1、机 电 一 体 化体 验 装 置 的设 计 与 分 析 李晓燕 黄小 欢 王江 江 西 机电 职 业技 术 学院 摘 要： 伴随着国家大力开展职业教育, 高职院校越来越注重学生实际操作能力的培养, 对实训教学设备需求量越来越大, 而随着机械与 电子技术的进一步融合, 我们 的教学仪器也将向着形式丰富多彩、 寓教于乐的方向发展, 本文提出设计一台用 于机械电子工程教学的体验机器, 让人切身体验动力和运动的传动, 完成机械 能与其他形式的能量之间的转换, 本项目的应用推广将产生较好的市场前景和 社会经济效益。 关键词 ： 机电一体化; 体验装置; 能量转换; 作 者简 介： 李晓燕 (1961-)
2、 , 女, 江西分宜人, 大学本科, 工学学士, 高级工 程师, 研究方向:机电产品研制。 机械技术是研究机械中的结构和运动以及机器的结构、 受力、 质量和运 动的学科, 在实际工程应用中机械装置用来做功或完成机械能与其他形式的能量之间的转 换。机电一体化又称机械电子学, 英文称为 Mechatronics, 它是由英文机械学 mechanics 的前半部分与电子学electronics 的后半部分组合而成, 机械电子学 主要研究目的是把机械技术与微电子技术和信息技术有机地结合为一体, 将电 子器件的信息处理和控制功能附加或融合在机械装置中的一种复合化技术, 实 现整 个系统的最优化。 机械电
3、子学可以充分发挥机械技术、 微电子技术和信息技 术的各自的长处和特点, 促进机械产品的更新换代。 机械电子学系统主要由机械 主体、传感器、信息处理和执行机构等部分组成1。机电一体化产品最显著的 特点就是突破了原来传统机电产品的单技术和单功能的局限性, 将微电子技术 引入传统产业, 将多种技术与功能集成于一体, 使其功能更加强大。 在机械电子课程的学习过程中, 一方面要注意这些理论和方法在理论上建立和 推演的严密性和逻辑性, 另一方面更要注意这些理论和方法如何在工程实际中 的应用, 还应随时留意日常生活和生产中遇到的各种机电结合体, 以丰富自己 的感性认识;并用所学到的理论和方法认识分析这些机器
4、, 加深理解, 使理论和 实践相互促进。因此本文提出设计这样一台用于机械电子工程教学的体验机器, 达到以下体验功能: 1) 速度体验:体验者蹬动体验机脚踏板, 扳动变速器可获得到多挡输出速度 (传动速比从增速到减速) , 数码管显示器显示即时主动和从动链轮的转速; 2) 负荷体验:体验者通过变更飞轮阻尼感受到蹬踏阻力的变化, 深刻体会机械 传动时 负载增加时的能量传递状况, 理解负载增加对传动效率的影响, 理解动 力与机械功或者传动扭矩的关系, 即负荷越大需要做的机械功或者传动扭矩就 越大; 3) 微电控制体验:微电控制系统根据体验者体验时链轮输出速度的级别, 根据 速度级别驱动喷绘和灯带点阵
5、组合局部逐渐全面展开, 并配以相应的动感音乐; 4) 能量转换体验:通过驱动飞轮的转速带动感应发电, 利用这个电量现场为手 机充电这个事实, 体验到机械能到电能的转化。 这台声光电显示的机械变速体验装置既能表达一般的机械问题, 让人切身体验 动力和运动的传动, 完成机械能与其他形式的能量之间的转换, 又能在体验中 复习理解本课程所学过的一系列内容:机械技术、单片机控制技术、电工电子技 术、 微电子技术、 信息技术、 传感器技术、 接口技术、 信号变换技术等等, 提高 学生的专业素养, 帮助其更好地掌握机械技术和电气技术的基础理论和专业知 识, 具备相应实践技能以及较强的实际工作能力。 经过广泛
6、搜集技术资料和市场调查, 我们制定了技术路线如下图所示: 一个机电一体化系统中一般由结构组成要素、 动力组成要素、 运动组成要素、 感 知组成要素、 职能组成要素五大组成要素有机结合而成。 本文分别按照机械本体、 检测传感部分、电子控制单元及执行器和动力源等构成部分展开论述。 1 机械本体 机械本体 (结构组成要素) 是系统的所有功能要素的机械支持结构。 我们制造体 验机械的目的是既要表达一般的机械问题, 让人切身体验动力和运动的传动, 还要完成机械能与其他形式的能量之间的转换, 因此在各类常用机械结构中选 用日常生活中随处可见的链传动机构, 体验者能直观地了解机械传动原理, 以 此类推 出其
7、它机械传动形式如皮带传动、 齿轮传动等的特性。 机械本体由固定式 机架 (包括鞍座扶手等) 、 脚踏装置、 由主动 轮和从动轮及链条组成的链传动系 统及其调速装置、 输出阻尼装置及其阻尼调节器组成, 机械传动原理如下图所示, 主动轴的3 个链轮与从动轴的 9 个链轮分别配对可获得者 27 级输出速度, 通过 齿数比可以计算出速率为 40.69 不等。体验者坐在机架的鞍座上双脚交替踏动 踏板完成体验, 在体验中通过记录各个档位链传动的输入和输出速度, 计算出 每一档传动比值, 通过变更车轮阻尼感受到蹬踏阻力的变化, 深刻体会机械传 动时负载 增加时的能量传递状况, 理解负载增加对传动效率的影响,
8、 理解动力与机械功或者传动扭矩的关系, 即负荷越大需要做的机械功或者传动扭矩就越 大2。 2 检测传感部分 测试传感部分 (感知组成要素) 对系统的运行所需要的本身和外部环境如材料、 机件、 现场等各种参数和状态进行无损探伤、 检测和计量, 并变成可识别的信号, 传输给信息处理单元, 经过分析、 处理后产生相应的控制信息。 传感器是整个 设 备的感觉器官, 用于将检测到的位移速度等运动参数转换成为电量输出。 传感器一般由敏感元件、 转换元件和基本转换电路组成, 本系统选用霍尔传感器 完成测试功能:敏感元件是安装在链轮上的永磁铁, 转换元件则是安装机架上相 应的位置作为磁敏感电路中的导体, 当永
9、磁铁通过位于磁场中的导体的时候, 磁场会对导体中的电子产生一个横向的作用力, 从而在导体的两端产生电压差, 经过磁敏感电路的一系列处理, 数字输出集电板输出低电平, 信号灯亮;如果电 路没有感应到磁场, 则数字输出高电平, 信号灯不亮3-4。 因此, 分别安装在主动和从动链轮上的霍尔尔传感器将无能运动要素转换为电 量数字送入微机控制系统。 3 电子控制单元及执行器 控制及信息处理部分 (职能组成要素) 将来之测试传感部分的信息及外部直接 输入的指令进行集中、 存储、 分析、 加工处理后, 按照信息处理结果和规定的程 序与节奏发出相应的指令, 控制整个系统有目的的运行。 执行机构 ( 运动组成要
10、 素) ;根据控制及信息处理部分发出的指令, 完成规定的动作和功能。 本系统电子控制单元需完成将检测到的脚踏板和后轮速度信号实时显示到数码 管模组上, 同时灯带组成的, 分为电源电路、主控驱动电路、数码管模组电路、 脚踏板测速电路、 后轮测速电路、 低速灯带显示电路、 高速灯带显示电路和音乐 播放电路5。 主控制器选用的是 STM32F407VET6, 该控制芯片最高工作频率可达到 168MHz, 具有32-bit 定时器 2 个, SPI 通信接口3 个, GPIO 口82 个, 完全满足系统 IO 需求。 数码管模组则由 ULN2803 与74HC595 多级级联组合而成, 通过串行接口与
11、 主控通信。 后轮测速电路利用霍尔传感器感应磁场的特性, 将磁铁安装于后轮钢 丝上, 定时器检测两次感应到磁场的时间差值, 经过计算得出后轮运动速度R/Min ( 转/分钟) 。 脚踏板测速同理。 灯带显示部分设计为走向光明图案, 灯带 随着速度的增大而不断点亮, 5050 贴片内置 WS2811 芯片LED 非常适合本方案, 它能做到对单个LED 进行65535 种色彩控制, 一根灯带上可以有144 个灯珠, 控 制精确, 色彩丰富。MP3 音乐播放电路采用 5V 供电, 外接9 个触发端口, 可直 接触发9 首歌曲, 最大支持16G 内存, 可对音量大小进行调节, 同时具有单曲循 环功能。
12、 本文对机电一体化系统的建模设计、 分析和集成方法, 机电一体化的学科体系和 发展趋势都进行了分析研究, 项目的创新点在于机械电子技术的有机结合:通过 机械装置实现动力与运动之间的传递, 完成机械能量与电能的转换, 将人的力 量通过机械运动产生的结果在微电技术控制下以声光电等的多媒体形式表现出 来。 伴随着国家大力开展职业教育, 高职院校越来越注重学生实际操作 能力的培 养, 对实训教学设备需求量越来越大, 而随着机械与电子技术的进一步融合, 我们的教学仪器也将向着形式丰富多彩、 寓教于乐的方向发展, 本项目的应用推 广也将产生较好的市场前景和社会经济效益。 参考文献 1 孙卫青, 李建勇.机 电一体化技术 (第2 版) M.北京:科学出版社, 2009. 2 方贵盛.机电一体化 专业实验室建设与管理J.实验室研究与探索, 2011, 30 (12) :212-216+221. 3 周阳, 周旭妮.机电 一体化技术在机械制造业中的应用分析J.硅谷, 2015, 8 (3) :133-134. 4 熊春贵.机电一体化 技术及发展方向综述J.南方农机, 2015, 46 (9) :55-56. 5 徐章锁.基于虚拟原 型的机电一体化建模与仿真技术研究D.西安:西安电子 科技大学, 2013.
