论文总字数：22927字

摘 要

随着我国科技的快速发展，在越来越多的领域内出现了大型的、复杂的零件或构件。对这些构件的检验就成为了一个重要的课题。本文研究的方向就是设计能够对航天器内部管道进行检测的仪器。

由于航天器内部的管道错综复杂、形状和结构多变，针对每一个细节进行检验不太切合实际，考虑到管道本身是为了解决输送功能，因此判断的主演参数为管道的起点和终点的朝向矢量以及起点和重点的相对位置。

系统接收到输入的数据，即管道起点和重点的相对位置和两者的朝向矢量，对数据进行处理后通过驱动器驱动电机来表示这些量，当执行机构到达指定位置后将管道安置在平台上确定管道是否复合标准。

首先分析了多自由度平台的发展、结构和具体应用。并在此基础上选定出适合本系统的方案。具体结构采用两个三维旋转平台表示两个矢量，该平台放置在由丝杠拖动的支撑平台上确保对地面的距离以防止管道安置时死区过大。相对位置需要精度较高，采用伺服电机拖动丝杠的方式。控制中心对比了PLC和工控机两种方案，并设计出PLC方案的电路原理图。

关键词：航天装备，多自由度平台，硬件设计，电路设计，伺服电机

Abstract

With the rapid development of science and technology in our country, large-scale and complicated parts or components have appeared in more and more fields. Inspection of these components has become an important issue. The research direction of this paper is to design the instrument that can detect the pipeline inside the spacecraft.

Due to the complexity of the pipelines inside the spacecraft, and the variety of shapes and structures, it is not practical to examine every detail. Considering that the pipeline itself is used to solve the transport function, the parameters of the judgement are the orientation vectors of the start and end points of the pipeline and the relative position of the starting point and the emphasis.

The system receives the input data, that is, the relative position of the starting point and key point of the pipeline and the orientation vectors of the two. After the data is processed, the drive motor is used to represent these quantities. After the actuator reaches the designated position, the pipeline is placed on the platform to determine whether the pipeline is a composite standard.

First, the development, structure and application of the multi-degree-of-freedom platform are analyzed. Based on this, a solution suitable for this system was selected. The specific structure uses two three-dimensional rotating platforms to represent two vectors. The platform is placed on a supporting platform driven by a screw to ensure the distance to the ground to prevent the dead zone from being too large when the pipeline is installed. The relative position requires high precision, and servo motors are used to drag the screw. The control center compared PLC and IPC and designed the circuit schematic of the PLC solution.

KEY WORDS: Space Equipment,Multi-D O F platform, Hardware design, Circuit design, servo motor

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 多自由度运动平台的结构类型 2

1.3 多自由度运动平台控制系统硬件构成 2

1.3.1 处理控制系统 2

1.3.2 驱动器系统 3

1.3.3 传感器系统 4

1.4 多自由度平台的应用 4

1.4.1 多自由度加载系统 4

1.4.2 运动模拟平台 5

1.4.3 抓取平台 5

1.4.4 定位平台 5

第二章 多自由度运动平台功能需求分析 7

2.1 系统的输入 7

2.2 系统的显示 7

2.3 管道的相对位置要求 7

2.4 管道起点和终点的矢量表示 8

2.5 控制系统的要求 8

2.6 供电要求 9

第三章 多自由运动平台的机械结构设计 10

3.1 支撑平台 10

3.1.1 支撑平台的要求 10

3.1.2 支撑方案 10

3.2 线性移动平台 10

3.2.1 线性移动平台的要求 10

3.2.2 线性移动平台的方案 10

3.2.3 丝杠的选型 11

3.2.4 丝杠数据的计算 11

3.3 操作平台——三维旋转平台 12

3.3.1 三维旋转平台型号 12

3.3.2 三维旋转平台的自恢复能力 13

第四章 多自由度运动平台的电控系统器件选型 15

4.1 三维旋转平台电机 15

4.2 步进电机驱动器 15

4.2.1 56电机驱动器 15

4.2.2 42电机驱动器 16

4.3 伺服电机及其驱动器 16

4.3.1 伺服电机简介 16

4.3.2 伺服电机的选型 16

4.3.3 伺服电机型号 17

4.3.4 伺服电机自恢复能力 17

4.3.5 伺服电机驱动器 17

4.4 控制及数据处理器 17

4.4.1 控制及数据处理中心的方案 17

4.4.2 电机驱动器的输入频率 18

4.5 工控机方案 18

4.5.1 工控机选型 18

4.5.2 I/O板卡选择 18

4.5.3 功率放大电路 19

4.6 PLC方案 19

4.6.1 PLC选型 19

4.6.2 显示屏 19

4.6.3 定位模块 19

4.6.4 输入输出模块 19

4.7 电源模块设计 20

第五章 多自由度运动平台的控制电路设计 21

5.1.1 电路原理图设计方案 21

5.1.2 电气柜布局 23

第六章 实物图 24

6.1 电器柜 24

6.2 三维旋转平台 24

6.3 现场图 25

参考文献 27

附录 28

附图A 28

附录B 29

附图C 30

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