伺服電動(dòng)缸在地震模擬平臺(tái)控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與
瀏覽： 發(fā)布日期：2021-05-12 06:46:43
自2008年汶川大地震后，人們了解地震知識(shí)的欲望變得越來(lái)越強(qiáng)烈，開(kāi)展有關(guān)地震知識(shí)的宣傳教育成為當(dāng)務(wù)之急，為此設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)代可編程序控制(PLC)技術(shù)的地震模擬平臺(tái)。可編程控制器 由于其可靠性高、易使用等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的智能控制。地震平臺(tái)采用了當(dāng)前的革命性產(chǎn)品電動(dòng)缸，摒棄了目前普遍使用的液壓缸及氣缸驅(qū)動(dòng)的方式。電動(dòng)缸是將伺服電機(jī)與絲杠一 體化設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將伺服電機(jī)最佳優(yōu)點(diǎn)精確轉(zhuǎn)速控制、精確轉(zhuǎn)數(shù)控制和精確扭矩控制轉(zhuǎn)變成精確速度控制、精確位置控制和精確推力控制。實(shí)踐證明電動(dòng)缸完全可以替代液壓缸和氣缸，并具有實(shí)現(xiàn)環(huán)境更環(huán)保，更節(jié)能，更干凈等優(yōu)點(diǎn)，很容易與PLC等控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)高精密運(yùn)動(dòng)控制。
1． 系統(tǒng)的組成
1．1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)
地震模擬平臺(tái)采用框架式結(jié)構(gòu)，由2個(gè)縱向電動(dòng)缸及2個(gè)支承缸進(jìn)行支承，可以模擬縱波產(chǎn)生的縱向震動(dòng)。此外，為了能模擬橫向震動(dòng)，地震平臺(tái)采用連桿機(jī)構(gòu)與橫 向電動(dòng)缸進(jìn)行連接。
1．2 控制系統(tǒng)
根據(jù)系統(tǒng)控制要求，控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制核心是上位運(yùn)動(dòng)控制器，采用專用的運(yùn)動(dòng)控制型PLC。目前許多PLC都可以配置定位模塊，有些 PLC的CPU本身應(yīng)具備運(yùn)動(dòng)控制指令，如脈沖輸出指令。驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng) 目前主要有步進(jìn) 電機(jī)和伺服 電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)動(dòng)精度、矩頻特性、速度響應(yīng)及運(yùn)行特性等方面均與伺服電機(jī)有不小的差距?？紤]到地震模擬平臺(tái)對(duì)轉(zhuǎn)矩的恒定要求 (即不能因?yàn)檎鸺?jí)大而出現(xiàn)載人時(shí)轉(zhuǎn)矩不足的問(wèn)題)以及對(duì)速度響應(yīng)的高要求，選擇了伺服電機(jī)和配套伺服驅(qū)動(dòng)器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)缸，又叫電動(dòng)推桿，相對(duì)于液壓缸和氣缸，電動(dòng)推桿具有以下優(yōu)點(diǎn)：①不需要復(fù)雜的成套系統(tǒng)支持 (包括泵 ，管道，閥門(mén)，過(guò)濾器，很多接頭等)。②可以節(jié)約很多空間，而且在無(wú)維護(hù)的情況下，安全可靠地工作。③只需電機(jī)驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有油污的污染，大幅度降低噪音 ，保持潔凈、安靜的工作環(huán)境等。電動(dòng)缸將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)絲杠和絲杠副的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為推桿的直線運(yùn)動(dòng)，由于其控制、使用的方便性，將實(shí)現(xiàn)氣缸和液壓缸傳動(dòng)所不能實(shí)現(xiàn)的精密運(yùn)動(dòng)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心采用可編程序控制器，根據(jù)地震平臺(tái)的控制要求，得到如表 1所示的地震平臺(tái)PLC的I／O分配表。本設(shè)計(jì) 中橫向電動(dòng)缸的伺服電機(jī)由YO和Y1控制，分別作為脈沖和方向；縱向2個(gè)電動(dòng)缸的伺服電機(jī)由Y2、Y3同步控制。另外，系統(tǒng)中加人了屏閃燈、煙霧機(jī)噴煙等效果，使體驗(yàn)者可以身臨其境地體驗(yàn)真實(shí)地震的感覺(jué)。除了電動(dòng)缸的動(dòng)作以外，還加入了專用震動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)生附加震動(dòng)，使地震效果多樣化。
2 控制過(guò)程及程序
2．1 運(yùn)動(dòng)控制流程
運(yùn)動(dòng)控制流程簡(jiǎn)圖如 圖4所示，按下不同震級(jí)選擇按鈕后 PLC開(kāi)始初始化，對(duì)照相應(yīng)的級(jí)別設(shè)定相應(yīng) 電動(dòng)缸往返運(yùn)動(dòng)的位置和速度，在 PLC中意味著對(duì)應(yīng)缸的脈沖數(shù)和脈沖輸出頻率。啟動(dòng)后以自由格式發(fā)送命令到上位計(jì)算機(jī)，調(diào)出地震互動(dòng)視頻，同時(shí)控制 3個(gè) 電動(dòng)缸執(zhí)行回原點(diǎn)的動(dòng)作，原點(diǎn)用下限位開(kāi)關(guān)設(shè)定。配合地震視頻，在震動(dòng)開(kāi)始時(shí)PLC控制電動(dòng)缸按地震規(guī)律進(jìn)行動(dòng)作，即先縱向震動(dòng)后橫 向震動(dòng)再縱橫混合震動(dòng)的規(guī)律。在地震模擬過(guò)程中實(shí)時(shí)熄滅照明燈，并啟動(dòng)屏閃燈和煙霧機(jī)噴出煙霧，輔以視頻聲音，制造出緊張的氛圍。欲停止地震，可再次按下震級(jí)選擇按鈕即可停止 。停止同時(shí)再次發(fā)送停止視頻命令到計(jì)算機(jī)，停止同步地震視頻。
2．2 典型程序
地震起停程序如圖5和圖6所示，本設(shè)計(jì)為單鍵起動(dòng)停止，為了防止按鍵抖動(dòng)或多次重復(fù)按下問(wèn)題，用 M50作為中間狀態(tài)，按 X6后只能在1s后才能重新有效。每按下 1次X6，M1狀態(tài)取反 1次，利用M1的上升沿和下降沿去起動(dòng)和停止震動(dòng) 。起動(dòng)時(shí)向計(jì)算機(jī)發(fā)送存放在 D150中的地震模擬動(dòng)作時(shí)，由于發(fā)送脈沖的次數(shù)多，而且運(yùn)動(dòng)行程的控制緊湊，如采用回原點(diǎn)時(shí)的脈沖指令，由于脈沖指令在主程序中一個(gè)脈沖輸出口的指令只能允許出現(xiàn)一次，即使用順序功能控制法解決亦會(huì)出現(xiàn)程序冗長(zhǎng)的問(wèn)題。因而采用順序功能塊指令，即BLOCK指令，該指令是為了實(shí)現(xiàn)某些功能而存在的一段程序塊?？?以將 BLOCK理解為一個(gè)特殊的流程，在這個(gè)特殊的流程里，所有的程序按照一個(gè)原則來(lái)執(zhí)行，即順序執(zhí)行原則，這也是 BLOCK與一般流程最大的不 同之處。BLOCK開(kāi)始于 SBLOCK、結(jié)束于 SBLOCKE，中間為編程人員書(shū)寫(xiě)指令區(qū)。在同一個(gè)BLOCK中允許包含多個(gè)發(fā)脈沖指令，脈沖指令將按照觸發(fā)條件成立的先后順序依次執(zhí)行；同時(shí)，先執(zhí)行的脈沖指令結(jié)束后才開(kāi)始下一條脈沖指令的執(zhí)行。只要順序功能塊的執(zhí)行條件滿足，順序功能塊可 以不斷地執(zhí)行 ，直至條件不滿足為止。BLOCK 的這種特性為地震動(dòng)作脈沖的執(zhí)行帶來(lái)了方便。圖8所示為縱橫交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)部分的順序功能塊。
3 結(jié)論
基于PLC技術(shù)的地震模擬平臺(tái)，動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了當(dāng)今革命性產(chǎn)品電動(dòng)缸，很好地替代了普遍采用的液壓缸和氣缸，實(shí)踐證 明了電動(dòng)缸在多方面的優(yōu)越性。設(shè)計(jì)的地震模擬平臺(tái)可以進(jìn)行多級(jí)震感的選擇，并配合計(jì)算機(jī)地震視頻影片進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)加入屏閃燈、煙霧機(jī)噴煙等效果，使體驗(yàn)者可以身臨其境地體驗(yàn)真實(shí)地震的感覺(jué)，更好地滿足了人們通過(guò)模擬地震獲取地震知識(shí)的迫切需求。