機(jī)電一體化精確定位裝置及其控制系統(tǒng)分析

何正偉

摘 要：在科學(xué)技術(shù)的助推下，機(jī)電一體化技術(shù)逐漸呈現(xiàn)出了新的發(fā)展趨勢，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。闡述了機(jī)電一體化裝置的含義，分析了機(jī)電一體化定位裝置的結(jié)構(gòu)，并結(jié)合機(jī)電技術(shù)的實(shí)際發(fā)展情況，對機(jī)電一體化精準(zhǔn)定位裝置電控部分的選型設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論，希望對相關(guān)研究領(lǐng)域有所幫助。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；定位裝置；控制系統(tǒng)；傳感器

中圖分類號：TP273+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.073

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。近些年來，各項(xiàng)技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，機(jī)電融合技術(shù)的推廣與應(yīng)用提高了控制系統(tǒng)的智能化程度，高新技術(shù)的推廣使得遠(yuǎn)程無人操控系統(tǒng)得到了快速發(fā)展，進(jìn)而增強(qiáng)了機(jī)電裝置的機(jī)械化屬性。當(dāng)前，信息技術(shù)與電子技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用提高了生產(chǎn)效率與產(chǎn)品的整體化性能。為了更好地滿足高新技術(shù)的發(fā)展需求，需要對機(jī)電一體化精確定位裝置及其控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1 機(jī)電一體化裝置

機(jī)電一體化裝置是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，具有檢測、動(dòng)力及控制等多種功能。在實(shí)際的工作中，機(jī)電一體化的裝置系統(tǒng)起到了動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換和傳遞作用。動(dòng)力功能會向整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)提供充足的動(dòng)力，這種動(dòng)力能量應(yīng)該與動(dòng)力、運(yùn)動(dòng)之間的傳遞與轉(zhuǎn)換相互匹配，進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)電一體化裝置的主要目的是對系統(tǒng)內(nèi)、外部的信息進(jìn)行加工處理，進(jìn)而維持系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)械、信息檢測控制及驅(qū)動(dòng)單元等部分共同組成了機(jī)電一體化裝置系統(tǒng)，其具體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 機(jī)電一體化裝置的組成

2 機(jī)電一體化定位裝置結(jié)構(gòu)

一般情況下，機(jī)電一體化定位裝置由于工作的性質(zhì)與作用的不同，會有很多種類，主要有一維、二維及多維運(yùn)動(dòng)等，無論何種形式的定位裝置，都是以一線運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，并進(jìn)行復(fù)合處理而成。在新時(shí)期，對機(jī)電一體化定位裝置的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，為了進(jìn)行大行程運(yùn)行與高度精確運(yùn)動(dòng)，一維大行程運(yùn)動(dòng)的控制技術(shù)是關(guān)鍵。

2.1 聯(lián)軸器設(shè)計(jì)

在定位裝置中，聯(lián)軸器主要起到了軸與軸的連接作用，并且可以對其進(jìn)行分離處理，對力進(jìn)行傳遞和中斷控制。聯(lián)軸器具有很多種類，如果按照行政來劃分，主要可以分成撓性聯(lián)軸器和剛性聯(lián)軸器。其中，撓性聯(lián)軸器在結(jié)構(gòu)上具有特殊性，而且功能也比較齊全。多種聯(lián)軸器主要具有如下幾方面的作用：①聯(lián)軸器能夠起到一定的補(bǔ)償作用。由于多種零部件在生產(chǎn)或者安裝的過程中，很容易使兩個(gè)軸之間出現(xiàn)軸向、徑向及角位移，而聯(lián)軸器的應(yīng)用可以防止軸端產(chǎn)生較大的額外載荷。②改變改變軸系的共振轉(zhuǎn)速，例如，如果沖擊吸收功相同時(shí)，以扭矩為基準(zhǔn)的扭轉(zhuǎn)角越大，沖擊扭矩則會越小，共振轉(zhuǎn)速則會越低。同時(shí)，聯(lián)軸器慣性矩的存在也會對軸的轉(zhuǎn)速造成影響。③聯(lián)軸器可以緩和軸上扭轉(zhuǎn)沖擊，并減輕軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

聯(lián)軸器在精確傳動(dòng)中也發(fā)揮了重要作用，作為基礎(chǔ)性的部件，對定位精確度產(chǎn)生了重要影響。原動(dòng)部分與傳動(dòng)部分等共同組成了機(jī)械部分，每種零件也有多種類型，而且優(yōu)缺點(diǎn)各異。總之，要高度重視聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)，提高其設(shè)計(jì)的合理性。

2.2 設(shè)計(jì)總裝配圖

在機(jī)電一體化的定位裝置中，不能忽略了總裝配圖的重要性。總裝配圖的工作原理是：電機(jī)通電以后會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，在聯(lián)軸器作用下，可以促使絲杠副旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)工作臺的運(yùn)動(dòng)，并通過對伺服電機(jī)的控制，最終實(shí)現(xiàn)精確定位。總裝配圖的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 總裝配圖的結(jié)構(gòu)示意圖

3 電控部分的選型設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)等都是當(dāng)前使用頻率較高的電控設(shè)備，而且都具有其明顯的優(yōu)勢。下面主要對步進(jìn)電機(jī)及其他重要系統(tǒng)控制進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)與選型

步進(jìn)電機(jī)具有多種優(yōu)勢，其結(jié)構(gòu)較為簡單、維修方便，因而對其控制較為容易，同時(shí)性價(jià)比比較高。近些年來，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了較快發(fā)展，提高了步進(jìn)電機(jī)的性能，驅(qū)動(dòng)控制作用較大，除了功率放大電路以外，在相關(guān)軟件的支持下，其他功效都可以實(shí)現(xiàn)。由于步進(jìn)電機(jī)具有較高的使用價(jià)值，因而在有關(guān)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。為了進(jìn)一步提高步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用價(jià)值，在其設(shè)計(jì)過程中要投人更多的精力。在設(shè)計(jì)時(shí)，要保證最大靜力矩能夠滿足進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的空載快速啟動(dòng)力矩要求，步進(jìn)電機(jī)的步距角要滿足進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的要求，步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性和工作矩頻率特性必須滿足進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)對工作運(yùn)行力矩與運(yùn)行頻率、啟動(dòng)力矩與啟動(dòng)頻率的要求。在項(xiàng)目研究中，要盡量選取結(jié)構(gòu)較為緊湊、小步矩角及可靠性強(qiáng)步進(jìn)電機(jī)，并要優(yōu)化機(jī)磁路設(shè)計(jì)，進(jìn)而減少磁損，并確保不會占用過多空間，不會被電機(jī)的堵轉(zhuǎn)所影響，振動(dòng)小，使用壽命比較長。

3.2 觸摸屏設(shè)計(jì)與選型

人機(jī)界面是一類具有直觀性的操作單元，想要完成特定條件下的任務(wù)，僅僅需要PC通過人工手指觸摸畫面圖形對象即

文章編號：2095-6835（2015）12-0074-02

可。觸摸屏主要是人員的行為與機(jī)器行為達(dá)到統(tǒng)一，在此基礎(chǔ)上，使操作系統(tǒng)的操作更為簡單、自然與直接。由于數(shù)據(jù)信息不斷發(fā)生變化，因而需要操作或者監(jiān)控系統(tǒng)的用戶通過手指觸摸畫面圖像的上的按鈕、文本框及圖元等信息進(jìn)行處理。觸摸屏具有多種優(yōu)勢，不僅能夠節(jié)省空間，同時(shí)還具有堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)。在一般條件下，可以選用 MT4414T型號的觸摸屏。由于該觸摸屏的畫面較為細(xì)膩與逼真，具有加高的分辨率，因而可以為高效工作提供保障。

3.3 光纖傳感器的選型

待測量對光纖內(nèi)傳輸光波參量進(jìn)行調(diào)制，進(jìn)而得到了調(diào)制信號。該信號經(jīng)過光纖能傳輸?shù)焦馓綔y器進(jìn)行解調(diào)，從而獲取待測量值，這是光纖傳感器的工作原理。光纖傳感器和傳統(tǒng)類型的傳感器有所不同，它是把需要被測量的信號轉(zhuǎn)換成光信號，對檢測光強(qiáng)度變化進(jìn)行分析，進(jìn)而完成被測量的測量。現(xiàn)階段，光纖傳感器的應(yīng)用頻率越來越高，并且與工業(yè)生產(chǎn)息息相關(guān)。在本設(shè)計(jì)研究中，需要把光纖安裝在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所在的平面內(nèi)，從而能夠準(zhǔn)確地檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，從而對電機(jī)的進(jìn)給進(jìn)行控制。

4 結(jié)束語

在信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，機(jī)電一體化技術(shù)越來越受到廣泛關(guān)注。由于機(jī)電一體化定位裝置及其控制系統(tǒng)具有多種優(yōu)勢，功能較為強(qiáng)大，應(yīng)用頻率也在逐漸提高。我們需要對控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到優(yōu)化，從而使機(jī)電一體化定位裝置發(fā)揮出更大的價(jià)值。

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〔編輯：王霞〕