Design of a hypergravity and rotation composite test platform based on centrifuge
-
摘要: 为研发满足航空航天医学等研究要求的超重旋转复合运动模拟系统，基于离心机的转臂式结构，采用框架式的自转座椅替代传统的固定座椅，并引入链传动作为自转驱动；搭建PC+可编程逻辑控制器（PLC）+伺服电机+编码器的离心机控制系统，以及IPC+驱动器+步进电机的自转座椅控制系统；在控制系统软件设计方面注重离心机实时运行监测及便携式自转座椅的稳定性控制。对所研发的超重旋转复 合试验平台开展超重、旋转及超重旋转复合3种模拟工况的精度测试试验，结果表明，平台能够实现超重、旋转及超重旋转复合等环境模拟，离心机与自转座椅均具有较高的控制精度，运行过程安全平稳，达到了预期要求，可用于航空航天特因环境下生物体生理响应或设备测试等实验研究。Abstract: To develop an integrated motion simulation system for aerospace medical research, based on the rotating arm structure of a centrifuge, the frame type self-rotating seat was used to replace the traditional fixed seat, and a chain drive was introduced as the rotation drive. The centrifuge control system with PC, programmable logic controller (PLC), servo motor and encoder, as well as the self-rotating seat control system with IPC, driver and stepper motor was built. In terms of control system software design, attention was paid to the real-time operation monitoring of centrifuge and the stability control of portable self-rotating seat. The precision tests of three simulated environments of hypergravity, rotation and hypergravity rotation composite were carried out to the developed platform. The results show that the platform can achieve simulations of hypergravity, rotation and hypergravity rotation composite. Both the centrifuge and self-rotating seat have high control precision, and the operation process is safe and stable, meeting the expected requirements. The platform can be used for experimental research of biological physiological response or equipment testing in aerospace special environment.
-
Keywords:
- aerospace /
- simulation platform /
- centrifuge /
- structural design /
- control system
-
0. 引言
随着我国航空事业的迅猛发展，第四代战机列装部队对飞行人员的身体素质和飞行能力提出了更高的要求[1-2]。机动飞行引起的力学环境改变会对人体的前庭反应和心血管功能产生影响[2-3]，如在完成大角度转弯、侧翻、旋转等多种失速机动动作时，常常会诱导空晕病、空间定向障碍及意识丧失等现象[1,4]。此外，载人航天器交会对接、应急返回等过程中也涉及复杂的动态载荷。因此，如何有效训练、评价人体前庭功能稳定性及过载耐受能力已成为目前航空航天医学领域的重点研究内容之一。
生物反馈训练可以有效减轻运动病的症状，但对地面模拟试验设备提出较高的要求[5-6]。目前针对航空航天环境地面模拟平台的研制已有许多成果，例如载人离心机作为地面模拟超重最有效的装备，可使受试者真切感受到飞行对人体生理、心理的影响，并且能够辅助检查并评估飞行人员的过载耐受能力[7-8]；转椅、转床等设备可实现对人体多方位的前庭刺激，用于评定人体前庭功能稳定性及心血管功能[2,6]。然而，航空航天任务涉及极为复杂的复合动力学环境，上述设备虽然安全稳定、参数精确可控、重复性强，但通常只能模拟单一的特定运动环境，无法模拟实际飞行过程中复杂运动耦合的情况。因此，亟需研制复合环境模拟试验平台。
超重旋转复合环境作为航空航天过程中常见的力学环境，目前国内外尚无相关的模拟设备或研究。本文基于超重旋转复合力学环境的特点开展试验平台的功能与结构设计，借助转臂式离心机及自转座椅模拟超重、旋转及超重旋转复合环境，重点围绕设备总体结构设计、硬件选型及连接、软件控制等方面展开论述，并开展精度测试验证。
1. 主要结构与功能设计
转臂式离心机是模拟超重环境最主要的设备形式，可通过臂架旋转产生的离心力模拟超重力，且可以调整末端座椅来改变超重加载的方向[9]。为设计超重旋转复合试验平台，在离心机的基础之上，采用框架式自转座椅替代传统的固定座椅，并且以链式传动作为座椅旋转的驱动方式，可在减小系统转动惯量的同时提高设备的安全性与稳定性。
超重旋转复合试验平台的总体结构如图1所示，主要包括底座（含离心电机、减速器、支撑台架及传动结构等）、旋转支架（含转臂、平衡臂及配重块等）、自转座椅（含自转电机、传动链条、连接框架、座椅及蓄电池等）和控制柜（含可编程逻辑控制器PLC、控制单元及功率单元等）。离心机与自转座椅各自采用单独的控制系统，离心机旋转支架由伺服电机驱动，自转座椅由步进电机通过链式传动来驱动，以确保在超重旋转过程中二者走线互不影响。
![]()
图 1 超重旋转复合试验平台样机Figure 1. Prototype of the integrated hypergravity rotation test platform结构及质量问题是航天产品研制过程中需要考量的重要因素[10]。图2为自转座椅结构，其框架采用3003铝合金材料，可在保证足够强度的同时减小设备整体质量；座椅的链式传动机构采用06B单排链轮及06B链条的组合，并在链条啮合处增加滑轮式防脱装置，机构的传动比为1∶2。
本文所设计的超重旋转复合试验平台主要用于中小型动物及设备等的超重、旋转及超重旋转复合模拟试验，以检测不同空间环境下生物/设备的生理/工作状况。试验平台的主要技术指标为：离心机转臂半径1.8 m，最大转速100 r/min，加速时间不少于10 s，最大模拟过载20g（控制精度±0.05g）；自转座椅最大转速100 r/min，最大承重约12 kg。
2. 控制系统设计
2.1 总体设计
为避免离心过程中臂架旋转对自转座椅的控制系统走线产生影响，对离心机与自转座椅采用单独的控制系统来驱动。离心机控制系统采用PC+PLC+伺服电机+编码器的总体方案，系统框图如图3所示。该方案具有较强的灵活性与可扩展性，可确保紧凑设计下的高性能。其中，PC负责人机交互，与PLC直接通信；PLC借助PID控制器技术对象和工程组态SIMATIC STEP 7 Basic中提供的支持编辑器进行控制回路组态；伺服电机采用位置控制模式的三闭环负反馈PID调节系统，反馈控制原理如图4所示。
![]()
图 4 离心机控制系统伺服电机的反馈控制原理Figure 4. Feedback control principle of servo motor in centrifuge control system自转座椅控制系统采用IPC+驱动器+步进电机的总体方案，结构简单、控制可靠，整体走线沿臂架分布，能确保不受离心旋转的影响。IPC与驱动器依靠24 V蓄电池供电，步进电机采用两相86型步进电机，由IPC直接发送脉冲信号控制。
2.2 硬件设计选型
离心机控制系统硬件参数如表1所示。伺服电机自带 AS24DQI 编码器以及滑键和抱闸；控制单元控制单轴驱动，带有 PROFINET 和 TTL/HTL 编码器的检测电路，承担与功率单元的通信、开/闭环控制以及与 PLC 的通信，并通过 FM-IF 接口与功率单元相连；功率单元为标准规格带集成进线滤波器；外接编码器集电极开路输出（PNP），与电机内置编码器协同构成三闭环负反馈 PID 控制；操作面板 BOP20 可设定参数、读取诊断信息（如报警和故障消息）并且确认故障；CF 卡固件版本为V4.8。
表 1 离心机控制系统硬件参数Table 1. Hardware parameters of the centrifuge control system硬件名称 型号 参数名称 具体参数 PLC SIMATIC S7-1200 模块 CPU 1215C 板载数字量 16输入/10输出 板载模拟量 2输入/2输出 额定电压 24V DC或120/230V AC 伺服电机 SIMATIC 1FK7105-2AF71-1BB0 额定转速 3000 r/min 额定功率 8.2 kW 额定转矩 26 N·m 额定电流 18 A 控制单元 CU310-2 PN 额定电压 24 V DC 开关量 4 可编程输入/
输出量4/4 编码器 E6B2-CWZ5B 电源电压 12～24 V DC 分辨率 500 P/R 输出相 A、B、Z 功率单元 PM240-2 额定功率 15 kW 负载电流功率 11 kW 自转座椅控制系统各硬件参数如表2所示。
表 2 自转座椅控制系统硬件参数Table 2. Hardware parameters of the self-rotating seat control system硬件名称 型号 参数名称 具体参数 IPC MC-20MR-6MT 总点数 26 NPN输入 12路 继电器输出 8路 晶体管输出 6路 供电电压/电流 24 V DC/3 A 步进电机 8618HB6402 额定电流 6 A 步距角度 1.8° 电机电压 24～80 V 保持转矩 12 N·m 相数 两相 驱动器 DMA860H 驱动电流 2.4～7.2 A 驱动电压 24～110 V DC或
18～55 V AC脉冲电压 5～24 V 脉冲细分 400～256 00 2.3 控制系统原理
离心机控制电路如图5所示，采用三相四线制，U、V、W为相线，N为零线。所用的信号连接线均为双绞线，以避免信号间的相互干扰。电气柜中所有电气组件接地端子都使用12平黄绿线连接在接地母排PE上。信号线接地柱与强电接地柱间距4 m以上，以抑制强电信号对弱电信号的干扰。
自转座椅控制系统中，采用24 V直流输出蓄电池给IPC与电机驱动器供电，如图6所示。步进电机与驱动器组成开环控制系统，通过脉冲输入直接控制电机动作，控制可靠，动态响应迅速。
3. 软件控制
人机交互系统与PLC基于变量形式搭建人机界面（HMI）与控制过程之间的通信，I/O模块则是PLC与控制过程交流的桥梁。HMI利用变量读取或写入PLC的控制数据，在PC上进行控制界面的组态，包括变量设置以及与PLC之间的链接。
3.1 离心机控制界面
离心机控制系统采用SIMATICTIA Portal V15.1作为编程与控制软件，集PLC编程与wincc编程于一体。其主页面如图7所示，包括参数设置区、参数显示区、控制按钮及状态显示区、实际运行状态显示区以及手动调速区等。其中，参数设置区主要为离心参数的输入，包括载荷曲线路径、旋转半径、数采周期与总数、载荷给定总数等；参数显示区主要提示当前读取的载荷以及离心机实时的运行情况；控制按钮及状态显示区可以控制离心机启/停、正/反转及手动/自动模式等；实际运行状态显示区显示实际载荷的曲线。超重离心结束后，载荷曲线会以数组的形式存放在wincc的HMI变量和PLC变量中，读取结束后会自动生成Excel文件。
3.2 自转座椅控制界面
自转座椅控制系统采用三菱GX Works 2作为组态工具，在进行软件系统设计时，力求界面直观、简洁。其控制界面如图8所示，输入参数主要为运行时间、座椅转速以及正/反转等。
4. 测试验证
为测试超重旋转复合试验系统的运行稳定性，设计精度测试方案，包括单一超重精度测试、单一旋转精度测试及超重旋转复合精度测试，分别选用2.5、5.0、10.0 kg重力替代物进行多运转水平模拟。
4.1 单一超重精度测试
此测试仅控制离心机运动，设置数据采集周期为1 s，待离心机稳定运行后连续采集100个数据点并取平均值与输入参数对比，记录结果见表3。
表 3 单一超重精度测试记录表Table 3. Hypergravity accuracy test record sheet输入转速/
(r·min-1)理论过载/g 重力替代
物质量/kg实际测试记录 相对误差/% 平均转速/(r·min-1) 平均过载/g 20 0.806 2.5 19.999 0.803 -0.372 5.0 19.990 0.805 -0.124 10.0 19.995 0.805 0.124 50 5.036 2.5 49.994 5.034 -0.040 5.0 49.992 5.034 -0.040 10.0 49.986 5.033 -0.060 80 12.900 2.5 79.996 12.900 -0.000 5.0 79.989 12.887 -0.101 10.0 79.983 12.885 -0.116 4.2 单一旋转精度测试
此测试仅控制自转座椅运动，采用秒表、测角仪等设备记录旋转一定圈数所需时间，多次测量后取平均值，记录结果如表4所示。
表 4 单一旋转精度测试记录表Table 4. Rotation accuracy test record sheet重力替代物
质量/kg输入转速/
(r·min-1)转1圈用时/s 转1圈平均
用时/s平均转速/
(r·min-1)相对误差/
%No.1 No.2 No.3 No.4 No.5 No.6 2.5 15 4.08 4.07 4.13 4.11 4.08 4.16 4.105 14.616 -2.56 30 2.13 2.09 2.16 2.17 2.04 2.06 2.108 28.463 -5.12 60 0.96 1.11 1.05 0.98 1.09 1.19 1.060 56.604 -5.66 5.0 15 4.12 4.08 4.02 3.98 4.11 3.96 4.045 14.833 -1.11 30 2.15 2.04 2.09 2.13 1.97 2.06 2.073 28.944 -3.52 60 1.09 1.13 1.16 0.95 1.07 1.12 1.087 55.198 -8.00 10.0 15 4.21 4.13 3.94 4.06 4.10 4.03 4.078 14.713 -1.91 30 2.06 2.13 2.13 2.01 2.05 2.16 2.090 28.708 -4.30 60 1.13 1.20 1.15 1.08 1.11 1.09 1.127 53.239 -11.27 4.3 超重旋转复合精度测试
此测试中同时控制离心机与自转座椅运动，通过Gopro运动相机记录复合加载过程中自转座椅运动情况，离心机运动状态仍通过实时采点取均值的方式进行监测，记录复合加载下两系统运动情况，记录结果如表5所示。
表 5 超重旋转复合精度测试记录表Table 5. Hypergravity rotation composite accuracy test record sheet重力
替代物
质量/kg输入转速/
(r·min-1)实际转速/
(r·min-1)理论
过载/g实际
过载/g离心机 自转座椅 离心机 自转座椅 2.5 20 15 19.990 14.677 0.806 0.805 30 19.992 28.751 0.805 60 19.989 57.182 0.804 50 15 49.996 14.793 5.036 5.035 30 49.990 28.656 5.034 60 49.989 56.395 5.034 2.5 80 15 79.995 14.758 12.900 12.890 30 79.988 28.688 12.888 60 79.993 55.286 12.889 5.0 20 15 19.999 14.658 0.806 0.806 30 19.994 28.984 0.805 60 19.992 58.360 0.805 50 15 49.990 14.752 5.036 5.033 30 49.996 28.935 5.035 60 49.993 57.343 5.034 80 15 79.988 14.586 12.900 12.887 30 79.996 28.386 12.890 60 79.999 54.583 12.891 10.0 20 15 19.996 14.598 0.806 0.805 30 19.994 28.542 0.805 60 19.993 55.634 0.805 10.0 50 15 49.998 14.680 5.036 5.035 30 49.996 28.658 5.035 60 49.998 53.685 5.035 80 15 79.995 14.756 12.900 12.889 30 79.992 28.843 12.888 60 79.996 54.695 12.890 通过各组测试结果发现：各运转水平下，离心机过载输出相对误差不超过0.5%；自转座椅由于引入链条传动及手工测试的原因，旋转相对误差略大，但均平稳完成测试。综合对比表3、表4和表5测试结果，离心机和自转座椅控制系统间无明显干扰，试验平台效果达到预期要求。
5. 结束语
本文在基于离心机的超重旋转复合试验平台设计中，采用自转座椅代替传统固定座椅，分别搭建了独立的离心机控制系统及自转座椅控制系统，并开展了精度测试验证。结果表明，该平台可实现超重、旋转及超重旋转复合等环境模拟，控制系统方便稳定，运行可靠，能有效支撑相关模拟试验。
后期将进一步完善平台的结构，提高运行精度，用于航空航天特因环境下人体生理与防护技术的应用基础研究。
-
![]()
图 1 超重旋转复合试验平台样机
Figure 1. Prototype of the integrated hypergravity rotation test platform
![]()
图 4 离心机控制系统伺服电机的反馈控制原理
Figure 4. Feedback control principle of servo motor in centrifuge control system
表 1 离心机控制系统硬件参数
Table 1 Hardware parameters of the centrifuge control system
硬件名称 型号 参数名称 具体参数 PLC SIMATIC S7-1200 模块 CPU 1215C 板载数字量 16输入/10输出 板载模拟量 2输入/2输出 额定电压 24V DC或120/230V AC 伺服电机 SIMATIC 1FK7105-2AF71-1BB0 额定转速 3000 r/min 额定功率 8.2 kW 额定转矩 26 N·m 额定电流 18 A 控制单元 CU310-2 PN 额定电压 24 V DC 开关量 4 可编程输入/
输出量4/4 编码器 E6B2-CWZ5B 电源电压 12～24 V DC 分辨率 500 P/R 输出相 A、B、Z 功率单元 PM240-2 额定功率 15 kW 负载电流功率 11 kW 
下载: 导出CSV
表 2 自转座椅控制系统硬件参数
Table 2 Hardware parameters of the self-rotating seat control system
硬件名称 型号 参数名称 具体参数 IPC MC-20MR-6MT 总点数 26 NPN输入 12路 继电器输出 8路 晶体管输出 6路 供电电压/电流 24 V DC/3 A 步进电机 8618HB6402 额定电流 6 A 步距角度 1.8° 电机电压 24～80 V 保持转矩 12 N·m 相数 两相 驱动器 DMA860H 驱动电流 2.4～7.2 A 驱动电压 24～110 V DC或
18～55 V AC脉冲电压 5～24 V 脉冲细分 400～256 00
下载: 导出CSV
表 3 单一超重精度测试记录表
Table 3 Hypergravity accuracy test record sheet
输入转速/
(r·min-1)理论过载/g 重力替代
物质量/kg实际测试记录 相对误差/% 平均转速/(r·min-1) 平均过载/g 20 0.806 2.5 19.999 0.803 -0.372 5.0 19.990 0.805 -0.124 10.0 19.995 0.805 0.124 50 5.036 2.5 49.994 5.034 -0.040 5.0 49.992 5.034 -0.040 10.0 49.986 5.033 -0.060 80 12.900 2.5 79.996 12.900 -0.000 5.0 79.989 12.887 -0.101 10.0 79.983 12.885 -0.116
下载: 导出CSV
表 4 单一旋转精度测试记录表
Table 4 Rotation accuracy test record sheet
重力替代物
质量/kg输入转速/
(r·min-1)转1圈用时/s 转1圈平均
用时/s平均转速/
(r·min-1)相对误差/
%No.1 No.2 No.3 No.4 No.5 No.6 2.5 15 4.08 4.07 4.13 4.11 4.08 4.16 4.105 14.616 -2.56 30 2.13 2.09 2.16 2.17 2.04 2.06 2.108 28.463 -5.12 60 0.96 1.11 1.05 0.98 1.09 1.19 1.060 56.604 -5.66 5.0 15 4.12 4.08 4.02 3.98 4.11 3.96 4.045 14.833 -1.11 30 2.15 2.04 2.09 2.13 1.97 2.06 2.073 28.944 -3.52 60 1.09 1.13 1.16 0.95 1.07 1.12 1.087 55.198 -8.00 10.0 15 4.21 4.13 3.94 4.06 4.10 4.03 4.078 14.713 -1.91 30 2.06 2.13 2.13 2.01 2.05 2.16 2.090 28.708 -4.30 60 1.13 1.20 1.15 1.08 1.11 1.09 1.127 53.239 -11.27
下载: 导出CSV
表 5 超重旋转复合精度测试记录表
Table 5 Hypergravity rotation composite accuracy test record sheet
重力
替代物
质量/kg输入转速/
(r·min-1)实际转速/
(r·min-1)理论
过载/g实际
过载/g离心机 自转座椅 离心机 自转座椅 2.5 20 15 19.990 14.677 0.806 0.805 30 19.992 28.751 0.805 60 19.989 57.182 0.804 50 15 49.996 14.793 5.036 5.035 30 49.990 28.656 5.034 60 49.989 56.395 5.034 2.5 80 15 79.995 14.758 12.900 12.890 30 79.988 28.688 12.888 60 79.993 55.286 12.889 5.0 20 15 19.999 14.658 0.806 0.806 30 19.994 28.984 0.805 60 19.992 58.360 0.805 50 15 49.990 14.752 5.036 5.033 30 49.996 28.935 5.035 60 49.993 57.343 5.034 80 15 79.988 14.586 12.900 12.887 30 79.996 28.386 12.890 60 79.999 54.583 12.891 10.0 20 15 19.996 14.598 0.806 0.805 30 19.994 28.542 0.805 60 19.993 55.634 0.805 10.0 50 15 49.998 14.680 5.036 5.035 30 49.996 28.658 5.035 60 49.998 53.685 5.035 80 15 79.995 14.756 12.900 12.889 30 79.992 28.843 12.888 60 79.996 54.695 12.890
下载: 导出CSV
-
[1] 潘益凯, 张刘伟, 杨涵, 等. 三维滚轮单轴向旋转测试在人体前庭功能稳定性和心血管功能评价中的应用[J]. 心脏杂志, 2022, 34(3): 334-338 PAN Y K, ZHANG L W, YANG H, et al. Application of 3D roller uniaxial rotation test in the evaluation of human vestibular stability and cardiovascular function[J]. Chinese Heart Journal, 2022, 34(3): 334-338
[2] 孙弘丽, 宋艳琪, 高原, 等. 三维滚轮训练对人体前庭功能稳定性和心血管功能的影响[J]. 心脏杂志, 2020, 32(6): 626-630 SUN H L, SONG Y Q, GAO Y, et al. Effect of three dimensional roller vestibular function training on vestibular stability and cardiovascular function[J]. Chinese Heart Journal, 2020, 32(6): 626-630
[3] 王林杰, 魏金河, 张丹, 等. Z轴和偏心旋转对人体听觉认知过程的影响[J]. 中华航空航天医学杂志, 2006, 17(2): 97-102 WANG L J, WEI J H, ZHANG D, et al. Effects of Z-axis and off-vertical axis rotation on human auditory cognitive processing[J]. Chinese Journal of Aerospace Medicine, 2006, 17(2): 97-102
[4] 耿捷, 孙喜庆, 杨长斌, 等. 旋转床模拟推拉效应时心脏泵血功能变化特征[J]. 航天医学与医学工程, 2007, 20(3): 157-160 GENG J, SUN X Q, YANG C B, et al. Changes of cardiac pump function in push-pull effect simulated by tilt table[J]. Space Medicine & Medical Engineering, 2007, 20(3): 157-160
[5] 李天印, 赵锦荣, 路贵友, 等. 适当体位旋转训练对人体前庭功能的影响[J]. 中华航空航天医学杂志, 2004, 15(2): 22-24 LI T Y, ZHAO J R, LU G Y, et al. Effect of special posture rotation exercise on vestibular function[J]. Chinese Journal of Aerospace Medicine, 2004, 15(2): 22-24
[6] 王林杰, 魏金河, 张丹, 等. 不同前庭刺激下人体心率变异性的变化特征[J]. 中华航空航天医学杂志, 2004, 15(1): 22-25 WANG L J, WEI J H, ZHANG D, et al. The characteristics of heart rate variability (HRV) under various vestibular stimuli[J]. Chinese Journal of Aerospace Medicine, 2004, 15(1): 22-25
[7] 肖宝红, 裴葆青, 吴楠. 基于运动控制器的载人离心机控制系统设计[J]. 航天医学与医学工程, 2018, 31(1): 32-36 XIAO B H, PEI B Q, WU N. Design of manned centrifuge control system based on motion controller[J]. Space Medicine & Medical Engineering, 2018, 31(1): 32-36
[8] 郭磊, 裴葆青, 武雪晴, 等. 短臂载人离心机的研制及+G x/-G z的过载生理研究[J]. 载人航天, 2021, 27(5): 589-595 GUO L, PEI B Q, WU X Q, et al. Development of a short-arm human centrifuge and physiological overload study under +Gx/-Gz acceleration[J]. Manned Spaceflight, 2021, 27(5): 589-595
[9] 刘巍, 冯雪梅, 邓金辉, 等. 载人离心机测控系统研制[J]. 航天医学与医学工程, 2003, 16(3): 193-195 LIU W, FENG X M, DENG J H, et al. Development of a measurement and control system of human centrifuge[J]. Space Medicine & Medical Engineering, 2003, 16(3): 193-195
[10] 刘磊, 刘洪英, 马爱军, 等. 载人航天某装置人机交互式结构优化设计[J]. 航天器环境工程, 2016, 33(3): 296-299 LIU L, LIU H Y, MA A J, et al. Structural optimization using human-computer interaction for an aerospace assembly[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2016, 33(3): 296-299
计量
- 文章访问数: 83
- HTML全文浏览量: 33
- PDF下载量: 12
