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1、潜艇三维电动液压小车样机研制武昌造船厂三维小车样机研制QC小组一、小组概况三维小车样机研制QC小组成立于2005年3月。本题活动的课题是潜艇三维电动液压小车样机研制，属于创新型课题，活动时间2005年3月至2005年12月，出勤率达到96，姓 名性别部 门组内职务职 务组内分工黄小勇男生产管理部组长副主任技术管理决策黄晓黎女工艺设计所副组长工艺员组织协调记录胡宏杰男企业策划部组员副厂长技术管理胡三明男工艺设计所组员主任技术管理戴毅男三车间组员钳工实施张凯男设备计理部组员电气员实施二、选定课题（一）潜艇制造模式转变：整体建造模式转变为总段对接的模式总段对接模式见图1：（二）、选题理由的简易图表三
2、、课题简介本次课题研究的三维小车，是为适应潜艇总段拼装焊接的工艺要求而开发的一种专用设备。小车由机械传动系统、液压系统和电控系统三大部分组成，用来实现船体六个自由度方向的运动，从而改变船体姿态，完成对接。对接原理：四、设定着力点和目标为了有效的完成课题，首先明确具体的主攻点即“着力点”。我们运用了 “课题分解、分析表”这一工具。课题分解、分析表课题分解（系统图）把握现状着力点目标通过设计保证，受经济精度控制主缸、付缸的移动精度主缸、付缸的移动精度0.05通过工艺保证，受工厂设备影响五个自由度方向的运动精度采用有效可靠的电控方案不同步性会导致小车的破坏控制车组行走同步性实现车组行走同步率趋近于1
3、00选择恰当的传动方式提高液压缸的制造精度采取断电数据保护措施采取有效的用电防范措施通过“课题分解、分析表”这一工具，我们找出了本次课题的两个着力点，并针对这两个着力点设定了两个目标值。控制主缸、付缸的移动精度行走机构车组同步率趋近于100控制行走机构的同步性主缸、付缸的移动精度0.05mm 其中为了量化行走机构同步性，引入同步率的概念五、方案设计目标一：主缸、付缸的移动精度0.05mm的方案设计：我们从分析船体对接的工作流程入手，通过分析工作流程的每一个环节，提出了相应的实现目标的方案。开始测量相对位置将数据读入工控机N计算出位移是否达到对接精度液压机构和行走机构先后动作发布指令Y结束通过对
4、流程图的分析我们发现有四个环节对主、付缸的移动精度有影响：1、 测量的误差2、 工控机计算误差3、 发布指令的误差，即通讯误差4、 液压机构（即主、付缸）执行指令的动作误差那么我们要控制主、付缸的移动精度就要消除这四个环节的误差。初步方案：控制主缸、付缸的移动精度方案3：消除通讯的误差方案2：消除工控机计算的误差方案1：控制测量的误差方案4：液压机构设置反馈装置方案选择：方案1：控制测量的误差分析：测量的误差直接导致主、付缸运动与目标值的偏差，是源头误差，其不仅影响主、付缸移动的精度，而且影响对接的效率，小组成员一直认为应该采用此方案。结论：方案1选择通过方案2、消除工控机计算的误差分析：工控
5、机如果计算错误将会导致对接的失败，但是，通常只要系统稳定，算法正确，就可以杜绝计算错误这种情况的发生，没有必要专门针对这一问题采取措施。结论：方案2被淘汰方案3、消除通讯的误差分析：由于考虑到船台工作现场有大量电焊机和气刨机共电源工作会发出电磁干扰，可能会造成通讯不畅，我们做了一个模拟试验：向多个目标发出通讯信号，人为地发出电磁干扰，检测各目标收到的数据一致性。我们发现：电磁干扰造成各目标之间接受到的数据值存在偏差，干扰严重时还会造成数据失真。结论：方案3选择通过方案4：液压机构设置反馈装置分析：小组成员从有效性、可行性和经济性三个方面进行分析：分析结论有效性反馈装置使发布指令和机构动作形成闭
6、环控制，随时调制机构动作精度，是最有效地提高移动精度的方法。可行性主缸有效行程150mm，付缸有效行程50mm，设置反馈装置简单易行。现有技术成熟。经济性反馈装置制造成本与被监控机构行程有关，由于主、付缸行程短，其设置反馈装置经济性好。结论：方案4选择通过最终方案最终方案：通过对初步方案的进一步设计，我们确定了最终方案：控制通讯误差设置反馈装置控制主缸、付缸的移动精度方案选择高精度测量仪提高系统抗干扰能力控制测量误差目标二：行走机构车组同步率趋近于100整个三维小车系统在设计完毕后要实现30台小车同时工作，而每一台小车都有其单独的驱动机构，要实现同步动作是一个难题。为了找到恰当的控制车组同步性
7、的方案，小组成员运用头脑风暴法，集思广益，进行了初步方案的设计。寻找控制车组动作同步性的方案行走中速度一致通讯时间无误差行走的距离一致在速度一致的情况下，要实现行走的距离一致必须实现车轮的直径一致。但同时要考虑经济性。首先要实现驱动机构输出的速度一致，同时要克服行走过程中所受的阻力对速度的影响在单位时间行走距离一致的情况下，必须各小车接受到指令的时间一致控制车轮直径的制造精度消除通讯的时间误差设置反馈装置是最有效的解决这一问题的方法初步方案：行走机构车组同步率趋近于100方案1：行走机构设置反馈装置方案2：消除通讯时间的误差方案3：消除通讯的误差方案选择：方案2、方案3小组成员一致选择通过。方
8、案1、行走机构设置反馈装置分析：我们从有效性、可行性和经济性三个方面进行分析分析结论有效性通过反馈装置使发布指令和机构动作形成闭环控制，随时调整行走速度使其与指令保持一致，是最有效地提高同步性的方法。可行性行走机构有效行程长达30米，设置反馈装置不易于实现经济性反馈装置制造成本与被监控机构行程有关，由于行走机构行程台长短，其设置反馈装置不具备经济性。结论：方案1被淘汰。BUT：通过分析我们发现，目标二的三个方案属于AND手段，必须同时选用才能达到控制同步性的目的，下面我们运用价值工程分析法，来寻找“设置反馈装置”的替代方案。价值工程分析法：首先进行功能整理：基本功能 辅助功能通过设置反馈装置实
9、现实时监控，及时调整车组同步动作 目的 手段由于实现设置反馈装置这一辅助功能成本过高，我们将工作重点放在改善辅助功能上（即：寻找其它实现车组同步动作的手段）达到降低成本，提高价值的目的。单位时间伺服电机的运转圈数一致单位时间小车运行距离一致脉冲控制车组同步动作目的 手段 目的 手段 目的 手段(F表示功能，C表示成本)通过脉冲控制实现了与设置反馈装置同样的功能，同时节省了设置反馈机构的费用。使价值系数提高。替代方案：实现脉冲控制的电控方案最终方案最终方案设计：通过对初步方案的进一步设计，我们确定了最终方案：行走机构车组同步率趋近于100实现脉冲控制的电控方案设计能够克服时间差的的通讯方案控制通
10、讯时间误差在经济精度的范围内尽量提高精度控制车轮直径制造精度大六、制定对策：我们运用探求对策表进行制定对策，并对其进行评价，详见探求对策表（目标一）、探求对策表（目标二）。小组将制定的对策进行整理并制定责任人及完成时间，详见对策表：序号问题对策目标措施时间负责人1选择高精度测量仪选用市场现有的高精度测量仪测量精度精确到微米调查市场上现有的技术成熟的高精度测量仪，然后进行选型。2005.5黄小勇2提高系统抗干扰能力制定电控系统抗干扰方案屏蔽现场的电磁干扰净化电源，采用抗干扰能力强的的控制器2005.6张凯3液压系统设置反馈装置制定反馈装置设计方案实现动态反馈和及时调整主、付缸位置采用闭环控制20
11、05.6胡宏杰4设计能够克服时间差的通讯方式制定详细的通讯方案使车组同时启动，同时停止主从应答和系统广播相结合地通讯方式2005.6黄晓黎5在经济精度的范围内尽量提高行走机构精度详细设计行走机构尺寸精度在经济的范围内将误差降到最小重点控制车轮尺寸精度2005.6胡三明6实现脉冲控制的方法制定脉冲控制方法的方案实现在502000mm/min范围无级变速通过改变单位时间内的脉冲数量，达到对速度的调整2005.6张凯探求对策表（目标一）探求对策（系统图）期望效果预想到的问题具体对策内容评价综合评价经济性实现性高精度且可靠性高测量仪不能适应船体的恶劣工作环境选用可靠性高的高精度测量仪选择高精度且可靠性
12、高设计成本过高，且周期过长专门针对船体的恶劣工作环境设计满足要求的高精度测量仪淘汰系统不受干扰抗干扰效果不佳通过净化电源等屏蔽外界干扰淘汰系统不受干扰选用抗干扰能力强的控制器，并采取措施屏蔽外界干扰选择实现实时监控通过监控元件实现对主、付缸的闭环控制选择探求对策表（目标二）探求对策（系统图）期望效果预想到的问题具体对策内容评价综合评价经济性实现性实现车组同时启动同时停止小车数量多，前后拉开距离远，并行连接方式难以实现，成本高通讯电缆并行连接淘汰实现车组同时启动同时停止通讯方案较复杂仍然采用串行连接，采用系统广播方式实现同时启动和同时停止选择制造误差对同步性影响很小进行详细设计并进行验证选择实现
13、50-2000mm/min范围内的无级变速用脉冲控制实现无级变速是难点通过改变单位时间内的脉冲数量，达到对速度的调整淘汰七、对策实施：SCR3923光栅尺实施一、选择高精度测量仪通过市场选型，最终选用SCR3923 光栅尺系统的高可靠性使它即使在恶劣的条件下也能保证正确工作。特制的防护用来防止任何故障。不用维护，减少维修。（特别适合船台的工作环境），其测量的精度达到10.5m。实施二、制定电控系统抗干扰方案，屏蔽现场的电磁干扰1、消除与电焊机、气刨机共电源造成的电源方面的影响 通过UPS装置、隔离变压器、空气开关、开关稳压电源将供电电源净化，提高供电的质量2、提高抗干扰能力1）在主控柜及每台小车之间的通讯电缆中添加屏蔽线，提高抗干扰能力 2）在软件中添加多次通讯的功能，确保数据信息能传送到每台小车，采用MODBUS协议、CRC32校验，确保数据传输的正确；3）采用抗干扰能力强的控制器，如：下位机采用的西门子SIMATIC S7-200 CPU226可编程控制器，它具有极高的可靠性和强劲的通讯能力，适用于恶
