夏春龍

（江蘇省南通市海安中等專業(yè)學(xué)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(jī)電控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，對(duì)于機(jī)電控制系統(tǒng)的要求也更高。為切實(shí)滿足行業(yè)的發(fā)展需求，需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員對(duì)機(jī)電控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，由此也就衍生出了自動(dòng)化控制技術(shù)與一體化設(shè)計(jì)，有了該項(xiàng)技術(shù)的加持，企業(yè)生產(chǎn)的效率得到大幅度提升，同時(shí)也降低了人員的工作量，有效避免了人為操作實(shí)物所帶來的損失，提高現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的安全系數(shù)。本文就機(jī)電控制系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)與一體化設(shè)計(jì)方法及具體操作策略進(jìn)行分析探討。

1 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方法

1.1 整體設(shè)計(jì)法

系統(tǒng)中的每個(gè)部件都由對(duì)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(yīng)用整體可以讓產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率大幅度提升，既是對(duì)原有設(shè)計(jì)觀念的突破，也賦予了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)全新的發(fā)展方向，一方面是有效壓縮產(chǎn)品生產(chǎn)成本，同時(shí)也能進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，使其與市場(chǎng)需求相契合，擴(kuò)大產(chǎn)品的發(fā)展空間。

1.2 組合設(shè)計(jì)法

在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中，組合設(shè)計(jì)是應(yīng)用最為廣泛的設(shè)計(jì)方式。尤其是應(yīng)用與數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域，組合設(shè)計(jì)法的應(yīng)用讓數(shù)控機(jī)床作用得到最大化呈現(xiàn)。將各種標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)獨(dú)立的功能模塊進(jìn)行重新組合，使各個(gè)模塊協(xié)調(diào)統(tǒng)一聯(lián)合構(gòu)成全新的一體化系統(tǒng)。組合法與其他設(shè)計(jì)法相比，最為顯著的優(yōu)勢(shì)在于由多功能模塊構(gòu)成，所以只需要在原本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行即可，因此設(shè)計(jì)的耗時(shí)也相對(duì)較短。在組合設(shè)計(jì)法的應(yīng)用中，為了獲得最優(yōu)化的產(chǎn)品質(zhì)量，在增加產(chǎn)品價(jià)值的同時(shí)要盡可能降低生產(chǎn)成本，需要對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行深度調(diào)研，根據(jù)市場(chǎng)反饋信息了解行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，并應(yīng)用多種組合方式靈活開展設(shè)計(jì)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(yùn)行的穩(wěn)定性，以此來實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品的創(chuàng)新化設(shè)計(jì)。

1.3 取代設(shè)計(jì)法

此應(yīng)用應(yīng)用電子電位器取代機(jī)械電位器，對(duì)于線路的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，這是傳統(tǒng)機(jī)械線路所不具備的作用。因此采用取代法設(shè)計(jì)電子線路，不僅效率更高，也能使產(chǎn)品造價(jià)進(jìn)一步降低，從而達(dá)到機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

2 機(jī)電控制系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)一體化設(shè)計(jì)方式分析

2.1 設(shè)計(jì)原理與關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)電控制作為一項(xiàng)綜合控制系統(tǒng)，是應(yīng)用信息處理以及微電子等新型技術(shù)手段，對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。自動(dòng)化控制技術(shù)依托控制器，使系統(tǒng)可以按照設(shè)定程序?qū)Ρ豢貙?duì)象進(jìn)行自動(dòng)化管理與實(shí)時(shí)監(jiān)控。將機(jī)電控制系統(tǒng)與自動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化形式檢測(cè)與控制運(yùn)行，促使機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)效率取得大幅度提升。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，一方面要對(duì)控制器與核心器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，另一方面要兼顧到檢測(cè)器與執(zhí)行器的統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。在控制系統(tǒng)運(yùn)行階段，系統(tǒng)辨識(shí)輸入信號(hào)，經(jīng)過控制器這一媒介轉(zhuǎn)化為指令信號(hào)，執(zhí)行器在接受信號(hào)后投入執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字的信號(hào)輸出與顯示，完成自動(dòng)化控制的過程。檢測(cè)裝置檢測(cè)到的輸出信號(hào)，與指令信號(hào)進(jìn)行比較，傳送到控制裝置中執(zhí)行下一程序的操作，進(jìn)而達(dá)到反饋控制的目的。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 單片機(jī)控制芯片

對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要首選單片機(jī)控制芯片，因?yàn)槠渚邆浞抡婀δ?、信息存?chǔ)量大等優(yōu)勢(shì)。I/O端口、控制程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)際連接過程中需要對(duì)應(yīng)用總線進(jìn)行統(tǒng)一，這樣不僅無須對(duì)硬件做出改動(dòng)，還可以減少資源所占內(nèi)存，通過在串口就可以直接實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的通信仿真。因?yàn)閱纹瑱C(jī)控制芯片存在突出的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，所以也同時(shí)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(jù)檢測(cè)、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(shí)要高度謹(jǐn)慎。比如機(jī)電控制系統(tǒng)中最常用液位傳感器與壓力傳感器，當(dāng)將系統(tǒng)電壓設(shè)置在24V時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)MODBUS標(biāo)準(zhǔn)通信。如果將液位傳感器應(yīng)用到機(jī)電控制系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)中液罐高度達(dá)到2 m，采用CYW11傳感器，因?yàn)槠渚哂心て綦x裝置，所以可以保證密封性，而且安裝便捷，結(jié)構(gòu)簡潔小巧，具備較強(qiáng)的耐沖擊性，穩(wěn)定性與精準(zhǔn)度相對(duì)較高，抗干擾能力強(qiáng)。如果將壓力傳感器應(yīng)用到機(jī)電控制系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部管道壓強(qiáng)達(dá)到15千帕、將傳感器額定電壓設(shè)置在12～36V之間，測(cè)量介質(zhì)為氣體或者液體，輸出信號(hào)為MODBUS標(biāo)準(zhǔn)通信，基于上述條件液壓傳感器均可展開正常運(yùn)行。

2.2.3 電路設(shè)計(jì)

機(jī)電控制系統(tǒng)以前通常會(huì)通過IC元件對(duì)傳感器接收到的信號(hào)做出統(tǒng)一處理，但是傳感器技術(shù)輸出信號(hào)在4～20 mA范圍內(nèi)時(shí)，IC元件僅能夠用于輸出與處理電壓信號(hào)。所以對(duì)電流轉(zhuǎn)換與電壓轉(zhuǎn)換的電路要做出合理化設(shè)計(jì)，可以嘗試應(yīng)用高精密的電壓調(diào)節(jié)裝置。當(dāng)4～20 mA的電流經(jīng)過電阻時(shí)會(huì)被轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)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(yīng)用上述的計(jì)算方式，可以得出電阻值，即208.33 Ω?；诖嗽O(shè)計(jì)機(jī)電控制系統(tǒng)，需要以串聯(lián)方式連接10 Ω微調(diào)電阻以及200 Ω固定電阻，應(yīng)用+12V電壓作為啟動(dòng)高度開關(guān)閥的電源。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 有機(jī)調(diào)節(jié)軟件

機(jī)電一體化的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求在系統(tǒng)程序中提前設(shè)定好工作時(shí)間組，便于直接應(yīng)用對(duì)應(yīng)按鍵的靈活調(diào)用?？梢試L試選擇非編碼鍵盤中的運(yùn)行鍵、停止鍵、檔位鍵，其中運(yùn)行鍵與停止鍵可以控制機(jī)械設(shè)備立即投入使用或者停止運(yùn)行。在主程序當(dāng)中，系統(tǒng)完成初始化作業(yè)后會(huì)清理存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)處于自動(dòng)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(dòng)化有級(jí)控制系統(tǒng)的沖擊子程序中，在開進(jìn)與關(guān)回油錐閥操作后，需要確定工作時(shí)間組，然后繼續(xù)打開定時(shí)器，以控制油錐閥的開進(jìn)與關(guān)回。當(dāng)在處理有級(jí)自動(dòng)控制鍵盤時(shí)，如果中途出現(xiàn)中斷現(xiàn)象，系統(tǒng)會(huì)采用延時(shí)方式進(jìn)行判定，進(jìn)而消除抖動(dòng)，此時(shí)如果有按鍵處于閉合狀態(tài)，系統(tǒng)則會(huì)繼續(xù)自動(dòng)判斷閉合鍵鍵號(hào)，并結(jié)合閉合鍵鍵號(hào)的實(shí)際，發(fā)出停止或者運(yùn)行信號(hào)，最后中斷抖動(dòng)繼續(xù)返回作業(yè)。

2.3.2 智能工作軟件

機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要是依托壓力變速器感應(yīng)到的壓力信號(hào)，控制高速開關(guān)閥門的啟動(dòng)閉合?？刂颇K軟件需要逐一完成系統(tǒng)初始化、處理指令對(duì)接口輸出數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊等一系列任務(wù)。比如在液壓沖擊器系統(tǒng)的運(yùn)用中，在A/D轉(zhuǎn)換程序中，應(yīng)用采樣保持電路轉(zhuǎn)換通道地址，繼而進(jìn)入片選環(huán)節(jié)，選擇進(jìn)入AINO模塊通道。此時(shí)開啟A/D轉(zhuǎn)換程序并實(shí)施延時(shí)執(zhí)行，轉(zhuǎn)換結(jié)束就可以將結(jié)果傳送到采樣通道地址，否則將再次延時(shí)，直到完成全部轉(zhuǎn)換操作，自動(dòng)控制子程序需要按照開進(jìn)與關(guān)回油錐閥門、關(guān)回與關(guān)進(jìn)油錐閥門的順序進(jìn)行，然后完成對(duì)氮?dú)馐覊毫Φ淖詣?dòng)化檢測(cè)，根據(jù)壓力值決定油錐閥門的操作。此時(shí)二次檢測(cè)氮?dú)馐覊毫?，在得到最小值后參照相關(guān)公式計(jì)算出反彈速度，同時(shí)做好詳細(xì)記錄。

3 機(jī)電一體化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用分析

3.1 應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床改造

數(shù)控機(jī)床刀具以及工作臺(tái)作業(yè)具有高密度特點(diǎn)，需要依據(jù)坐標(biāo)軸展開，所以控制方式要具備插補(bǔ)功能以及連續(xù)控制功能。開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要盡量精簡，一方面是為了方便維修，同時(shí)也可以控制成本。因此通常會(huì)在數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)中設(shè)置環(huán)伺服系統(tǒng)，滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率會(huì)相對(duì)提高，且磨損程度低、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定，如果可以將滾珠絲杠副的傳動(dòng)裝置提前做好預(yù)緊，就能夠讓絲杠與螺母中間的縫隙消除，在反向傳動(dòng)中增加定位的精準(zhǔn)性，而且不會(huì)存有空間死角。Z80-CPU作為一項(xiàng)微處理系統(tǒng)，在我國數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中的應(yīng)用非常普遍，與諸多應(yīng)用軟件均具有適配性，系統(tǒng)的開發(fā)升級(jí)難度也同樣適宜。與Z80-CPU配套的芯片價(jià)格也在合理范圍內(nèi)，在實(shí)際應(yīng)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(shí)間都具有獨(dú)特性，相比其他處理系統(tǒng)，反應(yīng)速度會(huì)更快，這也就縮減了現(xiàn)場(chǎng)掃描的周期，極大地提高了機(jī)床工作的效率。因此，在實(shí)施數(shù)控機(jī)床改造中可以應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性的Z80-CPU系統(tǒng)，通過處理器對(duì)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)運(yùn)算，然后由輸入與輸出接口完成加步進(jìn)脈沖的傳遞，經(jīng)一級(jí)齒輪減速轉(zhuǎn)矩增大后，縱、橫向以伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，帶動(dòng)滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.2 應(yīng)用于機(jī)械閉環(huán)控制

PMAC控制下的高密度閉環(huán)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)也是機(jī)電一體化系統(tǒng)中的一項(xiàng)，在我國工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中較為常見。該控制系統(tǒng)模擬量輸出信號(hào)范圍為不大于10KV，通過設(shè)定步驟與調(diào)試就可以對(duì)伺服電機(jī)程序進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。利用絲杠螺距誤差補(bǔ)償以及反向間隙的調(diào)試，讓系統(tǒng)整體的分辨率得到顯著增加，精準(zhǔn)度也會(huì)有所提升。工作人員在控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，依據(jù)具體使用要求選擇最為適宜的構(gòu)成部分，以確保與工業(yè)生產(chǎn)需求相適應(yīng)，最終設(shè)計(jì)出機(jī)電一體化系統(tǒng)。在運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)不斷發(fā)展的今天，運(yùn)動(dòng)控制器的硬件結(jié)構(gòu)將會(huì)更加開放，并且便于安裝與功能升級(jí)，為機(jī)電一體化系統(tǒng)拓展出更多可開發(fā)空間。

3.3 應(yīng)用于紡織機(jī)械設(shè)備

化纖機(jī)械中的卷繞機(jī)一般會(huì)應(yīng)用積極轉(zhuǎn)方式，導(dǎo)絲器與卷繞筒兩者的往復(fù)頻率是處于相對(duì)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(dǎo)紗電機(jī)、測(cè)速電機(jī)、控制板，為避免紗料在過程中產(chǎn)生重疊現(xiàn)象，系統(tǒng)中還會(huì)增設(shè)螺旋線升角卷繞法、步進(jìn)精密卷繞、擺頻干擾卷繞等多種控制手段。PCC與TPU測(cè)速模塊在獲取到導(dǎo)絲器傳動(dòng)軸傳感器、卷裝轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出的感應(yīng)信號(hào)后，會(huì)展開高速運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成往復(fù)頻率和錠軸轉(zhuǎn)速傳輸?shù)絇CC系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動(dòng)查取到對(duì)應(yīng)的繞速比值，同時(shí)分析繞速比值與卷繞角之間的關(guān)系，最終傳輸出更趨于合理饒速與控制信號(hào)，通過控制變頻調(diào)速器調(diào)整導(dǎo)紗電機(jī)與錠軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以提高卷裝容量與作業(yè)精度。

4 結(jié)語

綜上所述，機(jī)電一體化是自動(dòng)化控制技術(shù)與機(jī)電控制技術(shù)的智能化結(jié)合，是升級(jí)生產(chǎn)設(shè)備、簡化生產(chǎn)流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，企業(yè)積極運(yùn)用機(jī)電控制系統(tǒng)實(shí)施生產(chǎn)工作，已經(jīng)代表企業(yè)向智能化的發(fā)展方向邁進(jìn)。當(dāng)前企業(yè)需要做的是，加大對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的研究，通過自動(dòng)化技術(shù)與信息化技術(shù)的加持，加快轉(zhuǎn)變企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)與經(jīng)營模式，走集約型發(fā)展道路，在降低生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)長效、穩(wěn)定的發(fā)展。