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伺服电动缸在地震模拟平台控制系统中的设计与应用

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伺服电动缸在地震模拟平台控制系统中的设计与应用

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自2008年汶川大地震后,人们了解地震知识的欲望变得越来越强烈,开展有关地震知识的宣传教育成为当务之急,为此设计了基于现代可编程序控制(PLC)技术的地震模拟平台。可编程控制器 由于其可靠性高、易使用等特点广泛应用于各个领域的智能控制。地震平台采用了当前的革命性产品电动缸,摒弃了目前普遍使用的液压缸及气缸驱动的方式。电动缸是将伺服电机与丝杠一 体化设计的模块化产品,将伺服电机的旋转运动转换成直线运动,同时将伺服电机最佳优点精确转速控制、精确转数控制和精确扭矩控制转变成精确速度控制、精确位置控制和精确推力控制。实践证明电动缸完全可以替代液压缸和气缸,并具有实现环境更环保,更节能,更干净等优点,很容易与PLC等控制系统连接,实现高精密运动控制。

1. 系统的组成

1.1 平台结构

地震模拟平台采用框架式结构,由2个纵向电动缸及2个支承缸进行支承,可以模拟纵波产生的纵向震动。此外,为了能模拟横向震动,地震平台采用连杆机构与横 向电动缸进行连接。

1.2 控制系统

根据系统控制要求,控制驱动系统的控制核心是上位运动控制器,采用专用的运动控制型PLC。目前许多PLC都可以配置定位模块,有些 PLC的CPU本身应具备运动控制指令,如脉冲输出指令。驱动电机系统 目前主要有步进 电机和伺服 电机,步进电机在运动精度、矩频特性、速度响应及运行特性等方面均与伺服电机有不小的差距。考虑到地震模拟平台对转矩的恒定要求 (即不能因为震级大而出现载人时转矩不足的问题)以及对速度响应的高要求,选择了伺服电机和配套伺服驱动器。执行机构采用电动缸,又叫电动推杆,相对于液压缸和气缸,电动推杆具有以下优点:①不需要复杂的成套系统支持 (包括泵 ,管道,阀门,过滤器,很多接头等)。②可以节约很多空间,而且在无维护的情况下,安全可靠地工作。③只需电机驱动,没有油污的污染,大幅度降低噪音 ,保持洁净、安静的工作环境等。电动缸将电机的旋转运动通过丝杠和丝杠副的机械运动转换为推杆的直线运动,由于其控制、使用的方便性,将实现气缸和液压缸传动所不能实现的精密运动控制。控制系统的核心采用可编程序控制器,根据地震平台的控制要求,得到如表 1所示的地震平台PLC的I/O分配表。本设计 中横向电动缸的伺服电机由YO和Y1控制,分别作为脉冲和方向;纵向2个电动缸的伺服电机由Y2、Y3同步控制。另外,系统中加人了屏闪灯、烟雾机喷烟等效果,使体验者可以身临其境地体验真实地震的感觉。除了电动缸的动作以外,还加入了专用震动电机驱动凸轮机构产生附加震动,使地震效果多样化。

2 控制过程及程序

2.1 运动控制流程

运动控制流程简图如 图4所示,按下不同震级选择按钮后 PLC开始初始化,对照相应的级别设定相应 电动缸往返运动的位置和速度,在 PLC中意味着对应缸的脉冲数和脉冲输出频率。启动后以自由格式发送命令到上位计算机,调出地震互动视频,同时控制 3个 电动缸执行回原点的动作,原点用下限位开关设定。配合地震视频,在震动开始时PLC控制电动缸按地震规律进行动作,即先纵向震动后横 向震动再纵横混合震动的规律。在地震模拟过程中实时熄灭照明灯,并启动屏闪灯和烟雾机喷出烟雾,辅以视频声音,制造出紧张的氛围。欲停止地震,可再次按下震级选择按钮即可停止 。停止同时再次发送停止视频命令到计算机,停止同步地震视频。

2.2 典型程序

地震起停程序如图5和图6所示,本设计为单键起动停止,为了防止按键抖动或多次重复按下问题,用 M50作为中间状态,按 X6后只能在1s后才能重新有效。每按下 1次X6,M1状态取反 1次,利用M1的上升沿和下降沿去起动和停止震动 。起动时向计算机发送存放在 D150中的地震模拟动作时,由于发送脉冲的次数多,而且运动行程的控制紧凑,如采用回原点时的脉冲指令,由于脉冲指令在主程序中一个脉冲输出口的指令只能允许出现一次,即使用顺序功能控制法解决亦会出现程序冗长的问题。因而采用顺序功能块指令,即BLOCK指令,该指令是为了实现某些功能而存在的一段程序块。可 以将 BLOCK理解为一个特殊的流程,在这个特殊的流程里,所有的程序按照一个原则来执行,即顺序执行原则,这也是 BLOCK与一般流程最大的不 同之处。BLOCK开始于 SBLOCK、结束于 SBLOCKE,中间为编程人员书写指令区。在同一个BLOCK中允许包含多个发脉冲指令,脉冲指令将按照触发条件成立的先后顺序依次执行;同时,先执行的脉冲指令结束后才开始下一条脉冲指令的执行。只要顺序功能块的执行条件满足,顺序功能块可 以不断地执行 ,直至条件不满足为止。BLOCK 的这种特性为地震动作脉冲的执行带来了方便。图8所示为纵横交错运动部分的顺序功能块。

3 结论

基于PLC技术的地震模拟平台,动作执行机构采用了当今革命性产品电动缸,很好地替代了普遍采用的液压缸和气缸,实践证 明了电动缸在多方面的优越性。设计的地震模拟平台可以进行多级震感的选择,并配合计算机地震视频影片进行相应的动作,同时加入屏闪灯、烟雾机喷烟等效果,使体验者可以身临其境地体验真实地震的感觉,更好地满足了人们通过模拟地震获取地震知识的迫切需求。