機(jī)電一體化精確定位裝置研究

廣東省輕工業(yè)技師學(xué)院 馮國斌

機(jī)電一體化最早的研究可追溯到日本，由三菱重工發(fā)起，是電子技術(shù)向傳統(tǒng)機(jī)械領(lǐng)域滲透之后的一種革命性產(chǎn)物?？v觀機(jī)電一體化的發(fā)展大致可以分為三個(gè)節(jié)點(diǎn)：初期節(jié)點(diǎn)（20世紀(jì)初）主要是以電子技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)備的初步優(yōu)化為主要表征；中期節(jié)點(diǎn)（20世紀(jì)中后期）主要是以計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的初步植入為表征；成熟期節(jié)點(diǎn)（20世紀(jì)末）主要是以控制技術(shù)向智能化邁進(jìn)為表征。隨著機(jī)電一體化的成熟期的到來，其在模塊化、智能化及網(wǎng)絡(luò)化、微型化及系統(tǒng)化方面的特征越發(fā)地明顯。我國的機(jī)電一體化研究起步稍晚，隨著經(jīng)濟(jì)及技術(shù)的同時(shí)發(fā)力，大有迎頭趕上之勢。

1 機(jī)電一體化的精確定位裝置構(gòu)成

機(jī)電一體化設(shè)備裝置相對(duì)復(fù)雜，裝置的結(jié)構(gòu)和功能也相對(duì)多樣，在工作中系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)間的相互轉(zhuǎn)換和傳遞作用可得到有效發(fā)揮，動(dòng)力學(xué)的功能也可給機(jī)電設(shè)備帶來動(dòng)力。機(jī)電一體化的精確定位設(shè)備主要由機(jī)械與電控兩個(gè)關(guān)鍵組成部分共同組合而成。

帶有滾珠螺旋絲杠。其中在各個(gè)機(jī)械零件的構(gòu)成上，由于滾珠絲杠是精準(zhǔn)的定位設(shè)備，所以滾珠絲杠本身就是一個(gè)關(guān)鍵的傳動(dòng)部件，在對(duì)此種傳動(dòng)的準(zhǔn)確性和精度上如果加強(qiáng)控制也就比較重要[1]。滾珠絲杠在實(shí)際的操作中，滾珠絲杠副之間的空氣壓力和運(yùn)動(dòng)通過絲杠與滾珠以及逆向器等的接觸而傳遞到電路上。滾珠與絲杠之間的接觸應(yīng)力之間存在著較大差別。

聯(lián)軸器。機(jī)電一體化設(shè)備中的聯(lián)軸器同樣也是很重要的部位，在精準(zhǔn)定位設(shè)備中的聯(lián)軸器是為了充分地發(fā)揮軸與動(dòng)力之間的相互連接功能，然后進(jìn)行分離和處理并針對(duì)動(dòng)力進(jìn)行傳遞和中斷。聯(lián)軸器件零部件的結(jié)構(gòu)種類較多，聯(lián)軸器在工業(yè)實(shí)踐和實(shí)際應(yīng)用中主要設(shè)計(jì)目的之一是為了能起到振動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹饕δ?，以及通過直接改變整個(gè)軸承傳動(dòng)關(guān)系結(jié)構(gòu)來防止產(chǎn)生軸承共振提高轉(zhuǎn)速。而且這個(gè)聯(lián)軸器還不僅可以有效地得到緩和軸上的巨大扭轉(zhuǎn)力和沖擊，對(duì)于整個(gè)扭轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)也同樣可以有效地得到減輕，所以針對(duì)這個(gè)點(diǎn)的零件就要充分重視。

對(duì)于機(jī)電結(jié)合一體化的各種精確定位驅(qū)動(dòng)設(shè)備和控制裝置的整體構(gòu)成當(dāng)中的各種電控控制系統(tǒng)部分來說，也是比較重要的，這其中常見的各種步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)元件便是這種數(shù)碼驅(qū)動(dòng)控制重要的組成元件，在精確控制步進(jìn)線圈運(yùn)動(dòng)中的控制脈沖移動(dòng)次數(shù)以及控制脈沖移動(dòng)頻率時(shí)，對(duì)于這些步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高速移動(dòng)就有可能地直接得到了有效的數(shù)碼控制?？赏ㄟ^目標(biāo)軟件編程對(duì)用于步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的一個(gè)環(huán)形單相脈沖信號(hào)分配器的實(shí)際應(yīng)用以及目標(biāo)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

在具體進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，先對(duì)其輸入一個(gè)新的單相環(huán)形脈沖字符串，然后根據(jù)脈沖轉(zhuǎn)向以及脈沖工作的運(yùn)動(dòng)方式依次將其進(jìn)行連接，安裝到用于步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的各相脈沖繞組上的功率濾波放大器上進(jìn)行分配環(huán)形脈沖，從而就能夠有一種可率又能夠直接地使其形成一個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的環(huán)形磁場?？赏ㄟ^利用下載該軟件工具，來對(duì)使得步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的各個(gè)環(huán)形驅(qū)動(dòng)脈沖控制分配器的工作方法時(shí)序進(jìn)行綜合加以研究設(shè)計(jì)和分析實(shí)現(xiàn)，時(shí)序控制脈沖的自動(dòng)產(chǎn)生，對(duì)使得步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)各相應(yīng)的繞組依次進(jìn)行通電，脈沖輸出頻率的自動(dòng)調(diào)整和脈沖控制這一系列關(guān)鍵技術(shù)的綜合運(yùn)行，會(huì)更好地有助于使步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)脈沖控制系統(tǒng)工作效率的技術(shù)水平得到極大提高。

2 機(jī)電融合一體化高度精準(zhǔn)定位控制設(shè)備的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)電傳動(dòng)一體化受力精確定位傳動(dòng)裝置絲桿控制結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)與控制工作在交際實(shí)施的設(shè)計(jì)過程中，在對(duì)受力精確定位傳動(dòng)裝置控制絲桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制工作結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)施時(shí)，要特別重視對(duì)定位裝置的主要產(chǎn)品型號(hào)及其主要技術(shù)參數(shù)的準(zhǔn)確掌握與充分了解：工作設(shè)計(jì)步驟300mm；快速給料推進(jìn)時(shí)的給料輸送速度10m/min；快推進(jìn)給給料系統(tǒng)上的給料總重15kg；精確定位精度0.016mm；受力重復(fù)傳動(dòng)定位精度0.007mm；在對(duì)受力滾珠傳動(dòng)絲杠副的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，就要特別注重對(duì)受力荷載具體位置相關(guān)信息資料的準(zhǔn)確把握，對(duì)最低受力載荷、最大受力負(fù)載都一定要及時(shí)做出明確的資料描述。

由于新型滾珠傳動(dòng)絲杠副部件，是機(jī)電傳動(dòng)一體化的一種精確定位加工設(shè)備驅(qū)動(dòng)裝置當(dāng)中的一個(gè)由其核心部分組成的零部件，對(duì)其精確定位的是否準(zhǔn)確性也對(duì)其有直接的作用影響，所以在其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就要充分全面地進(jìn)行考慮。對(duì)軸承滾珠螺桿絲杠副的直接支撐結(jié)構(gòu)形式和操作方法必須要做到能夠清晰，以及采用預(yù)緊型的支撐形式和方法支撐性在軸承上都必須要做到能夠切實(shí)做到角度確定化，滾珠螺桿絲杠的直接支撐也就是可以直接采用通過角度相接觸的鋼球來對(duì)軸承部件進(jìn)行直接應(yīng)用，在其當(dāng)中剛性較大，力矩不那么小。

機(jī)電融合一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中針對(duì)觸摸屏進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型也比較關(guān)鍵，這一部分設(shè)計(jì)組成具有人機(jī)交互界面功能的操縱單元，對(duì)于完成相應(yīng)任務(wù)具有著堅(jiān)實(shí)而深刻的基礎(chǔ)意義。在對(duì)觸摸屏進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造過程中，要充分注意到它所設(shè)計(jì)的個(gè)性化，讓整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行操作的簡便化以及直觀化等特點(diǎn)得到鮮明地呈現(xiàn)。觸摸屏的廣泛應(yīng)用可有效節(jié)約空間，實(shí)際使用價(jià)值較大，第一觸安裝在顯示屏的顯示表面檢查裝置上，對(duì)于檢測到的信息傳遞給送觸摸屏控制器具有著積極的作用和發(fā)揮，再通過第二人機(jī)界面控制器的廣泛應(yīng)用，對(duì)自動(dòng)化畫面的觸摸檢測單位的觸摸信息進(jìn)行及時(shí)性的收集，并能將其中的信息轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)，從而對(duì)其進(jìn)行處理和執(zhí)行命令。

機(jī)電一體化的精確定位設(shè)備控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專用，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)是比較重要的。這一模型的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡便化，并有非常高的性價(jià)比，應(yīng)用價(jià)值也較大。在具體的技術(shù)設(shè)計(jì)以及實(shí)施操作過程中，要從多個(gè)因素方面入手后再對(duì)其進(jìn)行深入考慮。首先需考慮的是最大平靜傳動(dòng)力矩和最大前置式液壓進(jìn)給液力傳動(dòng)系統(tǒng)的最大空載快速運(yùn)動(dòng)起步時(shí)力矩的綜合要求，需能很好地同時(shí)滿足空載當(dāng)量的速度要求及高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的頻率等一系列技術(shù)要求。而且該機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加小巧，所以它需同時(shí)占用的內(nèi)部空間也更加相對(duì)小，空間的使用單位和所輸送出的功率也因此得到有效改善。

采用單相或雙相單齒輪流驅(qū)動(dòng)通電的計(jì)算方式，這時(shí)一個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)每齒輪旋轉(zhuǎn)一個(gè)步進(jìn)動(dòng)作所走時(shí)需要的通電步數(shù)約為2mz 步，通電量的步數(shù)分配計(jì)算方式也被稱為2m 步進(jìn)狀態(tài)只有m 相，即2m 的步進(jìn)狀態(tài)只有m 相，例如a-a+-a+b+-b+-b+a-a-a-b-a-a+，由此可直接得到計(jì)算出的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)每齒輪旋轉(zhuǎn)一個(gè)動(dòng)作和每走一步的相鄰步數(shù)間距，即角度abb=它的齒輪步距/每拍節(jié)拍的位數(shù)(它的步數(shù))=3600/(zx 的節(jié)拍數(shù))=3600/zkm，式中a 和k 為0，表示它的狀態(tài)系數(shù)，k=1表示與旋轉(zhuǎn)相鄰兩次動(dòng)作通電的相鄰步數(shù)一致，例如兩種通電方式下的a 和都為b；反之則a 和k=2，如在其他兩種方式下a 和k=2，如在其他兩種方式下b 和c[2-3]。

機(jī)電一體化精確定位設(shè)備在結(jié)構(gòu)方面的研究和應(yīng)用過程中，對(duì)于通信電纜的選擇也是相當(dāng)關(guān)鍵。plc 的類型己確定fx3u-64mt/ds，采用直接rs232專用電訊通信單元sipabc 實(shí)用連接電纜到siplc 的專用通訊控制單元，也就是可通過連接rs232通訊單元電纜之間直接電纜進(jìn)行通訊信息的直接傳送，如sipc、文字信號(hào)輸出通訊裝置和數(shù)字條形式編碼數(shù)據(jù)讀寫機(jī)等，本通訊裝置也是用它們之間來直接進(jìn)行專用通信。要特別留意注重對(duì)無線通訊數(shù)據(jù)格式的正確選取，采用a/d8120格式。

對(duì)工業(yè)光纖光波傳感器的調(diào)制選型也是比較重要的問題，光纖光波傳感器在目前的工業(yè)應(yīng)用中最大的優(yōu)點(diǎn)，是可通過對(duì)連接光纖內(nèi)部的一個(gè)待發(fā)探測數(shù)據(jù)對(duì)接收光波的各種參量參數(shù)進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，從而通過計(jì)算可以得到與其參量相應(yīng)的調(diào)制信號(hào)，在這一個(gè)調(diào)制信號(hào)被直接傳輸出來給連接光纖的探測器之后，便已經(jīng)能夠?qū)ζ鋽?shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)。

綜上，機(jī)電一體化精確定位裝置的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)的工程，需要從多方面予以考慮，要能夠在設(shè)計(jì)完成之后實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行上的科學(xué)性、合理性、穩(wěn)定性及安全性，以此來保障這一系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中能夠發(fā)揮出應(yīng)有的價(jià)值。通過機(jī)電一體化精確定位裝置設(shè)計(jì)內(nèi)容的分析，進(jìn)一步豐富了理論研究，也為精確定位裝置的實(shí)踐提供了一定的參考。