基于单片机的机电调平试验系统研究

0 引言

很多特殊用途的工程车辆在工作之前要先进行精度较高的水平调整，要求调平速度快，自动化程度高，还要可靠性高。过去主要采用手工调平，由多人反复操作调节支腿，通过观察气泡达到水平，这种方法不仅调节时间长，而且精度低。目前调平系统应用较多的是采用液压调平，但液压调平系统也有诸多缺点，如调平时间较长、响应迟钝、漏油、成本高、维护困难等问题。机电调平相比比液压调平优点是调平时间短，精度高，可靠性好等。

1 单支腿机械结构

本文提出一种基于单片机的机电式自动调平试验系统，调平支腿主要由驱动电机、减速器、丝杠螺母、内外套筒、限位螺钉以及行程开关组成，结构原理如图1所示。支腿通过控制驱动电机的起停以及转向将动力和转矩输出，由锥齿轮传递进行减速，同时将力矩传递给丝杠，把电机的螺旋运动转化为直线运动，从而实现支腿的举升和收藏运动，并且由限位螺钉实现支腿的快速升降功能，由上下行程开关来限制支腿的行程，调平结束后，由力传感器判断虚腿。

2 平台调平方式

现有调平系统的支撑方式主要有三点式、四点式以及多点式调平，其中多点式是指六点以上的调平方式。

2.1 三点式调平

由几何知识可知不在同一条直线上的三点确定一个平面，或者等效为不平行的两条直线确定一个平面，故可以在相交直线上各安装一个倾角传感器，通过考察平面内两条相交直线是否水平，来判断平台的水平度。

2.2 四点式调平

对于四点式调平系统的四条支腿布置方式按对称式布置，分别将四条支腿置于四个角的位置，这种四腿支撑的方式保证了平台受力均匀，四条支腿分列两侧也保证了调平系统平台的稳定性，同时也增强了平台的抗颠覆性能力。

2.3 多点式调平

多点式调平的原理相近，考虑到在调平系统工作中平台会发生形变，为了解决这个问题，通过增加支腿数量来减少平台发生形变。这显然达到了目的，但在多支腿调平系统的调平过程中，由于支腿的增加使得调平算法复杂，控制系统也变得复杂，与此同时调平系统相对应的调平时间也会相应增加，各个支腿的受力不均匀，虚腿问题更加突出。

3 电控系统硬件构成

倾角传感器：选用高精度数字双轴倾角传感器，能输出X、Y两个垂直方向上的角度，分辨率为0.002o，可选RS232接口，波特率可调，工作方式为应答模式和自动模式。

压力传感器：测量支腿所承受的压力，采用RS232接口，工作于应答模式。

位置传感器：选用性能较稳定的接近开关，用于限制丝杠的行程。

单片机：选用ATMEL公司生产的AT89C52单片机，接收操作人员的控制按键输入，把接收到的倾角传感器和压力传感器的数值进行转换，并把结果显示在数码管上，并且选择匹配的调平方式，驱动电机按合适的方向运动和的距离，实时监控，实现调平。

报警电路：当系统出现故障，如压力过大、丝杠超出行程，会通过蜂鸣器或点亮发光二极管通知操作人员。

4 调平方法研究

调平系统的调平方法主要包括角度误差调平法和位置误差调平法。角度误差调平法通过直接检测平台的X轴和Y轴的倾角值，通过伸长或缩短支腿，使倾角值减小到要求的误差范围之内。位置误差调平法首先通过计算确定每条支腿要伸长或缩短的距离，然后驱动相应支腿动作，直到四个支腿平齐，使平台达到水平。由于平台的载重一般比较大，当支腿需要缩短时，平台下降会产生较大惯性，容易发生抖动和倾覆，所以一般采用逐高式，即只升不降的方法实现调平。

5 结论

基于单片机的四支腿机电自动调平试验系统，具有控制原理简单、稳定性高、便于维护、性价比较高等优点。经测验该系统能有效地避免虚腿产生，发生倾覆现象，具有很强的通用性，该试验系统为进一步开发实际应用系统提供了硬件基础。四腿机电调平系统可以应用于汽车、雷达、卫星天线及其他需要调平的装置。