三维数控船台小车控制系统设计

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船电技术２００６年第２期　５３　

三维数控船台小车控制系统设计　

梅映新　崔勇　李彬　

（　华中科技大学电气与电子工程学院武汉４３００７４：　

摘

中国船舶重工集团公司第７１２研究所武汉４３００６４）　

要：本文介绍了・套应用于大型船厂焊接生产线上的三维数控船台小车控制系统的设计概要，简要描述了该控　

制系统的用途、软硬件配置及控制系统的一些主要控制策略。　

关键词：　三维数控

中图分类号：ＴＰ２７３　

位姿调整控制系统　

文章编号：１００３—４８６２（２００６）０２—００５３－０３　图文标识码：Ａ　

Ｔｈｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　３Ｄ　Ｄｉｇｉｔａｌ－ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　

Ｍｅｉ　Ｙｉｎｇｘｉｎ　；Ｃｕｉ　Ｙｏｎｇ　；Ｌｉ　Ｂｉｎ　

（ｔ￣ｌＨｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ；　

『　Ｗｕｈａｎ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ

ＣＳＩＣ，Ｗｕｈａｎ　４３００６４，Ｃｈｉｎａ）　

，

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｇｉｖｅｓ　ａ　ｓｕｍｍａｒｙ　ｆ　ｏｔｈｅ　３Ｄ　ｄｉｇｉｔａｌ－ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｗｅｌｄｉｎｇ　

ｔａｂｌｅ　ｏｆａ　ｓｈｉｐ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｙａｒｄ．Ｉｔ　ｓｉｍｐｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅ、ｓｏｆｔｗａｒｅ、ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｍａｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔａｃｔｉｃ　ｏｆ　

ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：３Ｄ　ｄｉｇｉｔａｌ－ｃｏｎｔｒｏｆ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｇｅｓｔｕｒｅ　ａｄｊｕｓｔ；　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　

１引言　

在大型的造船、修船企业，一般大型船舶的船　

两个相同的行走梁组成一个调整平台，每个行走粱　

下有１３台独立的可进行三自由度位姿调整的数控　

液压船台小车，每台小车承载能力为８０　ｔ，最大行　

走速度０．０３　ｍ一３．０　ｍ连续可调。行走梁与小车之间　

用球铰连接。每台小车的前进与后退由一套交流伺　

服系统驱动；平台的顶举、平移分别由液压主缸、　

副缸驱动。在上位机的控制下，自动根据设置的对　

体都是分段进行制造的。在各分段制造完毕后，再　

将各分段拼装焊接成整个船体。在一些大的机械加　

工企业，当有大的结构件需要加工制造时，也是采　

用类似的方法。由此就需要一套专用的设备来将各　

分段进行合拢对中，并对分段进行位姿调整，以便　

于进行拼装和焊接。　

接分段与基准总段的位姿偏差，联动控制所有小车　

的行走及小车上液压油缸的位移量，从而实现对接　

对接段　基准段　

２控制系统功能与结构　

２．１控制系统的用途　

船体分段合拢对中系统是为适应舰船立体分　

段与基准总段拼装焊接工艺的要求而开发的一种　

专用设备（见图１）。本文以某船厂开发的一套船体　

分段合拢对中系统为例对其进行介绍。系统由左右　

图１船体分段位置校正对接系统　

收稿日期：２００５－０９－１５　

作者简介：梅映新（１９７４＿－），男。华中科技大学在职研究生，主要从事电力电子与电气传动方面的设计工作　

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５４　船电技术２００６年第２期　

分段与基准总段的准确合拢对接。单台小车可脱离　

上位机的控制，在现地进行小车的前进后退、液压　

主副缸伸缩等手动操作，便于对平台进行微动调整。　

２．２控制系统的拓扑结构　

三维数控船台小车控制系统由一套上位机系　

统、每台小车上一套分控制系统及一套交流伺服驱　

动系统组成（见图２）。上位机采用工业控制计算机，　

块、１块ＥＭ２５３定位模块、１块ＥＭ２３１模拟量输　

入模块和１块ＥＭ２３２模拟量输出模块。　

交流伺服驱动系统采用日本松下公司　

ＭＦＭＡ１５　ｋＷ电机及与之相配的ＭＦＩ）Ａ驱动器组　

成，电机带增量式编码器以形成速度反馈控制。　

４控制系统控制策略　

小车分控制系统采用可编程控制器（ＰＬＣ）作为控　

制器，来控制液压系统和交流伺服系统的动作并采　

集相关检测信号。上位机通过Ｐｒｏｆｉｂｕｓ　ＤＰ现场总线　

与所有的小车分控制系统进行通讯。小车分控制系　

统通过位置模块来控制交流伺服系统的动作，交流　

伺服电机上的编码器信号接入交流伺服驱动器中　

形成速度闭环控制。液压主副缸的光栅尺位移检测　

量接入ＰＬＣ中形成位置闭环控制。　

ＰＩ　Ｃ　

图２控制系统拓扑结构图　

３控制系统的软硬件配置　

３．１软件开发平台　

上位机软件包括控制系统硬件组态、小车运行　

控制与状态监控、网络通信三部分。上位机监控软　

件采用北京昆仑通态公司ＭＣＧＳ５．５版。　

小车分控制系统采用西门子公司统一开发平　

台Ｓｉｍａｔｉｃ下的ＳＴＥＰ　７编制ＰＬＣ程序。小车分控　

制系统应用软件主要包括小车行走控制、液压系统　

控制及检测、与上位机进行通讯等。　

３．２硬件配置　

上位机采用研华公司ＩＰＣ６１０型工业控制计算　

机，ＣＰＵ采用ＩＮＴＥＬ公司ＰｅｎｔｉｕｍｌＶ产品，主频２　

ＧＨｚ，内存５１２　Ｍ，硬盘容量８０　Ｇ，配备一块双接　

口的Ｐｒｏｆｉｂｕｓ　ＤＰ网卡及一块３２入／１６出数字量接　

口板，上位机与下位机之间采用专用双绞屏蔽线进　

行通讯。控制系统由一台３　ｋＶＡＵＰＳ供电，保证控制　

系统在外部掉电的情况下能持续工作３０　ｍｉｎ以上。　

小车分控制系统西门子公司Ｓ７—２００系列ＰＬＣ，　

包括ｌ块ＣＰＵ２２６、ｌ块ＥＭ２７７　Ｐｒｏｆｉｂｕｓ　ＤＰ扩展模　

４．１开机自检　

当对控制系统加电后，上位机和下位机首先自　

动启动自检程序，对网络通讯、系统电源、交流伺　

服驱动系统状态、液压系统、位置检测系统状态进　

行检查，看是否处于安全正确的状态，自检程序运　

行结束后如果哪台小车自检发现故障，则上位机主　

控界面上的对应小车图标变为红并闪烁，操作者　

此时可点击故障报警界面来查询、定位故障源。　

４．２控制系统坐标设置　

在对接段的首面（将对接段与基准段对接的面　

定义为首面，另一端为尾面。基准段类似定义）及　

尾面上各有四个位置测量装置，在基准段的首面及　

尾面也各有四个位置测量标志，分别位于平面的　

上、下、左、右边沿。通过这套位置测量装置可以　

测量出对接段首面及尾面相对于基准段首面及尾　

面的位置偏差。　

４．３位姿调整数学模型　

以平台绕ｚ轴旋转为例分析位姿调整的数学模　

型，如图３。操作者在进行分段位姿调整前应在平　

台参数设置界面中设置主、副列首车与基准段的距　

离及其它小车与首车的距离，及图３中ｘｌ－ｘ５、ｓｌ—ｓ５　

的值，偏差值ｙ１、ｙ２由测量装置读入，系统根据这　

、７’　

些输入值，　由ｎ＝ａｒｃ　ｇ　≤　及　

、７１　

ｂ＝ａｒｃｔｇ—————　——一

１＋　２＋　３＋　４＋　５　

解算出平台与主副　

列轨道之间的夹角ａ和ｂ，并由此算出各液压主缸　

的行程值。同样道理，系统可解算出平台绕ｘ轴、　

Ｙ轴旋转时的液压主、副缸的位移行程量。　

４．４位姿调整　

位姿调整可分两个阶段：平台调整和对接段偏　

差调整。　

平台调整可视为粗调阶段，包括小车的行走、　

平台的上下移动、左右移动及绕ｘ、Ｙ、ｚ轴的转　

动。系统按上述步骤顺序执行，完成一个步骤后才　

进行下一个步骤，力求平台平稳，避免对接段发生　

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船电技术２００６年第２期　５５　

５小结　

该套三维船台小车控制系统大大提高了生产　

效率，减轻了操作者的劳动强度，得到了使用单位　

的好评，也使我们积累了大量在计算机监控系统应　

用、交流伺服驱动系统控制技术、液压系统控制技　

术方面的经验。　

参考文献：　

【１】王成元，周美文，郭庆鼎．矢量控制交流伺服驱动电机．　

对接段偏差调整可视为细调阶段，系统将根据　

有关平台参数及对接段首面及尾面相对于基准段　

的位置偏差值自动结算出主副列小车的液压主副　

缸的位移量，上位机通过现场总线将数据送至各下　

位机，小车在下位机的控制下执行位移调整。　

北京ｔ机械工业出版社，１９９５＋　

【２】王永华，王东云，郑安平等．现代电气及可编程控制技　

术．北京：北京航空航天大学出版社，２００２　

（上接第３９页）　

４与传统试验控制系统比较　

与传统的试验控制系统相比，本监控系统在稳　

定性、安全性、性价比等方面都具有比较明显的优　

点，其相互比较见表１。　

表１　传统控制系统与基于ＰＬＣ监控系统的比较　

５结束语　

基于ＰＬＣ的开关电器电寿命试验监控系统是　

一

参考文献：　

［１】ＳＩＭＡＴＩＣＷｉｎＣＣＶ５手册，２００１，ｌ１．　

种自动化程度高、功能全面的试验监控系统，它　

［２】ＳＩＭＡＴＩＣ　ＳＴＥＰ７Ｖ５．２编程，２００３，２．　

［３】张桂英．应用组态重开发企业电力监控系统．河北煤　

炭，２００４（５）．　

灵活多变的特点是传统的控制系统无法比拟的。该　

系统目前在七一二研究所开关电器实验室使用情　

况良好，有一定的推广和应用价值。