机电一体化执行元件总体方案设计

摘要：本文主要对此执行元件的机械、电驱动执行和信号检测三方面进行研究，完成了相应的设计与分析计算，根据项目要求，提出了设计方案，确定了合理的传动机构，经过一系列计算选取了此机电一体化执行元件中各单元的参数，提高了效率。

关键词：机电一体化；执行元件；方案设计

机电一体化技术的迅速发展使得机构在实现原理和组成内容等方面有了突破性的进展，发展成为具有更广泛意义的广义执行机构。广义执行机构是由是驱动元件与执行件(或执行机构)组成的可控执行机构，是机电一体化系统的核心。广义执行机构最主要的特点就是可控性，它的输出运动是由机构参数和输入函数共同决定的，改变控制程序就可使同一机构系统实现不同需要的输出运动或改进机构的运动和动力参数，因此广义执行机构具有传统机构无可比拟的优越性和更大的设计空间。电动机是将电能转化为机械能的装置，可以说是现在世界上使用最普遍的装置，如果没有电机这样的装置，我们甚至无法想象我们这个世界会是什么样子。但原始的电机的功能却是单一的，就是接受电流以后转动，转数是恒定的，然而，人们对生产、生活的速度要求却是多种多样的，由它带动的机械对转数的要求也是多种多样化。

一、总体方案设计思路

1．总体设计要求

盖板能够实现可靠的打开及关闭是实现远程操控系统在各种恶劣环境下可靠地执行勤务和值守任务的保障，也是远程操控系统实现从勤务状态到戒备值守状态快捷、可靠、准确转换的关键。因此，为使此机电一体化执行元件在远程操控的各种工作状况下均能可靠地工作，其总体设计应满足如下要求：(1)应保证盖板在关闭状态下，密封可靠．具有防雨、防潮、防盐雾侵入等功能，并且使关闭后的盖板结构牢同，具有防盗、防撬和防撞击功能。保证此机电一体化执行元件在承受较大的外力撞击后，仍能正常可靠地工作，盖板仍能正常、轻松地开启。(2)盖板的开启和关闭应平稳、可靠、快捷，并可同时实现自动扁闭和应急人工手动启闭。具有机电联动互锁功能，保证自动启闭可靠、准确，手动扁闭轻松、方便，不误动，不锁死。(3)此机电一体化执行元件结构应尽量紧凑、体积小、重量轻，以便于在整个系统中的结构布置。(4)所控制的盖板在开启位置同样应保持锁定状态，并能保证在承受高频、强冲击载荷作用下不致松脱，从而造成误关闭的现象。

根据以上总体设计的要求，初步设想盖板采用骨架式蒙皮结构，为防止盗撬并适应各种恶劣的工作环境，盖板的启闭门轴以及启闭用机电器件在盖板关闭的状态下均应藏在平台本体的内侧。盖板关闭的锁定装置考虑采用具有防盗撬功能，能同时承受纵横向载荷的卡板式机械电子双控互锁式门锁，要求门锁在盖板承受较大的撞击后，仍不失效且能正常开启。另外，卡锁装置应与盖板自动启闭驱动和传动装置实现联动。当采用电子开锁时，应在开锁同时，接通驱动电机和电磁离合器，使盖板自动启闭。而当采用机械开锁时，则应切断驱动电源并使离合器分离。

2．机电一体化执行元件组成和接口

本文所研究的机电一体化执行元件主要分为三个部分：机械部分、电驱动执行部分、信号检测及控制部分，机械部分主要包括盖板、滑轨、减速器、丝杠等构件。电驱动执行部分主要包括驱动电机、电磁离合器以及卡锁电磁铁等构件。信号检测及控制部分主要有单片机、各传感器及数据传输总线组成。机械部分和电驱动执行部分完成整个过程巾的运动和能屠传递，信号检测及控制部分负责监测和接收盖板的状态信号，对数据和信息进行存储、变换等处理，并发送指令给驱动电路，以完成规定动作。

二、各组成部分方案设计

1．机械传动部分设计

本机电一体化执行元件的传动机构主要由电机、减速机构、离合器和丝杠等组成。通过驱动电机，经减速器带动丝杠转动，然后再通过与之配合的螺母把丝杠的旋转运动转变为盖板的平行运动，从而控制盖板的打开与关闭。减速器采用齿轮减速，主要是考虑其体积小，重量轻，传递转矩大，并且启动时转动惯量较小。采用滚珠丝杠主要是考虑其传动比大，轴向推力大，可使盖板肩闭轻松方便，另外，滚珠丝杠为非自锁丝柙，其传动具有可逆性，当位于减速器与滚珠丝杠之间的离合器脱离时，盖板町采用手动启闭，而不会由于传动链逆向自锁而卡死。

2．机电一体化执行元件工作流程分析

此机电一体化执行元件要实现远程控制，通过操作上位机发出指令来控制远程的电机正反转以及停转来控制盖板的打开和关闭。并通过检测装置检测盖板的位置和工作情况，并把盖板的工作状态反馈给上位机。在本机电一体化执行元件中主要是对盖板打开以及闭合的控制、卡销电磁铁和电磁离合器的控制。经过各方面的考虑，其中包括成本的考虑，选择采用位置控制的方式。通过对被控对象位置的检测达到系统控制的目的。盖板开启至工作位置时的锁定可采用常闭式电磁铁控制锁定销的运动来实现。在开启位置卡锁电磁铁断电将盖板锁定。而要将盖板关闭时，电磁铁工作，盖板解锁，即可在动力驱动下关闭。盖板的锁定机构要同时具有手工解锁功能，以备手动启闭盖板之需。

三、信号检测与控制部分方案设计

在盖板平台的控制系统中，单片机控制器通过CAN总线可以从上位机获得控制指令和运动数据，控制器输出的控制信号，经电机驱动器处理后控制直流电动机，从而控制盖板的运动。主控模块作为控制系统的核心部分对此机电一体化执行元件进行统一安排和调度，它通过分析监控平台传送的控制指令、系统状态和全局环境信息，规划盖板运动的轨迹并完成相应的运动控制。控制部分实现的功能：(1)实现盖板的开关动作：在单片机的作用下，控制电机实现盖板的开关动作。(2)实现微机软件控制盖板：利用计算机的软件实现单片机与上位机的通信，完成盖板的开关动作。其中系统的主要部分就是单片机控制外部电机的转动以及单片机和上位计算机的通信。这两个功能正是单片机系统中常用的关键技术，本论文在后面的章节中将会着重介绍这两个方面的功能。此系统具有以下特点：(1)使用方便：体积小，重量轻，不占用太多的空间。(2)操作简单：操作人员通过远程计算机实现盖板的开关动作。(3)程序简单：无论是计算机还是单片机的程序都很简单，不占用太多的程序空间。(4)成本低：使用最为简单的控制方案。本系统对盖板的控制更加智能化，开关过程更加可控化，可以利用一个单片机控制多个盖板的开关动作。甚至可以通过微机和单片机的连接，在用户的可视化窗口上随时控制盖板的开关，从而形成一个较为智能的盖板控制系统。基于单片机的盖板检测与控制系统可以分为：(1)微机及控制软件：提供用户微机程序界面，并将用户对盖板的操控转化为控制指令发送到下位机。(2)单片机控制单元：监测和接收外部状态信号，并发送指令给驱动电路，控制盖板的开关。(3)驱动电路：驱动盖板的电机动作，带动传动机构实现盖板的开关。(4)检测部分：利用传感器检测各器件的状态，并进行反馈。

总之，随着科学技术的飞速发展，特别是机电一体化技术在诸多领域的应用，促使系统的智能化程度越来越高，并日益成为此类执行元件发展的一大趋势。

参考文献：

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