一种经纬仪防飞车机电保护系统
阅读说明：本技术 一种经纬仪防飞车机电保护系统 (Theodolite anti-runaway electromechanical protection system ) 是由 郭敏 李翔宇 谢梅林 李治国 郝伟 王海涛 杨小军 阮萍 井岩松 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种经纬仪防飞车机电保护系统,解决经纬仪工作过程中俯仰轴存在飞车情况,导致光学负载和控制系统电路损坏的问题。该经纬仪防飞车机电保护系统采用常开型单摩擦片电磁式制动器与缓冲吸能单元组合的结构形式。该结构形式具有吸能效果强、避免结构刚性碰撞、安装方便等优点,辅助配合伺服电机刹停运动,可进一步保护伺服控制系统和光学负载,提高系统可靠性。(The invention provides an anti-galloping electromechanical protection system for a theodolite, which solves the problem that the circuit of an optical load and a control system is damaged due to galloping of a pitching shaft in the working process of the theodolite. The theodolite anti-runaway electromechanical protection system adopts a structural form of combining a normally-open single-friction-plate electromagnetic brake and a buffering energy absorption unit. The structure has the advantages of strong energy absorption effect, avoidance of structural rigidity collision, convenience in installation and the like, is matched with the servo motor in a braking and stopping manner in an auxiliary manner, can further protect a servo control system and an optical load, and improves the reliability of the system.)
技术领域
本发明属于经纬仪领域，具体涉及一种经纬仪防飞车机电保护系统。
背景技术
经纬仪是一种根据测角原理设计的测量方位角和俯仰角的测量仪器。
经纬仪方位轴上安装有滑环机构，可实现360°无限制旋转。经纬仪俯仰轴搭载光学负载在一定角度内旋转，一般为-5°～185°。但是，对于经纬仪俯仰轴的伺服控制系统，往往会因程序跑飞、控制算法奇点、电磁干扰等问题而出现飞车情况，严重时会造成光学负载撞击在俯仰轴的U型架上使系统结构受损，设备损失所带来的经济损失往往非常高。
公开号为CN110661233A的中国专利明确了判定飞车的几种情况。情况1：通过获取角度余量是否小于极限刹停角度判定是否飞车。情况2：通过监视看门狗系统定时器是否超过阈值，判定伺服控制程序是否跑飞。情况3：通过计算转动角速度、角加速度是否超过设定值，判定控制算法是否出现奇点。在判断飞车后，利用伺服控制系统刹停伺服电机，使机构停止转动。
伺服系统刹停伺服电机是一个减速并停转的过程，而非直接制动停转。主要原因是直接制动停转会在伺服控制系统中产生过载电流，控制系统电路存在损坏风险。同时制动停转会使光学负载承受一个较大的惯性制动力矩，对光学负载同样存在损坏风险。
发明内容
本发明提供一种经纬仪防飞车机电保护系统，解决经纬仪工作过程中俯仰轴存在飞车，导致光学负载和控制系统电路损坏的问题。本发明经纬仪防飞车机电保护系统采用常开型单摩擦片电磁式制动器与缓冲吸能单元组合的结构形式。该结构形式具有吸能效果强、避免结构刚性碰撞、安装方便等优点，辅助配合伺服电机刹停运动，可进一步保护伺服控制系统和光学负载，提高系统可靠性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明经纬仪防飞车机电保护系统包括常开型单摩擦片电磁式制动器、控制电源、吸能撞杆和两组缓冲吸能单元；所述常开型单摩擦片电磁式制动器设置在经纬仪的俯仰右主轴上，用于吸收光学负载因速度产生的惯性势能，所述控制电源设置在经纬仪机架上，用于给常开型单摩擦片电磁式制动器提供电能；所述吸能撞杆设置在经纬仪的俯仰左主轴上，与经纬仪的俯仰左主轴同步转动；两组缓冲吸能单元设置在经纬仪机架上，且位于俯仰左主轴的两侧；所述缓冲吸能单元包括限位座、碰撞头、吸能弹簧、轴盖、锁紧螺母、调整螺套和吸能缓冲垫；所述限位座为筒体结构，设置在经纬仪机架上，内部设置有缓冲腔；所述轴盖设置在限位座的顶部开口端，所述吸能缓冲垫设置在缓冲腔的底部，所述碰撞头的一端设置在缓冲腔内，另一端延伸至缓冲腔外，用于与吸能撞杆配合；所述吸能弹簧设置在限位座的缓冲腔内，其一端套装在吸能缓冲垫上，另一端套装在碰撞头上；所述碰撞头上设置有限位台阶，延伸至缓冲腔外碰撞头套装有调整螺套，且调整螺套通过限位台阶限位，所述调整螺套与轴盖螺纹配合，通过调整轴盖与调整螺套之间的螺纹配合位置能够调整碰撞头伸出限位座的高度；所述锁紧螺母套装在调整螺套外侧，用于锁紧调整螺套的位置。
上述常开型单摩擦片电磁式制动器可通过多种形式实现，主要能够吸收部分光学负载因速度产生的惯性势能即可。优选的，采用以下结构形式实现：常开型单摩擦片电磁式制动器包括电磁制动器定子支撑架、制动器定子、制动器衔铁、板状变形弹簧和电磁制动器转子支撑架；所述电磁制动器定子支撑架套装在俯仰右主轴上，且分别与制动器定子、经纬仪机架固定连接，所述制动器衔铁设置在制动器定子的一侧，且与制动器定子设有制动间隙，所述板状变形弹簧设置在制动器衔铁和电磁制动器转子支撑架之间，所述制动器衔铁和板状变形弹簧固定连接，所述板状变形弹簧和电磁制动器转子支撑架固定连接，所述电磁制动器定子支撑架与俯仰右主轴固定连接。
进一步地，上述吸能缓冲垫的刚度和吸能弹簧的刚度通过以下公式通过获取，
Xt＝sin(θ3-θ1)·Lt
Xd＝sin(θ3-θ2)·Lt
其中，Xt为吸能弹簧的刹车距离；Lt为俯仰左主轴中心与碰撞头中心轴线的距离；θ1为吸能撞杆碰到碰撞头时的俯仰左主轴角度；θ2为碰撞头底部端面与吸能缓冲垫接触时的俯仰左主轴角度；θ3为吸能缓冲垫压缩到极限位置时的俯仰左主轴角度；Jmax为光学负载绕俯仰左主轴的转动惯量，ωmax为俯仰左主轴转动达到飞车边界条件的角速度；Md为常开型单摩擦片电磁式制动器闭合时的吸合摩擦力矩；θ0为俯仰左主轴的极限工作角度，且吸能撞杆上、下斜面与水平轴线夹角同样设置为θ0；kt为吸能弹簧的刚度；kd为吸能缓冲垫的刚度。
进一步地，两个碰撞头的中心线之间的角度为2θ1。
进一步地，所述碰撞头与吸能撞杆配合的一端设置为球形结构，所述吸能缓冲垫为吸能橡胶缓冲垫，用于减小碰撞振动。
进一步地，所述电磁制动器转子支撑架与俯仰右主轴连接的端面上设置有电磁制动器隔圈，通过电磁制动器隔圈的厚度修切，用以调整制动器衔铁和制动器定子之间的间隙。所述制动器衔铁和制动器定子之间的间隙为0.2～0.3㎜。所述制动器定子通过24V直流电源供电，所述24V直流电源供电设置有端面按钮。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明经纬仪防飞车机电保护系统通过常开型单摩擦片电磁式制动器与缓冲吸能单元组合吸能的结构形式，避免经纬仪俯仰轴飞车时的结构刚性碰撞，辅助配合伺服电机刹停运动，保护伺服控制系统和光学负载。
2.本发明经纬仪防飞车机电保护系统中，无论是常开型单摩擦片电磁式制动器还是缓冲吸能单元，均为径向摩擦力吸能形式，且无制动硬限位，使经纬仪俯仰轴系和光学负载无急停冲击振动，保证了经纬仪俯仰轴系和光学负载的安全。
3.本发明系统的碰撞头伸出限位座的高度可通过轴盖与调整螺套之间的螺纹配合位置调整，并进一步控制吸能撞杆撞上碰撞头的位置，保证经纬仪俯仰轴搭载光学负载可满足旋转角度要求。
附图说明
图1为搭载本发明经纬仪防飞车机电保护系统的经纬仪俯仰轴示意图；
图2为本发明常开型单摩擦片电磁式制动器安装示意图；
图3a为本发明常开型单摩擦片电磁式制动器的常开状态示意图；
图3b为本发明常开型单摩擦片电磁式制动器的闭合状态示意图；
图4为本发明缓冲吸能单元安装示意图；
图5为本发明经纬仪驱动电机的控制电路示意图。
附图标记：1-U型架，2-光学负载，3-驱动电机，4-俯仰左主轴，5-吸能撞杆，6-缓冲吸能单元，7-电磁制动器定子支撑架，8-俯仰右主轴，9-常开型单摩擦片电磁式制动器，10-控制电源，11-电磁制动器隔圈，12-电磁制动器转子支撑架，13-限位座，14-碰撞头，15-吸能弹簧，16-轴盖，17-锁紧螺母，18-调整螺套，19-吸能缓冲垫，20-经纬仪机架，91-制动器定子，92-制动器衔铁，93-板状变形弹簧。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
光学负载有时会因工作焦距长度设置的很长，或因工作任务不同而更换，使光学负载在U型架上无法整周旋转。在判断经纬仪俯仰轴飞车后，利用伺服控制系统刹停伺服电机，制动停转会使光学负载承受一个较大的惯性制动力矩，惯性制动力矩对光学负载和U型架产生损坏。因此，本发明提供一种经纬仪防飞车机电保护系统，避免造成U型架和光学负载的损坏。
本发明经纬仪防飞车机电保护系统在伺服系统刹停伺服电机时，辅助配合伺服电机刹停运动。该经纬仪防飞车机电保护系统包括常开型单摩擦片电磁式制动器9、控制电源10、吸能撞杆5和两组缓冲吸能单元6。常开型单摩擦片电磁式制动器9设置在经纬仪的俯仰右主轴8上，用于吸收光学负载2因速度产生的惯性势能，控制电源10设置在经纬仪机架20上，用于给常开型单摩擦片电磁式制动器9提供电能。缓冲吸能单元6与吸能撞杆5配合，进一步吸收光学负载2因速度产生的惯性势能。
图1为搭载该防飞车机电保护系统的经纬仪俯仰轴示意图，经纬仪俯仰轴的U型架1中间搭载光学负载2，由安装在U型架1两侧的俯仰左主轴4、俯仰右主轴8支撑，并由安装在俯仰左主轴4上的驱动电机3驱动进行俯仰旋转运动或刹停运动。
图2为常开型单摩擦片电磁式制动器9的安装示意图。常开型单摩擦片电磁式制动器9包括电磁制动器定子支撑架7、电磁制动器转子支撑架12、制动器定子91、制动器衔铁92、板状变形弹簧93和电磁制动器隔圈11。在经纬仪机架20上安装电磁制动器定子支撑架7，制动器定子91利用螺钉安装在电磁制动器定子支撑架7上，利用螺钉从左右两侧将板状变形弹簧93分别与制动器衔铁92和电磁制动器转子支撑架12连接。利用螺钉将电磁制动器隔圈11与电磁制动器转子支撑架12连接在俯仰右主轴8外侧。通过修研电磁制动器隔圈11的厚度保证常开型单摩擦片电磁式制动器9的制动间隙a满足产品使用需求。制动器定子91外接线缆与控制电源10连接，保证常开型单摩擦片电磁式制动器9制动时的供电。
图3a为常开型单摩擦片电磁式制动器9的常开状态示意图，图3b为常开型单摩擦片电磁式制动器9的闭合状态示意图。当出现飞车情况时，控制系统利用控制电源10为常开型单摩擦片电磁式制动器9上电，制动器定子91和制动器衔铁92之间产生电磁力，板状变形弹簧93发生变形，制动器定子91和制动器衔铁92完成吸合，并在二者表面产生吸合力，可吸收一部分光学负载2因速度产生的惯性势能。
图4为本发明缓冲吸能单元6安装示意图，在俯仰左主轴4的外侧安装吸能撞杆5，经纬仪机架20上安装与吸能撞杆5配合的两套缓冲吸能单元6。两组缓冲吸能单元6设置在经纬仪机架20上，且位于俯仰左主轴4的两侧。缓冲吸能单元6包括了限位座13、碰撞头14、吸能弹簧15、轴盖16、锁紧螺母17、调整螺套18和吸能缓冲垫19。
将吸能缓冲垫19安装在限位座13腔内，并在限位座13腔内套入吸能弹簧15，在吸能弹簧15上端套入碰撞头14。将轴盖16盖在限位座13上端，将吸能弹簧15、碰撞头14限制在限位座13腔内。碰撞头14的轴头部分通过调整螺套18的中心穿孔伸出，利用轴盖16与调整螺套18之间的螺纹配合将调整螺套18旋入轴盖16并压在碰撞头14的上侧端面，通过调整轴盖16与调整螺套18之间的螺纹配合位置可调整碰撞头14伸出限位座13的高度，并进一步控制了吸能撞杆5撞上碰撞头14的位置。调整好轴盖16与调整螺套18之间的螺纹配合位置，保证经纬仪俯仰轴搭载光学负载2可满足旋转角度要求后，利用锁紧螺母17将该螺纹配合位置锁紧。当光学负载2带动俯仰左主轴4旋转，使吸能撞杆5碰到碰撞头14时，碰撞头14会向限位座13腔内压缩，进一步吸能弹簧15压缩吸收一部分光学负载2因速度产生的惯性势能，当吸能弹簧15因碰撞头14向限位座13腔内压缩而被压缩到底部时，碰撞头14底部端面会与吸能缓冲垫19接触，并压缩吸能缓冲垫19吸收惯性势能。
本发明将两个碰撞头14的中心线之间的角度设置为2θ1，该设置可使吸能撞杆的上、下斜面以垂直碰撞头中心线的几何关系碰到碰撞头，碰撞头在撞击瞬间只受较大轴向压力，并顺利沿中心线向下运动压缩弹簧将能量转移至弹簧，而径向不产生切向力，该设计可更好地保护缓冲吸能单元和经纬仪。
当出现飞车情况时，控制系统利用控制电源10为常开型单摩擦片电磁式制动器9上电，制动器定子91和制动器衔铁92之间产生电磁力，板状变形弹簧93发生变形，制动器定子91和制动器衔铁92完成吸合，并在二者表面产生吸合力，可吸收一部分光学负载2因速度产生的惯性势能。同时，当光学负载2带动俯仰左主轴4进一步旋转，使吸能撞杆5碰到碰撞头14时，碰撞头14会向限位座13腔内压缩，进一步吸能弹簧15压缩吸收一部分光学负载2因速度产生的惯性势能，当吸能弹簧15因碰撞头14向限位座13腔内压缩而被压缩到底部时，碰撞头14底部端面会与吸能缓冲垫19接触，并压缩吸能缓冲垫19吸收惯性势能，此时还伴随电磁制动器制动吸能和弹簧进一步压缩吸能作用。
下面对该防飞车机电保护系统工作时存在的能量关系进行分析计算。
经纬仪俯仰轴两侧极限工作角度设计为-θ0和(180°+θ0)，且吸能撞杆上、下斜面与水平轴线夹角设置为θ0；吸能撞杆5碰到两侧碰撞头14时的经纬仪俯仰轴角度分别为-θ1和(180°+θ1)，两侧碰撞头14底部端面与吸能缓冲垫19接触时的经纬仪俯仰轴角度分别为-θ2和(180°+θ2)，两侧吸能缓冲垫19压缩到极限位置时的经纬仪俯仰轴角度分别为-θ3和(180°+θ3)。
以经纬仪俯仰轴在一侧飞车为例，当经纬仪俯仰轴到达极限工作角度-θ0时，经纬仪俯仰轴转动角速度刚好达到飞车边界条件ωmax，此时经纬仪光学负载2所携带的惯性势能最大，且该防飞车机电保护系统所具备的刹停距离最短，可认为该状态为极限刹停状态。而该防飞车机电保护系统设计时需要满足该极限刹停状态时的光学负载2平稳刹停。
如图5所示，假设飞车时伺服控制系统通过换向电磁阀使驱动电机3断电，且不为驱动电机3提供反向刹停电源，并在该条件下进行极限刹停状态时的刹车。此时光学负载2刹停条件最为严苛，对应的能量关系分析计算如下。
假设光学负载2绕俯仰轴的转动惯量为Jmax，则光学负载2飞车时所具备的惯性势能为：
常开型单摩擦片电磁式制动器9闭合时的吸合摩擦力矩为Md。而该制动器从开始刹车到刹停时，一直处于吸合刹车状态，刹车角度为(θ3-2θ0)。则制动器可吸收的光学负载2惯性势能为：
Q1＝Md·(θ3-2θ0)
吸能弹簧15从开始刹车到刹停时，刹车角度为(θ3-θ1)，俯仰轴中心距碰撞头14为Lt，基于几何关系可知吸能弹簧15的刹车距离为：
Xt≈sin(θ3-θ1)·Lt
假设吸能弹簧15的刚度为kt，则吸能弹簧15可吸收的光学负载2惯性势能为：
而吸能缓冲垫19从开始刹车到刹停时，刹车角度为(θ3-θ2)，对应刹车距离为：
Xd≈sin(θ3-θ2)·Lt
假设吸能缓冲垫19的刚度为kd，则吸能缓冲垫19可吸收的光学负载2惯性势能为：
依据能量守恒可知，当Qmax≈Q1+Q2+Q3时，可认为该防飞车机电保护系统可实现最严苛刹车状态时的光学负载平稳刹停，并可依据上述公式对该防飞车机电保护系统进行设计和应用。
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