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，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］?？梢姡旱卧诎橛心Σ翜囟鹊莫M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。

液滴在狹縫間的演變行為研究涉及微納技術領域，而研究微米、亞微米甚至納米量級尺寸領域的技術已經(jīng)在現(xiàn)代先進制造技術中占據(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為研究背景，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力為目標，結合現(xiàn)代機電液一體化技術的應用，設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)。該設計以工業(yè)PLC自動控制技術為基礎［11］，嵌入模糊PID控制理論［12］、精密傳感技術［13］、高速顯微檢測技術［14］以及機電傳動控制［15］等相關基礎知識，結合了《大學化學》《大學物理》《電子技術》《機電傳動控制》《機械工程控制基礎》等多學科綜合性實驗教學目的。該教學實驗系統(tǒng)應用當前先進設備且涉及微納技術領域，使學生更加深刻了解到當前科學技術的發(fā)展，尤其是精密自動檢測技術，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查載板的傾斜角度。

圖1 實驗系統(tǒng)主體設計圖

（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熱及精確控制。目前工程中應用的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，其控制結構如圖2 所示。

圖2 模糊PID控制器結構

模糊PID將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，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)預設溫度誤差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)機械結構

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 狹縫間距結構

狹縫間距控制模塊結構由帶編碼器的豎直伺服電機Ⅰ、滑塊導向座、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。

滑塊導向座安裝在支架側面且與立柱相對，其側面設有限位凸起，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安裝在滑塊導向座上方，并通過滾珠絲杠帶動上載板支架座沿著滑塊導向座上下移動，微調(diào)旋鈕安裝在滑塊導向座側面，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、下載板間的設定間距精準控制。

2.2 角度偏轉結構設計

圖4 狹縫間距控制模塊結構設計

狹縫角度控制模塊結構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構設計（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，形成連桿結構：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，將編譯結果寫入PLC；利用WinCC flexible SMART V3 軟件進行觸摸屏界面設計并寫入觸摸屏設備，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)控制原理設計

具體實驗系統(tǒng)的硬件配置及其相關具體參數(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?？刂苹芈分饕刂苹芈冯娫摧斎攵耍↙1C、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計要求，設計了如圖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)設置等子程序組成。

點動控制子程序主要用于設備調(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)的基礎構成。

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)設置子程序是根據(jù)實驗需求進行參數(shù)設定，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)自動控制流程的設計思路，設計了相應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)必修基礎課進行課程設計，特別是針對交流伺服電動機的實驗指導。結合本實驗系統(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計和編程方法，并結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)的相關基礎知識。

（3）基于電渦流效應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，當有導電體接近時，因?qū)щ婓w渦流效應產(chǎn)生渦流損耗，而渦流損耗與導電體離線圈的距離有關，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的應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》這門專業(yè)必修基礎課進行課程設計。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 結語

本文所設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，內(nèi)容涵蓋涉及《機電傳動控制》《機械工程控制基礎》《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編程設計、電渦流位移傳感檢測和模糊PID溫度控制等基礎性教學實驗。

（2）集電伺服驅(qū)動機構、電子元器傳感技術、PLC控制系統(tǒng)、PC軟件編程技術和高速顯微檢測技術于一體，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)所需的實驗設備要求，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代機電液一體化控制技術水平，具有較高的實驗和研究應用價值。