伺服電動缸在地震模擬平臺控制系統(tǒng)中的設計與
瀏覽： 發(fā)布日期：2021-05-12 06:46:43
自2008年汶川大地震后，人們了解地震知識的欲望變得越來越強烈，開展有關地震知識的宣傳教育成為當務之急，為此設計了基于現(xiàn)代可編程序控制(PLC)技術的地震模擬平臺?？删幊炭刂破?由于其可靠性高、易使用等特點廣泛應用于各個領域的智能控制。地震平臺采用了當前的革命性產品電動缸，摒棄了目前普遍使用的液壓缸及氣缸驅動的方式。電動缸是將伺服電機與絲杠一 體化設計的模塊化產品，將伺服電機的旋轉運動轉換成直線運動，同時將伺服電機最佳優(yōu)點精確轉速控制、精確轉數控制和精確扭矩控制轉變成精確速度控制、精確位置控制和精確推力控制。實踐證明電動缸完全可以替代液壓缸和氣缸，并具有實現(xiàn)環(huán)境更環(huán)保，更節(jié)能，更干凈等優(yōu)點，很容易與PLC等控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)高精密運動控制。
1． 系統(tǒng)的組成
1．1 平臺結構
地震模擬平臺采用框架式結構，由2個縱向電動缸及2個支承缸進行支承，可以模擬縱波產生的縱向震動。此外，為了能模擬橫向震動，地震平臺采用連桿機構與橫 向電動缸進行連接。
1．2 控制系統(tǒng)
根據系統(tǒng)控制要求，控制驅動系統(tǒng)的控制核心是上位運動控制器，采用專用的運動控制型PLC。目前許多PLC都可以配置定位模塊，有些 PLC的CPU本身應具備運動控制指令，如脈沖輸出指令。驅動電機系統(tǒng) 目前主要有步進 電機和伺服 電機，步進電機在運動精度、矩頻特性、速度響應及運行特性等方面均與伺服電機有不小的差距。考慮到地震模擬平臺對轉矩的恒定要求 (即不能因為震級大而出現(xiàn)載人時轉矩不足的問題)以及對速度響應的高要求，選擇了伺服電機和配套伺服驅動器。執(zhí)行機構采用電動缸，又叫電動推桿，相對于液壓缸和氣缸，電動推桿具有以下優(yōu)點：①不需要復雜的成套系統(tǒng)支持 (包括泵 ，管道，閥門，過濾器，很多接頭等)。②可以節(jié)約很多空間，而且在無維護的情況下，安全可靠地工作。③只需電機驅動，沒有油污的污染，大幅度降低噪音 ，保持潔凈、安靜的工作環(huán)境等。電動缸將電機的旋轉運動通過絲杠和絲杠副的機械運動轉換為推桿的直線運動，由于其控制、使用的方便性，將實現(xiàn)氣缸和液壓缸傳動所不能實現(xiàn)的精密運動控制。控制系統(tǒng)的核心采用可編程序控制器，根據地震平臺的控制要求，得到如表 1所示的地震平臺PLC的I／O分配表。本設計 中橫向電動缸的伺服電機由YO和Y1控制，分別作為脈沖和方向；縱向2個電動缸的伺服電機由Y2、Y3同步控制。另外，系統(tǒng)中加人了屏閃燈、煙霧機噴煙等效果，使體驗者可以身臨其境地體驗真實地震的感覺。除了電動缸的動作以外，還加入了專用震動電機驅動凸輪機構產生附加震動，使地震效果多樣化。
2 控制過程及程序
2．1 運動控制流程
運動控制流程簡圖如 圖4所示，按下不同震級選擇按鈕后 PLC開始初始化，對照相應的級別設定相應 電動缸往返運動的位置和速度，在 PLC中意味著對應缸的脈沖數和脈沖輸出頻率。啟動后以自由格式發(fā)送命令到上位計算機，調出地震互動視頻，同時控制 3個 電動缸執(zhí)行回原點的動作，原點用下限位開關設定。配合地震視頻，在震動開始時PLC控制電動缸按地震規(guī)律進行動作，即先縱向震動后橫 向震動再縱橫混合震動的規(guī)律。在地震模擬過程中實時熄滅照明燈，并啟動屏閃燈和煙霧機噴出煙霧，輔以視頻聲音，制造出緊張的氛圍。欲停止地震，可再次按下震級選擇按鈕即可停止 。停止同時再次發(fā)送停止視頻命令到計算機，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，本設計為單鍵起動停止，為了防止按鍵抖動或多次重復按下問題，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和停止震動 。起動時向計算機發(fā)送存放在 D150中的地震模擬動作時，由于發(fā)送脈沖的次數多，而且運動行程的控制緊湊，如采用回原點時的脈沖指令，由于脈沖指令在主程序中一個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出現(xiàn)程序冗長的問題。因而采用順序功能塊指令，即BLOCK指令，該指令是為了實現(xiàn)某些功能而存在的一段程序塊。可 以將 BLOCK理解為一個特殊的流程，在這個特殊的流程里，所有的程序按照一個原則來執(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開始于 SBLOCK、結束于 SBLOCKE，中間為編程人員書寫指令區(qū)。在同一個BLOCK中允許包含多個發(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，先執(zhí)行的脈沖指令結束后才開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作脈沖的執(zhí)行帶來了方便。圖8所示為縱橫交錯運動部分的順序功能塊。
3 結論
基于PLC技術的地震模擬平臺，動作執(zhí)行機構采用了當今革命性產品電動缸，很好地替代了普遍采用的液壓缸和氣缸，實踐證 明了電動缸在多方面的優(yōu)越性。設計的地震模擬平臺可以進行多級震感的選擇，并配合計算機地震視頻影片進行相應的動作，同時加入屏閃燈、煙霧機噴煙等效果，使體驗者可以身臨其境地體驗真實地震的感覺，更好地滿足了人們通過模擬地震獲取地震知識的迫切需求。