楊忠明

（蘭州生產(chǎn)力促進中心，甘肅 蘭州 730030）

隨著電子機械線控技術(shù)快速發(fā)展，對線控制動系統(tǒng)要求越來越高。在工業(yè)生產(chǎn)中，機器設(shè)備一般是由人工操作、手動操縱和自動控制系統(tǒng)等組成。傳統(tǒng)意義上的機械結(jié)構(gòu)主要依靠人為操控進行，來實現(xiàn)機器運作過程中所需要實現(xiàn)的任務(wù)；現(xiàn)代社會生產(chǎn)，對自動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，需要對機械線控制動系統(tǒng)進行研究。

1 電子機械線控制動系統(tǒng)

電子機械線控制動系統(tǒng)是由一個可控的控制器對帶板和電動機等部件進行精確位置測量、角度計算以及角度顯示，并將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)形式，再通過數(shù)字化信息傳遞給傳動機構(gòu)。當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動一定角度時，通過控制系統(tǒng)輸出脈沖信號實現(xiàn)對電路調(diào)制。當(dāng)兩個步進軸上存在相同速度時，會導(dǎo)致其旋轉(zhuǎn)角相對固定，此時，兩脈沖信號輸入單片機內(nèi)部就會產(chǎn)生兩次相反的頻率差；而當(dāng)兩個步進軸上沒有類似速度輸出時，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)動的方向與定子旋轉(zhuǎn)角相對一致時，輸出脈沖信號，從而控制電動機反轉(zhuǎn)。

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

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

電機內(nèi)部磁通恒定，則其電磁驅(qū)動轉(zhuǎn)矩如式（2）：

式（2）中，Te 為電機內(nèi)部電磁驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；Cm 為電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，單位為N·m/A。

當(dāng)電機控制器根據(jù)輸入的控制信號，向電機供給相應(yīng)的電流，隨直流力矩電機模型電樞電壓變化，為電動機提供穩(wěn)定的電機線圈端電流收到相應(yīng)信號，如公式（1）所示，電動機內(nèi)部磁通保持恒定，使電動機內(nèi)部電磁驅(qū)動轉(zhuǎn)矩發(fā)生反應(yīng)，如公式（2）所示。在研究過程中，利用傳統(tǒng)步進電機驅(qū)動電路和驅(qū)動器設(shè)計方法，結(jié)合下一步所需數(shù)據(jù)建立基于楔形傳動特性曲線的單自由度梯形斜面運動學(xué)仿真平臺，以實現(xiàn)整個機械線方向性力矩可調(diào)、角度可控及滑塊移動時穩(wěn)定性等方面的研究。

2 電子機械線控制動器構(gòu)型分析

2.1 串聯(lián)直驅(qū)構(gòu)型

串聯(lián)直驅(qū)式電子機械線控制動器是當(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)的液壓制動鉗相比差別不大，在傳統(tǒng)的制動式基礎(chǔ)上進行改進較方便，但存在一些弊端，由于電機、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用的大直徑電機，許多研究結(jié)果都是采用大減速比驅(qū)動的低速大轉(zhuǎn)矩直流電動機，但由于此類電動機驅(qū)動功率、額定轉(zhuǎn)速偏低，使實際制動力響應(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)用更大的傳動比，使電子機械的一部分動能轉(zhuǎn)化成動力，使輪子地夾緊變緊，通常使用低功率的小型電動機配合低檔滾珠絲杠，以驅(qū)動楔形塊。其制動器系數(shù)如式（3）：

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

隨著公式（3）的逼近，放大系數(shù)的變化趨勢是無窮大的，楔形塊與摩擦片、閘板之間就會無窮夾緊，也就是所謂的“死點”。為防止剎車出現(xiàn)“死點”，必須在系統(tǒng)接近“死點”時對楔形塊施加反作用力。由于“死點”的位置與摩擦因數(shù)有關(guān)，并且在實際應(yīng)用中會出現(xiàn)摩擦、沾污、磨損等問題，所以很難對“死點”進行精確監(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。在機構(gòu)設(shè)計上，由于其特殊的外形和摩擦片變形，使其運動軌跡較為復(fù)雜，難以進行約束結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

2.3 單浮動楔形傳動增力構(gòu)型

基于上述兩種方案，現(xiàn)介紹一種基于楔型驅(qū)動的電子機械式電子機械制動器——單浮動楔型傳動增力機構(gòu)，如圖2 所示。該結(jié)構(gòu)通過電動機-減速-滾珠-螺桿的運動變換，把電動機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化成線性動力；采用橫向傳動裝置，電機、減速器、滾珠絲桿均能橫向排列于車輪內(nèi)部，從而降低車輪內(nèi)部的軸向空間；采用楔型驅(qū)動原理，實現(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”，從而使壓力更容易控制，而且相對于自增力類型，具有更好的穩(wěn)定性。

圖2 單浮動楔形傳動增力構(gòu)型

3 電子機械線控制動系統(tǒng)的仿真分析

3.1 電子機械線控制動系統(tǒng)模型

研究電子機械線控制動系統(tǒng)是為了解決如何在二維平面內(nèi)對帶傳動比一級、二級齒輪齒數(shù)及不同位置上的電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。（1）對于第一個基于楔形結(jié)構(gòu)設(shè)計制造出來的線控制動系統(tǒng)，其二維空間可以進行無限延伸，這樣就會產(chǎn)生很大變幅。因此需要利用楔型結(jié)構(gòu)來改變傳統(tǒng)機械線控制動系統(tǒng)中的縱向運動副鏈條，從而達到調(diào)整傳動比級和減小傳動距離的目的。（2）對于第二個基于梯形結(jié)構(gòu)設(shè)計制造出來的電子機械線控制動系統(tǒng)，可以通過改變斜楔形機構(gòu)來實現(xiàn)對帶傳動比一級齒輪齒數(shù)及不同位置上電機轉(zhuǎn)速地調(diào)節(jié)；或者直接利用滑塊和導(dǎo)板之間的摩擦力進行調(diào)整。（3）對于第一個基于滑塊的控制動系統(tǒng)，可以利用楔形機構(gòu)來實現(xiàn)對帶傳動比一級齒輪齒數(shù)及不同位置上電機轉(zhuǎn)速地調(diào)節(jié)。

3.2 楔形傳動電子機械線控制動系統(tǒng)的建立

通過對楔形傳動進行參數(shù)化設(shè)計和計算，來利用電子機械線實現(xiàn)控制。首先建立一個虛擬的控制系統(tǒng)。先為控制器件完成系統(tǒng)初始設(shè)置；楔形傳動電子機械線控制動系統(tǒng)控制器件系統(tǒng)初始設(shè)置。然后再完成電機正反轉(zhuǎn)、加速減速等子程序設(shè)定；最后將數(shù)據(jù)輸入單片機中進行處理后得到最終輸出驅(qū)動步進電動機的電脈沖信號，通過放大電路和功率模塊實現(xiàn)控制命令下達并由伺服驅(qū)動器執(zhí)行相應(yīng)操作動作。通過單片機將數(shù)據(jù)處理后得到的結(jié)果輸出驅(qū)動步進電機。本設(shè)計要求在對楔形傳動進行參數(shù)化設(shè)定時，以芯片做為控制器件，再利用執(zhí)行元件實現(xiàn)控制命令下達并由步進電機驅(qū)動模塊完成相應(yīng)操作。

3.3 電子機械線控制動系統(tǒng)的動力學(xué)仿真

在對整個系統(tǒng)進行動力學(xué)仿真時，需要考慮以下問題：（1）對于一個控制動系統(tǒng)，要保證其動態(tài)響應(yīng)的快速性和準(zhǔn)確性，就要求在設(shè)計過程中采用多臺控制器同時作為上位機。通過串口通訊模塊將程序發(fā)送給中央控制系統(tǒng)（PLC）；再由計算機根據(jù)指令執(zhí)行單元輸出相應(yīng)動作，來實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)運動關(guān)系及動力學(xué)特性等特征信號傳遞方式，稱為電子機械線控制動系動力耦合，它不僅可以使整個系統(tǒng)響應(yīng)速度加快、動態(tài)性和準(zhǔn)確性高，而且可以保證整個系統(tǒng)的動態(tài)特性和動力學(xué)特征。（2）為了使電子機械線控制動系在運動過程中保持良好的平衡性，必須要對控制系統(tǒng)進行動力學(xué)仿真。由于整個系統(tǒng)是一個復(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，在對電子機械線運動學(xué)進行動力學(xué)仿真時必須考慮以下問題：（1）在設(shè)計過程中應(yīng)盡可能使輸入量少一些；（2）為了仿真模型及計算結(jié)果更簡單方便，要求參數(shù)滿足快速性、動態(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)了較嚴重的干擾，導(dǎo)致電子機械線控制動系產(chǎn)生較大失真，此時應(yīng)進行動力學(xué)仿真。

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

通過前面的研究，可以得到以下模型：（1）基于楔形齒桿控制動面轉(zhuǎn)矩時，在摩擦副接觸面積相同情況下；當(dāng)電機速度一定時輸出一個力作為電子機械線的動力。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速較高時負壓脈沖信號驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，而此時施加力給電刷和觸點提供了一個恒定電流來推動滑塊做直線運動。（2）利用平衡彈簧實現(xiàn)對絲桿移動過程中所需的轉(zhuǎn)矩進行控制，即絲桿移動過程中所需的力矩與電機轉(zhuǎn)速成負比例關(guān)系，且在電刷和觸點之間施加一定的壓力，使絲桿運動到理想狀態(tài)。（3）由于電動勢差較大所以利用了滑動導(dǎo)軌上的力作為電子機械線動系動力，通過滑動導(dǎo)軌上的電刷和觸點來控制電機轉(zhuǎn)速，從而使絲桿移動?？梢钥吹?，整個機械結(jié)構(gòu)由2 個電動機、1 個步進電機以及1 個輸出軸組成。在滑塊運動時產(chǎn)生的是正壓力，而從動輪與地面之間施加了一定的力矩，作用到理想狀態(tài)下時就會發(fā)生轉(zhuǎn)動。

4 電子機械線控制動系統(tǒng)實驗研究

4.1 電子機械線控制動系統(tǒng)性能測試

通過對楔形傳動線進行測試，可以得出以下結(jié)論：（1）在機械結(jié)構(gòu)運動時，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候由于滑動摩擦力作用使直齒輪軸和旋轉(zhuǎn)盤同時轉(zhuǎn)動，但是斜向齒條所承受剪切應(yīng)力比較大。當(dāng)垂直于導(dǎo)軌方向移動到一定程度后就會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，導(dǎo)致整個傳動機構(gòu)產(chǎn)生振動；在水平面或垂直立線方向上受力時，由于斜齒輪軸的滑動摩擦力比垂直于導(dǎo)軌方向移動時產(chǎn)生更大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致其運動變得緩慢。所以當(dāng)滑輪與電機連接后需要及時將水平面和垂直立度調(diào)整到規(guī)定范圍。（2）機械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中對楔形傳動線進行測試可以得出以下結(jié)論：①該角度偏移量是影響整個系統(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較大；③由于楔形塊與垂直面接觸時產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致直齒條嚙合點位置變化。

4.2 楔形傳動對動系統(tǒng)的影響

在楔形傳動的作用下，使動輪和靜輪同時運動，以實現(xiàn)對滑塊操縱。從理論上講：當(dāng)斜齒輪齒條在滑動方向上時是一個正反轉(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)接觸就會引起傳動效率降低或損壞機構(gòu)和零件，甚至發(fā)生危險事故造成經(jīng)濟損失及人員傷亡等嚴重后果。在楔形傳動的動態(tài)特性中，滑動齒輪齒條是一個連續(xù)接觸過程，所以可以認為它具有良好的嚙合性。但因為滑塊與斜面接觸時沒有間隙可調(diào)，導(dǎo)致其動過頻振動和抖振現(xiàn)象會使工作部件產(chǎn)生較大沖擊負荷，從而影響整個機械結(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)傳動效率降低、傳動比不準(zhǔn)確等問題，這些因素都有可能引起楔形運動失衡而發(fā)生事故。從實踐上看：在斜楔傳動的動態(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)層被損壞后可能會引起其運動不穩(wěn)定，而這些問題都將直接影響整個機械結(jié)構(gòu)性能；同時還會對零件造成損傷。從理論上看：楔形傳動可以有效減少摩擦力、減小滑塊和齒輪齒條在滑動方向上的相對位移，但在實際應(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

隨著電子機械線技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的控制動系統(tǒng)的不足之處逐漸顯現(xiàn)。而電子機械加工中，線控制動系統(tǒng)是通過改變電機速度來實現(xiàn)。通過對傳統(tǒng)電子機械線控制動系統(tǒng)進行改進與創(chuàng)新，提出楔形傳動電子機械線控制動系統(tǒng)，隨著計算機技術(shù)、微機電方式及新型數(shù)字化控制系統(tǒng)等先進理論與方法，利用楔形傳動電子機械線控制動系統(tǒng)，將被制動物體自身的動能轉(zhuǎn)化為制動力，對其本身進行制動，從而降低執(zhí)行電機功率及其體積和自重，線控楔形制動系統(tǒng)具有快速起停、體積小、制動鎖緊力矩大、功率小等方面的優(yōu)勢，可有效減少制動距離、提高制動安全性，提升執(zhí)行電機的功率、減少制動能耗，對機械加工技術(shù)進步具有很大地促進作用，在機械加工及機械制動方面具有廣闊的應(yīng)用前景。