狹縫間液滴行為檢測實驗系統(tǒng)的開發(fā)

何利華，施錦磊，馮 凱，龔 適，倪 敬

（杭州電子科技大學機械工程學院，杭州 310018）

0 引言

機器中有許多不同形式的摩擦副，摩擦不僅會造成能量損失，還會引起零件表面發(fā)熱、磨損乃至失效［1］，故利用潤滑來減少摩擦、降低磨損［2-3］。利用微米級的油霧型液滴對摩擦副或切削區(qū)域進行有效的冷卻和潤滑，成為一種典型的綠色冷卻潤滑技術(shù)，受到科學界與產(chǎn)業(yè)界的認可［4］。與傳統(tǒng)的冷卻潤滑技術(shù)不同，油霧型潤滑大多以孤液滴的形式附著在零部件表面，滲入部件接觸區(qū)域的狹縫內(nèi)［5］。如對直齒輪進行油霧潤滑，隨著齒輪的不斷轉(zhuǎn)動，齒輪嚙合處將發(fā)生磨損并產(chǎn)生摩擦溫度，形成伴有溫度的嚙合間隙，間隙大小和角度不斷變化，潤滑液滴在伴有溫度的變間隙內(nèi)的行為演變將改變潤滑形態(tài)，導(dǎo)致潤滑效果發(fā)生改變，影響齒輪間的嚙合狀態(tài)［6-7］。同樣地，汽車零部件的切削加工大多采用微量潤滑，在伴有切削溫度的刀-工-屑狹縫中，切屑和工件的塑性變形將使得狹縫間隙的大小和角度不斷發(fā)生變化，影響潤滑液滴的行為狀態(tài)，無法達到有效的冷卻和潤滑［8-9］。可見，液滴在伴有摩擦溫度的狹縫間的狀態(tài)行為演變研究有助于進一步認識綠色冷卻潤滑技術(shù)。

液滴在狹縫間的演變行為研究涉及微納技術(shù)領(lǐng)域，而研究微米、亞微米甚至納米量級尺寸領(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代先進制造技術(shù)中占據(jù)了舉足輕重的地位，也開始逐漸滲入到高等機械工程教育中的各類課程，成為重要的教學內(nèi)容［10］。本文以油霧型液滴冷卻潤滑技術(shù)為研究背景，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力為目標，結(jié)合現(xiàn)代機電液一體化技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計了一套溫控下多角度變狹縫間液滴行為檢測教學實驗系統(tǒng)。該設(shè)計以工業(yè)PLC自動控制技術(shù)為基礎(chǔ)［11］，嵌入模糊PID控制理論［12］、精密傳感技術(shù)［13］、高速顯微檢測技術(shù)［14］以及機電傳動控制［15］等相關(guān)基礎(chǔ)知識，結(jié)合了《大學化學》《大學物理》《電子技術(shù)》《機電傳動控制》《機械工程控制基礎(chǔ)》等多學科綜合性實驗教學目的。該教學實驗系統(tǒng)應(yīng)用當前先進設(shè)備且涉及微納技術(shù)領(lǐng)域，使學生更加深刻了解到當前科學技術(shù)的發(fā)展，尤其是精密自動檢測技術(shù)，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和探索精神，鼓勵學生不斷思考、嘗試和努力解決實際工程問題，達到培養(yǎng)學生自主思考并創(chuàng)新性解決學習中的實踐問題的要求。

1 實驗系統(tǒng)原理與性能指標

1.1 實驗系統(tǒng)

溫控條件下多角度變狹縫間液滴行為演變檢測實驗裝置整體設(shè)計如圖1 所示，主要由狹縫間距與角度控制、模糊PID溫控以及液滴行為演變監(jiān)測等模塊組成。具體工作原理如下：

（1）狹縫間距與角度控制模塊工作原理。PLC通過高速脈沖輸出接口向伺服驅(qū)動器發(fā)送正向指令脈沖；伺服驅(qū)動器根據(jù)脈沖的頻率和數(shù)量，驅(qū)動并控制豎直伺服電動機Ⅰ，使其帶動豎直定位滑塊改變上、下載板的間距。電渦流間距傳感器可向PLC 實時反饋，形成閉環(huán)控制。上、下載板的距離可以從厘米級變化到微米級，甚至亞微米級，實現(xiàn)平板和狹縫間的形態(tài)切換。伺服驅(qū)動器通過PLC發(fā)送的脈沖指令驅(qū)動并控制水平伺服電動機Ⅱ動作，使其同步改變上、下載板間的傾斜角度，由編碼器實時反饋角度值，形成閉環(huán)控制。為方便觀察，可通過豎直定位滑塊上的量角器復(fù)查載板的傾斜角度。

圖1 實驗系統(tǒng)主體設(shè)計圖

（2）模糊PID溫控模塊工作原理。內(nèi)置加熱器必須達到快速預(yù)熱及精確控制。目前工程中應(yīng)用的PID控制可以達到精確的參數(shù)調(diào)節(jié)，但無法實現(xiàn)在設(shè)定溫度的小范圍內(nèi)緩慢調(diào)節(jié)，采用模糊PID 控制算法來實現(xiàn)該傳熱板的恒溫控制，其控制結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

模糊PID將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，其規(guī)律為：

式中：u（t）為PID 調(diào)節(jié)器輸出；e（t）為PID 調(diào)節(jié)器輸入；Kp是比例系數(shù)，Ki為積分時間常數(shù)，Kd為微分時間常數(shù)。

該方法主要是根據(jù)預(yù)設(shè)溫度誤差e和誤差變化率ec，利用模糊控制器在線修改PID 控制中的參數(shù)Kp、Ki、Kd，以滿足在不同e和ec時對控制參數(shù)有不同的要求，獲得控制量u（t），完成對加熱器的恒溫控制，控制傳熱板的溫度和液滴溫度。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對被控對象的最優(yōu)控制。

（3）液滴行為演變監(jiān)測模塊工作原理。本實驗系統(tǒng)適用于不同黏度的液體檢測。當上、下載板形成狹縫時，液滴在狹縫間的行為將發(fā)生不同的演變；當狹縫出現(xiàn)角度變化時，液滴受重力及載板剪切力的影響也將發(fā)生不同的演變。采用VW-9000E 高速顯微鏡可實現(xiàn)對狹縫間液滴行為狀態(tài)進行實時監(jiān)測，如圖3 所示。

圖3 液滴行為演變監(jiān)測模塊設(shè)計

對高速顯微鏡拍攝的圖像進行液滴輪廓提取，即可得到液滴的流動形態(tài)和靜止形態(tài)。比較相鄰兩幀圖像液滴在水平方向上的距離變化，根據(jù)顯微鏡的采樣時間即可得到液滴在水平方向上的即時速度，同理可以得到液滴在垂直方向上的即時速度。

1.2 實驗系統(tǒng)的具體性能指標

本實驗系統(tǒng)主要性能指標如下：

①溫控箱溫控范圍：－10～120°C；

②帶編碼器的水平伺服電動機帶動載板傾斜的傾斜范圍：－60°～60°；

③微調(diào)旋鈕每轉(zhuǎn)一圈，豎直定位塊上下移動的距離為1 mm；

④電渦流間距傳感器量程：0～1 mm，±0.4 μm。

2 實驗系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

狹縫間距與角度控制模塊是本實驗裝置的核心機械部件。

2.1 狹縫間距結(jié)構(gòu)

狹縫間距控制模塊結(jié)構(gòu)由帶編碼器的豎直伺服電機Ⅰ、滑塊導(dǎo)向座、微調(diào)旋鈕、上載板支架座和電渦流傳感器組成，如圖4 所示。

滑塊導(dǎo)向座安裝在支架側(cè)面且與立柱相對，其側(cè)面設(shè)有限位凸起，下端標有刻度，使其可在豎直支架上精準滑動；帶編碼器的伺服電動機Ⅰ安裝在滑塊導(dǎo)向座上方，并通過滾珠絲杠帶動上載板支架座沿著滑塊導(dǎo)向座上下移動，微調(diào)旋鈕安裝在滑塊導(dǎo)向座側(cè)面，實現(xiàn)大間距快速調(diào)整；電渦流傳感器安裝在上載板邊緣處，將實時數(shù)據(jù)反饋給PLC，實現(xiàn)上、下載板間的設(shè)定間距精準控制。

2.2 角度偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖4 狹縫間距控制模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

狹縫角度控制模塊結(jié)構(gòu)由帶編碼器的水平伺服電動機Ⅱ、電動機座、上載板、下載板、電磁鐵、內(nèi)置傳熱器和溫控箱組成，如圖5 所示。

圖5 狹縫角度控制模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計（帶溫控箱）

上載板與下載板之間通過電磁鐵與兩個小型鉸鏈相連，形成連桿結(jié)構(gòu)：當電磁鐵處于開路狀態(tài)時，上載板可通過卡槽形式上下移動；當電磁鐵處于接通狀態(tài)時，上載板與電磁鐵固定，實現(xiàn)上下載板聯(lián)動。帶編碼器的水平伺服電動機Ⅱ安裝在電動機座上，電動機軸通過減速裝置與內(nèi)置傳熱板固定，通過電動機軸的旋轉(zhuǎn)可改變內(nèi)置傳熱板與下載板的傾斜角度，電磁鐵接通并帶動上載板移動。在上載板支座架的下端刻有分度線，可實時讀取載板的傾斜角度。

3 實驗系統(tǒng)電氣控制

3.1 電氣系統(tǒng)

（1）嵌入式軟PLC 控制系統(tǒng)。根據(jù)實驗系統(tǒng)的間距、角度和溫度控制需求，設(shè)計了一套嵌入式軟PLC控制系統(tǒng)，如圖6 所示。

該系統(tǒng)主要是由SMART-HMI 人機界面，S7-200系列PLC，模擬量I／O 擴展模塊，數(shù)字量I／O 擴展模塊、伺服驅(qū)動器，伺服電動機，電渦流傳感器和溫度控制器組成。在Windows操作系統(tǒng)中利用STEP7-Micro／Win軟件進行順序控制的設(shè)計及PLC 編程，其中系統(tǒng)程序以梯形圖的方式進行編程，將編譯結(jié)果寫入PLC；利用WinCC flexible SMART V3 軟件進行觸摸屏界面設(shè)計并寫入觸摸屏設(shè)備，使人機交流更加友好。伺服系統(tǒng)選擇ASDA-A3 系列，PLC發(fā)出的電信號通過驅(qū)動器，實現(xiàn)對伺服電動機的控制。PLC 通過模擬量I／O擴展模塊實現(xiàn)對上、下載板間距（電渦流傳感器）和溫控箱溫度（熱電偶）進行實時采集；經(jīng)過A／D 轉(zhuǎn)換和PID運算后，通過數(shù)字量I／O 擴展模塊對加熱器的輸出功率進行控制，實現(xiàn)恒溫控制。

圖6 實驗系統(tǒng)控制原理設(shè)計

具體實驗系統(tǒng)的硬件配置及其相關(guān)具體參數(shù)見表1。

表1 PLC控制系統(tǒng)元器件配置

（2）伺服電動機的驅(qū)動和控制回路。圖7 為實驗系統(tǒng)中伺服電動機的驅(qū)動和控制回路，由強電回路和控制回路組成。強電回路主要為主電路電源和電動機供電電路，即通過伺服驅(qū)動器的R、S、T端子經(jīng)由低壓斷路器MCCB 和接觸器MC 接入三相電，在通過伺服驅(qū)動器的U、V、W端子接通伺服電動機繞組。控制回路主要包括控制回路電源輸入端（L1C、L2C）、編碼器位置輸出端、編碼器連接器（CN2）、Mini USB 連接器（CN4）和位置反饋信號接頭（CN5）。其中，L1C和L2C端子連接單相交流電源，實現(xiàn)伺服驅(qū)動器主電路電源輸入回路；編碼器位置輸出端為伺服驅(qū)動器I／O 端子的一部分，實現(xiàn)將編碼器的A、B、Z信號以差動方式輸出；CN2 接口與伺服電動機的編碼器連接，實現(xiàn)電動機上的編碼器信號回路；CN4 串行通訊端口與PC 軟件連接，實現(xiàn)PC控制信號回路；CN5 接口鏈接外部位置反饋，與伺服形成全閉環(huán)的控制回路。

圖7 伺服電動機的驅(qū)動與控制回路原理圖

（3）信號控制回路。根據(jù)實驗系統(tǒng)對狹縫間距、內(nèi)置傳熱板溫度以及溫控箱的設(shè)計要求，設(shè)計了如圖8 所示的電渦流位移傳感器、溫度傳感器以及加熱器的信號控制回路。其中模擬信號輸入，傳感器通過屏蔽雙絞線與PLC中模擬量I／O擴展模塊通道連接；雙絞線的屏蔽層與接地端（PE）連接。

圖8 實驗系統(tǒng)模擬信號采樣與控制原理圖

3.2 PLC控制軟件設(shè)計

在PC機中，采用STEP 7-Micro／WIN編程軟件，進行實驗系統(tǒng)的工作流程設(shè)計，溫控下多角度變狹縫間液滴行為檢測實驗系統(tǒng)的自動控制流程如圖9 所示。

該控制軟件主要由點動控制、自動控制和參數(shù)設(shè)置等子程序組成。

點動控制子程序主要用于設(shè)備調(diào)試以及維護的情況下使用，能夠分別實現(xiàn)對狹縫間距和載板傾角等執(zhí)行元件單獨點對點的控制，是實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)構(gòu)成。

圖9 系統(tǒng)自動控制流程圖

自動控制子程序是根據(jù)設(shè)定的溫度、角度、間距等參數(shù)進行自動運行，同時對傳熱板溫度、偏轉(zhuǎn)角度、狹縫間距進行實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行運行誤差補償。該子程序是本實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵程序，提供了參數(shù)自動檢測和判斷功能，提供了性能評價和狀態(tài)報警功能。

參數(shù)設(shè)置子程序是根據(jù)實驗需求進行參數(shù)設(shè)定，但不能超過測量范圍，否則系統(tǒng)報警提示。

3.3 人機界面

在PC 機中，采用SMART 系列編輯軟件WinCC flexible SMART V3 編寫觸摸屏界面。根據(jù)實驗系統(tǒng)自動控制流程的設(shè)計思路，設(shè)計了相應(yīng)的點動控制界面和自動控制界面。

點動測試界面可點動控制狹縫間距和載板傾角的微動控制，可以檢查執(zhí)行單元是否正常工作。

自動控制界面是用于控制實驗系統(tǒng)所有子程序協(xié)同工作的界面，包括自動運行過程中根據(jù)設(shè)定參數(shù)實時記錄溫度和間距的數(shù)據(jù)、實時記錄參數(shù)的變化。圖10為實驗系統(tǒng)自動運行時的系統(tǒng)界面，包括當前參數(shù)、溫度監(jiān)測、距離監(jiān)測、參數(shù)設(shè)定，還包括自動運行、自動停止按鍵和系統(tǒng)運行、報警、停止指示燈。

4 實驗設(shè)計

根據(jù)實驗系統(tǒng)的組成與特點，可進行的教學實驗如下：

（1）基于交流伺服電動機的機電傳動控制實驗。本實驗可配合《機電傳動控制》這門專業(yè)必修基礎(chǔ)課進行課程設(shè)計，特別是針對交流伺服電動機的實驗指導(dǎo)。結(jié)合本實驗系統(tǒng)所選用的伺服系統(tǒng)，使學生更加深刻地理解單相交流伺服電動機的組成、配線、安裝調(diào)試過程及其工作原理，提高感性認識和解決問題的能力，更好地掌握機電傳動理論知識。

圖10 實驗系統(tǒng)自動控制監(jiān)控界面

（2）基于可編程控制器的PLC 編程實驗。本實驗將以可編程控制器為對象，了解PLC 的基本概況，包括其組成、功能、工作方式、軟件介紹等，完成可編程控制器的安裝與維護；利用編程軟件了解并熟悉梯形圖的設(shè)計和編程方法，并結(jié)合本實驗裝置的硬件組成完成基本指令的編程練習、電動機正反轉(zhuǎn)實驗、電動機順序啟動實驗等，使學生了解軟件編程能力和邏輯思維能力，更深刻地認識數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)的相關(guān)基礎(chǔ)知識。

（3）基于電渦流效應(yīng)原理的位移測量實驗。本實驗的原理為：通過高頻電流的線圈產(chǎn)生磁場，當有導(dǎo)電體接近時，因?qū)щ婓w渦流效應(yīng)產(chǎn)生渦流損耗，而渦流損耗與導(dǎo)電體離線圈的距離有關(guān)，故可進行位移測量。利用本實驗系統(tǒng)中的電渦流傳感器，使學生充分了解電渦流位移傳感器的工作原理和電渦流效應(yīng)的應(yīng)用以及接觸特性阻抗的變化特性和影響因素，培養(yǎng)學生的科學實驗精神，鞏固學生的理論知識。

（4）基于模糊PID溫度控制實驗。本實驗可配合《機械工程控制基礎(chǔ)》這門專業(yè)必修基礎(chǔ)課進行課程設(shè)計。區(qū)別于常規(guī)的PID 控制，在受到環(huán)境等非線性因素的影響時，模糊PID 控制可保證實驗系統(tǒng)具有自適應(yīng)控制能力。通過對PID控制算法和模糊理論的講解，使學生了解模糊自適應(yīng)PID控制理論，通過本實驗系統(tǒng)的實際操作，建立合適的模糊規(guī)則推理出合適的系統(tǒng)誤差及誤差變化率，進行參數(shù)調(diào)整，使學生更深層次地理解PID控制中的比例、積分和微分參數(shù)，明確各項性能指標的含義，加深學生對經(jīng)典控制理論的掌握，豐富學生的實踐經(jīng)驗。

（5）液滴行為演變觀測實驗。利用本實驗系統(tǒng)，針對不同配比、不同性能的溶液液滴，通過高速顯微鏡對液滴形態(tài)以及液跡輪廓進行觀測，對比并測量相鄰幀數(shù)的液跡狀態(tài)，用以得出液滴的行為演變過程與即時速度，從而培養(yǎng)學生自我分析和解決問題的能力。

5 結(jié)語

本文所設(shè)計的溫控下多角度變狹縫間液滴行為檢測實驗系統(tǒng)，具有以下的特色：

（1）融合了PLC 控制、電伺服驅(qū)動、模糊PID 溫度控制、電渦流位移傳感等機電液一體化控制技術(shù)，內(nèi)容涵蓋涉及《機電傳動控制》《機械工程控制基礎(chǔ)》《大學物理》等課程內(nèi)容，能夠有效滿足不同高等院校完成經(jīng)典機電伺服傳動控制、PLC編程設(shè)計、電渦流位移傳感檢測和模糊PID溫度控制等基礎(chǔ)性教學實驗。

（2）集電伺服驅(qū)動機構(gòu)、電子元器傳感技術(shù)、PLC控制系統(tǒng)、PC軟件編程技術(shù)和高速顯微檢測技術(shù)于一體，軟硬件豐富，功能完備，實訓難易程度可根據(jù)教學目標、教學對象進行靈活調(diào)整，具有較好的教學實驗設(shè)備先進性，能有效滿足大學生在不同階段的能力培養(yǎng)。

（3）該實驗系統(tǒng)屬于微納系統(tǒng)研究領(lǐng)域，特別針對不同配比、不同特性的溶液液滴進行狹縫特性檢測，根據(jù)檢測需求設(shè)定狹縫間距、傳熱板溫度、載板傾角，觀測液滴行為演變，開展各因素對液滴行為演變影響的數(shù)據(jù)分析和討論，能有效滿足大學生以及研究生培養(yǎng)所需的實驗設(shè)備要求，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代機電液一體化控制技術(shù)水平，具有較高的實驗和研究應(yīng)用價值。