基于楔形傳動(dòng)的電子機(jī)械線控制動(dòng)系統(tǒng)研究

楊忠明

（蘭州生產(chǎn)力促進(jìn)中心，甘肅 蘭州 730030）

隨著電子機(jī)械線控技術(shù)快速發(fā)展，對(duì)線控制動(dòng)系統(tǒng)要求越來(lái)越高。在工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)器設(shè)備一般是由人工操作、手動(dòng)操縱和自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。傳統(tǒng)意義上的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要依靠人為操控進(jìn)行，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器運(yùn)作過(guò)程中所需要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)；現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)，對(duì)自動(dòng)化程度及智能化水平提出了更高要求。為滿足這一需求并使其能夠更好地服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，需要對(duì)機(jī)械線控制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 電子機(jī)械線控制動(dòng)系統(tǒng)

電子機(jī)械線控制動(dòng)系統(tǒng)是由一個(gè)可控的控制器對(duì)帶板和電動(dòng)機(jī)等部件進(jìn)行精確位置測(cè)量、角度計(jì)算以及角度顯示，并將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)形式，再通過(guò)數(shù)字化信息傳遞給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)輸出脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路調(diào)制。當(dāng)兩個(gè)步進(jìn)軸上存在相同速度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其旋轉(zhuǎn)角相對(duì)固定，此時(shí)，兩脈沖信號(hào)輸入單片機(jī)內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生兩次相反的頻率差；而當(dāng)兩個(gè)步進(jìn)軸上沒(méi)有類(lèi)似速度輸出時(shí)，則為0 V=5 v-3 h之比電壓大小是1 K/mA。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向與定子旋轉(zhuǎn)角相對(duì)一致時(shí)，輸出脈沖信號(hào)，從而控制電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

電子機(jī)械線控制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與方程如式（1）：

式（1）中，I 為電機(jī)的線圈端電流；v 為輸入的控制信號(hào)；kk為控制信號(hào)與線圈端電流之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，單位為A/V。

電機(jī)內(nèi)部磁通恒定，則其電磁驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩如式（2）：

式（2）中，Te 為電機(jī)內(nèi)部電磁驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；Cm 為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，單位為N·m/A。

當(dāng)電機(jī)控制器根據(jù)輸入的控制信號(hào)，向電機(jī)供給相應(yīng)的電流，隨直流力矩電機(jī)模型電樞電壓變化，為電動(dòng)機(jī)提供穩(wěn)定的電機(jī)線圈端電流收到相應(yīng)信號(hào)，如公式（1）所示，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部磁通保持恒定，使電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電磁驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩發(fā)生反應(yīng)，如公式（2）所示。在研究過(guò)程中，利用傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方法，結(jié)合下一步所需數(shù)據(jù)建立基于楔形傳動(dòng)特性曲線的單自由度梯形斜面運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械線方向性力矩可調(diào)、角度可控及滑塊移動(dòng)時(shí)穩(wěn)定性等方面的研究。

2 電子機(jī)械線控制動(dòng)器構(gòu)型分析

2.1 串聯(lián)直驅(qū)構(gòu)型

串聯(lián)直驅(qū)式電子機(jī)械線控制動(dòng)器是當(dāng)前研究和應(yīng)用最多的一種，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)比較緊密，與常規(guī)的液壓制動(dòng)鉗相比差別不大，在傳統(tǒng)的制動(dòng)式基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)較方便，但存在一些弊端，由于電機(jī)、減速器、滾珠絲杠等軸向串聯(lián)且橫向排列，所以占用輪腔內(nèi)軸向空間較多，容易干擾輪腔內(nèi)部的其他部件，因此一般的解決辦法是采用專(zhuān)用的大直徑電機(jī)，許多研究結(jié)果都是采用大減速比驅(qū)動(dòng)的低速大轉(zhuǎn)矩直流電動(dòng)機(jī)，但由于此類(lèi)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率、額定轉(zhuǎn)速偏低，使實(shí)際制動(dòng)力響應(yīng)偏慢。

圖1 串聯(lián)直驅(qū)構(gòu)型

2.2 楔形自增力構(gòu)型

楔形自增力結(jié)構(gòu)緊湊，可以充分利用楔塊的作用，從而可以應(yīng)用更大的傳動(dòng)比，使電子機(jī)械的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)力，使輪子地夾緊變緊，通常使用低功率的小型電動(dòng)機(jī)配合低檔滾珠絲杠，以驅(qū)動(dòng)楔形塊。其制動(dòng)器系數(shù)如式（3）：

其中，F(xiàn)b為制動(dòng)盤(pán)切向力，F(xiàn)screw為電機(jī)經(jīng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)化后的推力，α 為楔塊夾角，m 為制動(dòng)盤(pán)與摩擦片的摩擦系數(shù)。

隨著公式（3）的逼近，放大系數(shù)的變化趨勢(shì)是無(wú)窮大的，楔形塊與摩擦片、閘板之間就會(huì)無(wú)窮夾緊，也就是所謂的“死點(diǎn)”。為防止剎車(chē)出現(xiàn)“死點(diǎn)”，必須在系統(tǒng)接近“死點(diǎn)”時(shí)對(duì)楔形塊施加反作用力。由于“死點(diǎn)”的位置與摩擦因數(shù)有關(guān)，并且在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)摩擦、沾污、磨損等問(wèn)題，所以很難對(duì)“死點(diǎn)”進(jìn)行精確監(jiān)控，既需要高精度、高響應(yīng)速度的壓力傳感器，又需要有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)估算法。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上，由于其特殊的外形和摩擦片變形，使其運(yùn)動(dòng)軌跡較為復(fù)雜，難以進(jìn)行約束結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2.3 單浮動(dòng)楔形傳動(dòng)增力構(gòu)型

基于上述兩種方案，現(xiàn)介紹一種基于楔型驅(qū)動(dòng)的電子機(jī)械式電子機(jī)械制動(dòng)器——單浮動(dòng)楔型傳動(dòng)增力機(jī)構(gòu)，如圖2 所示。該結(jié)構(gòu)通過(guò)電動(dòng)機(jī)-減速-滾珠-螺桿的運(yùn)動(dòng)變換，把電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化成線性動(dòng)力；采用橫向傳動(dòng)裝置，電機(jī)、減速器、滾珠絲桿均能橫向排列于車(chē)輪內(nèi)部，從而降低車(chē)輪內(nèi)部的軸向空間；采用楔型驅(qū)動(dòng)原理，實(shí)現(xiàn)大減速比；在活塞上施加徑向約束，可有效防止因自增力作用而產(chǎn)生的“死點(diǎn)”，從而使壓力更容易控制，而且相對(duì)于自增力類(lèi)型，具有更好的穩(wěn)定性。

圖2 單浮動(dòng)楔形傳動(dòng)增力構(gòu)型

3 電子機(jī)械線控制動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析

3.1 電子機(jī)械線控制動(dòng)系統(tǒng)模型

研究電子機(jī)械線控制動(dòng)系統(tǒng)是為了解決如何在二維平面內(nèi)對(duì)帶傳動(dòng)比一級(jí)、二級(jí)齒輪齒數(shù)及不同位置上的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。（1）對(duì)于第一個(gè)基于楔形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造出來(lái)的線控制動(dòng)系統(tǒng)，其二維空間可以進(jìn)行無(wú)限延伸，這樣就會(huì)產(chǎn)生很大變幅。因此需要利用楔型結(jié)構(gòu)來(lái)改變傳統(tǒng)機(jī)械線控制動(dòng)系統(tǒng)中的縱向運(yùn)動(dòng)副鏈條，從而達(dá)到調(diào)整傳動(dòng)比級(jí)和減小傳動(dòng)距離的目的。（2）對(duì)于第二個(gè)基于梯形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造出來(lái)的電子機(jī)械線控制動(dòng)系統(tǒng)，可以通過(guò)改變斜楔形機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)帶傳動(dòng)比一級(jí)齒輪齒數(shù)及不同位置上電機(jī)轉(zhuǎn)速地調(diào)節(jié)；或者直接利用滑塊和導(dǎo)板之間的摩擦力進(jìn)行調(diào)整。（3）對(duì)于第一個(gè)基于滑塊的控制動(dòng)系統(tǒng)，可以利用楔形機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)帶傳動(dòng)比一級(jí)齒輪齒數(shù)及不同位置上電機(jī)轉(zhuǎn)速地調(diào)節(jié)。

3.2 楔形傳動(dòng)電子機(jī)械線控制動(dòng)系統(tǒng)的建立

通過(guò)對(duì)楔形傳動(dòng)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和計(jì)算，來(lái)利用電子機(jī)械線實(shí)現(xiàn)控制。首先建立一個(gè)虛擬的控制系統(tǒng)。先為控制器件完成系統(tǒng)初始設(shè)置；楔形傳動(dòng)電子機(jī)械線控制動(dòng)系統(tǒng)控制器件系統(tǒng)初始設(shè)置。然后再完成電機(jī)正反轉(zhuǎn)、加速減速等子程序設(shè)定；最后將數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)中進(jìn)行處理后得到最終輸出驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電脈沖信號(hào)，通過(guò)放大電路和功率模塊實(shí)現(xiàn)控制命令下達(dá)并由伺服驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行相應(yīng)操作動(dòng)作。通過(guò)單片機(jī)將數(shù)據(jù)處理后得到的結(jié)果輸出驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。本設(shè)計(jì)要求在對(duì)楔形傳動(dòng)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)定時(shí)，以芯片做為控制器件，再利用執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)控制命令下達(dá)并由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊完成相應(yīng)操作。

3.3 電子機(jī)械線控制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真

在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，需要考慮以下問(wèn)題：（1）對(duì)于一個(gè)控制動(dòng)系統(tǒng)，要保證其動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性和準(zhǔn)確性，就要求在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用多臺(tái)控制器同時(shí)作為上位機(jī)。通過(guò)串口通訊模塊將程序發(fā)送給中央控制系統(tǒng)（PLC）；再由計(jì)算機(jī)根據(jù)指令執(zhí)行單元輸出相應(yīng)動(dòng)作，來(lái)實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)關(guān)系及動(dòng)力學(xué)特性等特征信號(hào)傳遞方式，稱為電子機(jī)械線控制動(dòng)系動(dòng)力耦合，它不僅可以使整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)速度加快、動(dòng)態(tài)性和準(zhǔn)確性高，而且可以保證整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和動(dòng)力學(xué)特征。（2）為了使電子機(jī)械線控制動(dòng)系在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持良好的平衡性，必須要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。由于整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多變量控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)和控制特性都非常靈活。因此，在對(duì)電子機(jī)械線運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)必須考慮以下問(wèn)題：（1）在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡可能使輸入量少一些；（2）為了仿真模型及計(jì)算結(jié)果更簡(jiǎn)單方便，要求參數(shù)滿足快速性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快以及穩(wěn)定性能高；（3）當(dāng)系統(tǒng)處于非平衡狀態(tài)下或者是由于外部干擾導(dǎo)致控制系統(tǒng)不能正常工作，或者是在系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)了較嚴(yán)重的干擾，導(dǎo)致電子機(jī)械線控制動(dòng)系產(chǎn)生較大失真，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。

3.4 電子機(jī)械線控制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及仿真

通過(guò)前面的研究，可以得到以下模型：（1）基于楔形齒桿控制動(dòng)面轉(zhuǎn)矩時(shí)，在摩擦副接觸面積相同情況下；當(dāng)電機(jī)速度一定時(shí)輸出一個(gè)力作為電子機(jī)械線的動(dòng)力。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)負(fù)壓脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，而此時(shí)施加力給電刷和觸點(diǎn)提供了一個(gè)恒定電流來(lái)推動(dòng)滑塊做直線運(yùn)動(dòng)。（2）利用平衡彈簧實(shí)現(xiàn)對(duì)絲桿移動(dòng)過(guò)程中所需的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，即絲桿移動(dòng)過(guò)程中所需的力矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速成負(fù)比例關(guān)系，且在電刷和觸點(diǎn)之間施加一定的壓力，使絲桿運(yùn)動(dòng)到理想狀態(tài)。（3）由于電動(dòng)勢(shì)差較大所以利用了滑動(dòng)導(dǎo)軌上的力作為電子機(jī)械線動(dòng)系動(dòng)力，通過(guò)滑動(dòng)導(dǎo)軌上的電刷和觸點(diǎn)來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使絲桿移動(dòng)?？梢钥吹?，整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)由2 個(gè)電動(dòng)機(jī)、1 個(gè)步進(jìn)電機(jī)以及1 個(gè)輸出軸組成。在滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的是正壓力，而從動(dòng)輪與地面之間施加了一定的力矩，作用到理想狀態(tài)下時(shí)就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 電子機(jī)械線控制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

4.1 電子機(jī)械線控制動(dòng)系統(tǒng)性能測(cè)試

通過(guò)對(duì)楔形傳動(dòng)線進(jìn)行測(cè)試，可以得出以下結(jié)論：（1）在機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，梯形齒條的正、反轉(zhuǎn)速度都比較快，而斜齒輪軸與滑輪嚙合的時(shí)候由于滑動(dòng)摩擦力作用使直齒輪軸和旋轉(zhuǎn)盤(pán)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是斜向齒條所承受剪切應(yīng)力比較大。當(dāng)垂直于導(dǎo)軌方向移動(dòng)到一定程度后就會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)；在水平面或垂直立線方向上受力時(shí)，由于斜齒輪軸的滑動(dòng)摩擦力比垂直于導(dǎo)軌方向移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生更大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)變得緩慢。所以當(dāng)滑輪與電機(jī)連接后需要及時(shí)將水平面和垂直立度調(diào)整到規(guī)定范圍。（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)楔形傳動(dòng)線進(jìn)行測(cè)試可以得出以下結(jié)論：①該角度偏移量是影響整個(gè)系統(tǒng)性能的主要原因之一；②由于斜齒輪軸、軸承等部件的加工精度和裝配誤差，使斜齒輪軸、軸承等部件的加工精度和裝配誤差都會(huì)較大；③由于楔形塊與垂直面接觸時(shí)產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致直齒條嚙合點(diǎn)位置變化。

4.2 楔形傳動(dòng)對(duì)動(dòng)系統(tǒng)的影響

在楔形傳動(dòng)的作用下，使動(dòng)輪和靜輪同時(shí)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)滑塊操縱。從理論上講：當(dāng)斜齒輪齒條在滑動(dòng)方向上時(shí)是一個(gè)正反轉(zhuǎn)狀態(tài)。但是由于摩擦力、彈簧力等因素影響而導(dǎo)致滑動(dòng)方向與直線方向不一致，從而產(chǎn)生了相反情況；但如果楔型線不連續(xù)接觸就會(huì)引起傳動(dòng)效率降低或損壞機(jī)構(gòu)和零件，甚至發(fā)生危險(xiǎn)事故造成經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡等嚴(yán)重后果。在楔形傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性中，滑動(dòng)齒輪齒條是一個(gè)連續(xù)接觸過(guò)程，所以可以認(rèn)為它具有良好的嚙合性。但因?yàn)榛瑝K與斜面接觸時(shí)沒(méi)有間隙可調(diào)，導(dǎo)致其動(dòng)過(guò)頻振動(dòng)和抖振現(xiàn)象會(huì)使工作部件產(chǎn)生較大沖擊負(fù)荷，從而影響整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)性能；而且當(dāng)滑片磨損或膠質(zhì)層被破壞后也可能出現(xiàn)傳動(dòng)效率降低、傳動(dòng)比不準(zhǔn)確等問(wèn)題，這些因素都有可能引起楔形運(yùn)動(dòng)失衡而發(fā)生事故。從實(shí)踐上看：在斜楔傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性中，由于摩擦力、彈簧力等因素使滑塊和齒輪齒條接觸面產(chǎn)生較大變形從而導(dǎo)致了抖振現(xiàn)象。當(dāng)工作部件磨損或膠質(zhì)層被損壞后可能會(huì)引起其運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，而這些問(wèn)題都將直接影響整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)性能；同時(shí)還會(huì)對(duì)零件造成損傷。從理論上看：楔形傳動(dòng)可以有效減少摩擦力、減小滑塊和齒輪齒條在滑動(dòng)方向上的相對(duì)位移，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于摩擦力、彈簧力等因素，導(dǎo)致楔形系統(tǒng)出現(xiàn)抖振現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著電子機(jī)械線技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的控制動(dòng)系統(tǒng)的不足之處逐漸顯現(xiàn)。而電子機(jī)械加工中，線控制動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)改變電機(jī)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)電子機(jī)械線控制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，提出楔形傳動(dòng)電子機(jī)械線控制動(dòng)系統(tǒng)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微機(jī)電方式及新型數(shù)字化控制系統(tǒng)等先進(jìn)理論與方法，利用楔形傳動(dòng)電子機(jī)械線控制動(dòng)系統(tǒng)，將被制動(dòng)物體自身的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為制動(dòng)力，對(duì)其本身進(jìn)行制動(dòng)，從而降低執(zhí)行電機(jī)功率及其體積和自重，線控楔形制動(dòng)系統(tǒng)具有快速起停、體積小、制動(dòng)鎖緊力矩大、功率小等方面的優(yōu)勢(shì)，可有效減少制動(dòng)距離、提高制動(dòng)安全性，提升執(zhí)行電機(jī)的功率、減少制動(dòng)能耗，對(duì)機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)步具有很大地促進(jìn)作用，在機(jī)械加工及機(jī)械制動(dòng)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。