機電控制系統(tǒng)自動控制技術與一體化設計探究

夏春龍

（江蘇省南通市海安中等專業(yè)學校，江蘇 南通 226600）

0 引言

伴隨工業(yè)制造業(yè)的高速發(fā)展，機電控制系統(tǒng)的應用范圍逐步擴大，對于機電控制系統(tǒng)的要求也更高。為切實滿足行業(yè)的發(fā)展需求，需要相關設計人員對機電控制系統(tǒng)進行智能化設計，由此也就衍生出了自動化控制技術與一體化設計，有了該項技術的加持，企業(yè)生產的效率得到大幅度提升，同時也降低了人員的工作量，有效避免了人為操作實物所帶來的損失，提高現(xiàn)場生產的安全系數(shù)。本文就機電控制系統(tǒng)自動控制技術與一體化設計方法及具體操作策略進行分析探討。

1 機電一體化設計方法

1.1 整體設計法

系統(tǒng)中的每個部件都由對用的控制單元加以控制，以此讓功能模塊的使用更加便捷。應用整體可以讓產品的設計效率大幅度提升，既是對原有設計觀念的突破，也賦予了機電一體化設計全新的發(fā)展方向，一方面是有效壓縮產品生產成本，同時也能進一步提高產品質量，使其與市場需求相契合，擴大產品的發(fā)展空間。

1.2 組合設計法

在機電一體化設計中，組合設計是應用最為廣泛的設計方式。尤其是應用與數(shù)控機床領域，組合設計法的應用讓數(shù)控機床作用得到最大化呈現(xiàn)。將各種標準相對獨立的功能模塊進行重新組合，使各個模塊協(xié)調統(tǒng)一聯(lián)合構成全新的一體化系統(tǒng)。組合法與其他設計法相比，最為顯著的優(yōu)勢在于由多功能模塊構成，所以只需要在原本設計的基礎上進行即可，因此設計的耗時也相對較短。在組合設計法的應用中，為了獲得最優(yōu)化的產品質量，在增加產品價值的同時要盡可能降低生產成本，需要對市場進行深度調研，根據市場反饋信息了解行業(yè)發(fā)展趨勢，并應用多種組合方式靈活開展設計工作，有效規(guī)避不同功能模塊發(fā)生矛盾的現(xiàn)象，確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，以此來實現(xiàn)機電產品的創(chuàng)新化設計。

1.3 取代設計法

此應用應用電子電位器取代機械電位器，對于線路的運行實現(xiàn)實時控制，這是傳統(tǒng)機械線路所不具備的作用。因此采用取代法設計電子線路，不僅效率更高，也能使產品造價進一步降低，從而達到機電一體化設計的目標。

2 機電控制系統(tǒng)自動控制技術一體化設計方式分析

2.1 設計原理與關鍵技術

機電控制作為一項綜合控制系統(tǒng)，是應用信息處理以及微電子等新型技術手段，對運行系統(tǒng)實現(xiàn)遠程控制。自動化控制技術依托控制器，使系統(tǒng)可以按照設定程序對被控對象進行自動化管理與實時監(jiān)控。將機電控制系統(tǒng)與自動控制技術進行一體化設計，對設備實現(xiàn)自動化形式檢測與控制運行，促使機械設備的生產效率取得大幅度提升。因此在系統(tǒng)設計工作中，一方面要對控制器與核心器件進行設計，另一方面要兼顧到檢測器與執(zhí)行器的統(tǒng)籌設計。在控制系統(tǒng)運行階段，系統(tǒng)辨識輸入信號，經過控制器這一媒介轉化為指令信號，執(zhí)行器在接受信號后投入執(zhí)行，從而實現(xiàn)數(shù)字的信號輸出與顯示，完成自動化控制的過程。檢測裝置檢測到的輸出信號，與指令信號進行比較，傳送到控制裝置中執(zhí)行下一程序的操作，進而達到反饋控制的目的。

2.2 系統(tǒng)硬件設計

2.2.1 單片機控制芯片

對控制系統(tǒng)的設計，需要首選單片機控制芯片，因為其具備仿真功能、信息存儲量大等優(yōu)勢。I/O端口、控制程序、數(shù)據存儲器CPU、中央處理單元、串口等都是單片控制芯片的組成部分，該芯片在實際連接過程中需要對應用總線進行統(tǒng)一，這樣不僅無須對硬件做出改動，還可以減少資源所占內存，通過在串口就可以直接實現(xiàn)單片機的通信仿真。因為單片機控制芯片存在突出的應用優(yōu)勢，所以也同時提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

2.2.2 傳感器

傳感器數(shù)據檢測、制定系統(tǒng)決策、執(zhí)行系統(tǒng)操作三者之間具有緊密銜接性，所以在選擇傳感器時要高度謹慎。比如機電控制系統(tǒng)中最常用液位傳感器與壓力傳感器，當將系統(tǒng)電壓設置在24V時，可以實現(xiàn)MODBUS標準通信。如果將液位傳感器應用到機電控制系統(tǒng)中，當系統(tǒng)中液罐高度達到2 m，采用CYW11傳感器，因為其具有膜片隔離裝置，所以可以保證密封性，而且安裝便捷，結構簡潔小巧，具備較強的耐沖擊性，穩(wěn)定性與精準度相對較高，抗干擾能力強。如果將壓力傳感器應用到機電控制系統(tǒng)中，當系統(tǒng)內部管道壓強達到15千帕、將傳感器額定電壓設置在12～36V之間，測量介質為氣體或者液體，輸出信號為MODBUS標準通信，基于上述條件液壓傳感器均可展開正常運行。

2.2.3 電路設計

機電控制系統(tǒng)以前通常會通過IC元件對傳感器接收到的信號做出統(tǒng)一處理，但是傳感器技術輸出信號在4～20 mA范圍內時，IC元件僅能夠用于輸出與處理電壓信號。所以對電流轉換與電壓轉換的電路要做出合理化設計，可以嘗試應用高精密的電壓調節(jié)裝置。當4～20 mA的電流經過電阻時會被轉化為對應額度的電壓，扣除基本電壓后就能夠得出電壓輸出值。4 mA電流的輸出電壓值為0 V，20 mA電流的輸出電壓值為5 V，所以應用上述的計算方式，可以得出電阻值，即208.33 Ω?；诖嗽O計機電控制系統(tǒng)，需要以串聯(lián)方式連接10 Ω微調電阻以及200 Ω固定電阻，應用+12V電壓作為啟動高度開關閥的電源。

2.3 系統(tǒng)軟件設計

2.3.1 有機調節(jié)軟件

機電一體化的自動控制系統(tǒng)設計，需要技術人員結合現(xiàn)場生產需求在系統(tǒng)程序中提前設定好工作時間組，便于直接應用對應按鍵的靈活調用。可以嘗試選擇非編碼鍵盤中的運行鍵、停止鍵、檔位鍵，其中運行鍵與停止鍵可以控制機械設備立即投入使用或者停止運行。在主程序當中，系統(tǒng)完成初始化作業(yè)后會清理存儲單元數(shù)據，此時系統(tǒng)會處于自動監(jiān)控狀態(tài)，需要通過外部中斷操作或者中斷子程序。在自動化有級控制系統(tǒng)的沖擊子程序中，在開進與關回油錐閥操作后，需要確定工作時間組，然后繼續(xù)打開定時器，以控制油錐閥的開進與關回。當在處理有級自動控制鍵盤時，如果中途出現(xiàn)中斷現(xiàn)象，系統(tǒng)會采用延時方式進行判定，進而消除抖動，此時如果有按鍵處于閉合狀態(tài)，系統(tǒng)則會繼續(xù)自動判斷閉合鍵鍵號，并結合閉合鍵鍵號的實際，發(fā)出停止或者運行信號，最后中斷抖動繼續(xù)返回作業(yè)。

2.3.2 智能工作軟件

機電自動化控制系統(tǒng)主要是依托壓力變速器感應到的壓力信號，控制高速開關閥門的啟動閉合?？刂颇K軟件需要逐一完成系統(tǒng)初始化、處理指令對接口輸出數(shù)據、驅動執(zhí)行模塊等一系列任務。比如在液壓沖擊器系統(tǒng)的運用中，在A/D轉換程序中，應用采樣保持電路轉換通道地址，繼而進入片選環(huán)節(jié)，選擇進入AINO模塊通道。此時開啟A/D轉換程序并實施延時執(zhí)行，轉換結束就可以將結果傳送到采樣通道地址，否則將再次延時，直到完成全部轉換操作，自動控制子程序需要按照開進與關回油錐閥門、關回與關進油錐閥門的順序進行，然后完成對氮氣室壓力的自動化檢測，根據壓力值決定油錐閥門的操作。此時二次檢測氮氣室壓力，在得到最小值后參照相關公式計算出反彈速度，同時做好詳細記錄。

3 機電一體化技術的實際應用分析

3.1 應用于數(shù)控機床改造

數(shù)控機床刀具以及工作臺作業(yè)具有高密度特點，需要依據坐標軸展開，所以控制方式要具備插補功能以及連續(xù)控制功能。開環(huán)系統(tǒng)結構要盡量精簡，一方面是為了方便維修，同時也可以控制成本。因此通常會在數(shù)控機床結構中設置環(huán)伺服系統(tǒng)，滾珠絲杠副的傳動效率會相對提高，且磨損程度低、運動狀態(tài)穩(wěn)定，如果可以將滾珠絲杠副的傳動裝置提前做好預緊，就能夠讓絲杠與螺母中間的縫隙消除，在反向傳動中增加定位的精準性，而且不會存有空間死角。Z80-CPU作為一項微處理系統(tǒng)，在我國數(shù)控機床系統(tǒng)中的應用非常普遍，與諸多應用軟件均具有適配性，系統(tǒng)的開發(fā)升級難度也同樣適宜。與Z80-CPU配套的芯片價格也在合理范圍內，在實際應用中其可靠性與通用性較高，維修較為方便。Z80微處理系統(tǒng)的輸入指令與輸出指令，不論是格式還是執(zhí)行時間都具有獨特性，相比其他處理系統(tǒng)，反應速度會更快，這也就縮減了現(xiàn)場掃描的周期，極大地提高了機床工作的效率。因此，在實施數(shù)控機床改造中可以應用經濟性的Z80-CPU系統(tǒng)，通過處理器對數(shù)控機床的運行參數(shù)進行精準運算，然后由輸入與輸出接口完成加步進脈沖的傳遞，經一級齒輪減速轉矩增大后，縱、橫向以伺服電機作為驅動元件，帶動滾珠絲杠的轉動。

3.2 應用于機械閉環(huán)控制

PMAC控制下的高密度閉環(huán)運動系統(tǒng)也是機電一體化系統(tǒng)中的一項，在我國工業(yè)自動化系統(tǒng)中較為常見。該控制系統(tǒng)模擬量輸出信號范圍為不大于10KV，通過設定步驟與調試就可以對伺服電機程序進行自動調整。利用絲杠螺距誤差補償以及反向間隙的調試，讓系統(tǒng)整體的分辨率得到顯著增加，精準度也會有所提升。工作人員在控制系統(tǒng)基礎上，依據具體使用要求選擇最為適宜的構成部分，以確保與工業(yè)生產需求相適應，最終設計出機電一體化系統(tǒng)。在運動控制技術不斷發(fā)展的今天，運動控制器的硬件結構將會更加開放，并且便于安裝與功能升級，為機電一體化系統(tǒng)拓展出更多可開發(fā)空間。

3.3 應用于紡織機械設備

化纖機械中的卷繞機一般會應用積極轉方式，導絲器與卷繞筒兩者的往復頻率是處于相對固定的狀態(tài)，而卷繞交叉角則是始終在變化的。該控制系統(tǒng)中包含導紗電機、測速電機、控制板，為避免紗料在過程中產生重疊現(xiàn)象，系統(tǒng)中還會增設螺旋線升角卷繞法、步進精密卷繞、擺頻干擾卷繞等多種控制手段。PCC與TPU測速模塊在獲取到導絲器傳動軸傳感器、卷裝轉速傳感器發(fā)出的感應信號后，會展開高速運算，并將運算結果轉換成往復頻率和錠軸轉速傳輸?shù)絇CC系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動查取到對應的繞速比值，同時分析繞速比值與卷繞角之間的關系，最終傳輸出更趨于合理饒速與控制信號，通過控制變頻調速器調整導紗電機與錠軸電機的轉速，以提高卷裝容量與作業(yè)精度。

4 結語

綜上所述，機電一體化是自動化控制技術與機電控制技術的智能化結合，是升級生產設備、簡化生產流程的關鍵環(huán)節(jié)，企業(yè)積極運用機電控制系統(tǒng)實施生產工作，已經代表企業(yè)向智能化的發(fā)展方向邁進。當前企業(yè)需要做的是，加大對機電一體化產品的研究，通過自動化技術與信息化技術的加持，加快轉變企業(yè)現(xiàn)有的生產與經營模式，走集約型發(fā)展道路，在降低生產成本的基礎上，實現(xiàn)長效、穩(wěn)定的發(fā)展。