望 26

5.2 经济性分析 26

参考文献 28

致 谢 31

第一章 绪论

1.1 课题的历史发展及研究意义

两自由度探针定位装置源自燃气轮机引射冷却试验台。燃气轮机随着发展有着不同的道路，涉及到了航空，工业等等方面。我国一直在走高新技术，在航空发动机上已经不落后于其他国家；然而对于重工业方面燃气轮机发展困难重重，面对欧美技术封锁，我国急需掌握核心技术。燃气轮机在如今应用领域不断发展扩大占据着十分重要的角色。然而相关技术一直被国外把控，我国研究人员不足，技术障碍一直存在。其中一项便是燃气轮机的冷却技术，该试验台便是为了解决这一难题，但由于欧美的垄断，迟迟不得突破。所幸虽然燃气轮机相关技术落后，但我国在开发这项技术上有很好的规划。目前对于燃料室的研究、排气压力的解决等等都已步入正轨，赶上世界的脚步。在冷却这一方面相信很快便会有技术突破。燃气轮机引射冷却试验台便是为了这项技术实现技术突破而诞生的。冷却性能好意味着能量传递效率高，所以对其进行深入研究是十分具有意义的。

两自由度探针定位系统可以主要分为机械系统以及电气控制两个方面，属于机电一体化设备 。在试验台中起到了带动传感器探针自动定位的功能，是必不可少一项技术。

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