基于楔形传动的电子机械线控制动系统研究

杨忠明

（兰州生产力促进中心，甘肃 兰州 730030）

随着电子机械线控技术快速发展，对线控制动系统要求越来越高。在工业生产中，机器设备一般是由人工操作、手动操纵和自动控制系统等组成。传统意义上的机械结构主要依靠人为操控进行，来实现机器运作过程中所需要实现的任务；现代社会生产，对自动化程度及智能化水平提出了更高要求。为满足这一需求并使其能够更好地服务于工业生产领域，需要对机械线控制动系统进行研究。

1 电子机械线控制动系统

电子机械线控制动系统是由一个可控的控制器对带板和电动机等部件进行精确位置测量、角度计算以及角度显示，并将其转化为标准形式，再通过数字化信息传递给传动机构。当电动机转动一定角度时，通过控制系统输出脉冲信号实现对电路调制。当两个步进轴上存在相同速度时，会导致其旋转角相对固定，此时，两脉冲信号输入单片机内部就会产生两次相反的频率差；而当两个步进轴上没有类似速度输出时，则为0 V=5 v-3 h之比电压大小是1 K/mA。当转子转动的方向与定子旋转角相对一致时，输出脉冲信号，从而控制电动机反转。

电子机械线控制动系统的数学模型与方程如式（1）：

式（1）中，I 为电机的线圈端电流；v 为输入的控制信号；kk为控制信号与线圈端电流之间的转换关系，单位为A/V。

电机内部磁通恒定，则其电磁驱动转矩如式（2）：

式（2）中，Te 为电机内部电磁驱动转矩，单位为N·m；Cm 为电机的转矩常数，单位为N·m/A。

当电机控制器根据输入的控制信号，向电机供给相应的电流，随直流力矩电机模型电枢电压变化，为电动机提供稳定的电机线圈端电流收到相应信号，如公式（1）所示，电动机内部磁通保持恒定，使电动机内部电磁驱动转矩发生反应，如公式（2）所示。在研究过程中，利用传统步进电机驱动电路和驱动器设计方法，结合下一步所需数据建立基于楔形传动特性曲线的单自由度梯形斜面运动学仿真平台，以实现整个机械线方向性力矩可调、角度可控及滑块移动时稳定性等方面的研究。

2 电子机械线控制动器构型分析

2.1 串联直驱构型

串联直驱式电子机械线控制动器是当前研究和应用最多的一种，如图1所示，其结构比较紧密，与常规的液压制动钳相比差别不大，在传统的制动式基础上进行改进较方便，但存在一些弊端，由于电机、减速器、滚珠丝杠等轴向串联且横向排列，所以占用轮腔内轴向空间较多，容易干扰轮腔内部的其他部件，因此一般的解决办法是采用专用的大直径电机，许多研究结果都是采用大减速比驱动的低速大转矩直流电动机，但由于此类电动机驱动功率、额定转速偏低，使实际制动力响应偏慢。

图1 串联直驱构型

2.2 楔形自增力构型

楔形自增力结构紧凑，可以充分利用楔块的作用，从而可以应用更大的传动比，使电子机械的一部分动能转化成动力，使轮子地夹紧变紧，通常使用低功率的小型电动机配合低档滚珠丝杠，以驱动楔形块。其制动器系数如式（3）：

其中，Fb为制动盘切向力，Fscrew为电机经滚珠丝杠转化后的推力，α 为楔块夹角，m 为制动盘与摩擦片的摩擦系数。

随着公式（3）的逼近，放大系数的变化趋势是无穷大的，楔形块与摩擦片、闸板之间就会无穷夹紧，也就是所谓的“死点”。为防止刹车出现“死点”，必须在系统接近“死点”时对楔形块施加反作用力。由于“死点”的位置与摩擦因数有关，并且在实际应用中会出现摩擦、沾污、磨损等问题，所以很难对“死点”进行精确监控，既需要高精度、高响应速度的压力传感器，又需要有稳定的摩擦系数估算法。在机构设计上，由于其特殊的外形和摩擦片变形，使其运动轨迹较为复杂，难以进行约束结构的设计。

2.3 单浮动楔形传动增力构型

基于上述两种方案，现介绍一种基于楔型驱动的电子机械式电子机械制动器——单浮动楔型传动增力机构，如图2 所示。该结构通过电动机-减速-滚珠-螺杆的运动变换，把电动机的转矩转化成线性动力；采用横向传动装置，电机、减速器、滚珠丝杆均能横向排列于车轮内部，从而降低车轮内部的轴向空间；采用楔型驱动原理，实现大减速比；在活塞上施加径向约束，可有效防止因自增力作用而产生的“死点”，从而使压力更容易控制，而且相对于自增力类型，具有更好的稳定性。

图2 单浮动楔形传动增力构型

3 电子机械线控制动系统的仿真分析

3.1 电子机械线控制动系统模型

研究电子机械线控制动系统是为了解决如何在二维平面内对带传动比一级、二级齿轮齿数及不同位置上的电机转速进行调节。（1）对于第一个基于楔形结构设计制造出来的线控制动系统，其二维空间可以进行无限延伸，这样就会产生很大变幅。因此需要利用楔型结构来改变传统机械线控制动系统中的纵向运动副链条，从而达到调整传动比级和减小传动距离的目的。（2）对于第二个基于梯形结构设计制造出来的电子机械线控制动系统，可以通过改变斜楔形机构来实现对带传动比一级齿轮齿数及不同位置上电机转速地调节；或者直接利用滑块和导板之间的摩擦力进行调整。（3）对于第一个基于滑块的控制动系统，可以利用楔形机构来实现对带传动比一级齿轮齿数及不同位置上电机转速地调节。

3.2 楔形传动电子机械线控制动系统的建立

通过对楔形传动进行参数化设计和计算，来利用电子机械线实现控制。首先建立一个虚拟的控制系统。先为控制器件完成系统初始设置；楔形传动电子机械线控制动系统控制器件系统初始设置。然后再完成电机正反转、加速减速等子程序设定；最后将数据输入单片机中进行处理后得到最终输出驱动步进电动机的电脉冲信号，通过放大电路和功率模块实现控制命令下达并由伺服驱动器执行相应操作动作。通过单片机将数据处理后得到的结果输出驱动步进电机。本设计要求在对楔形传动进行参数化设定时，以芯片做为控制器件，再利用执行元件实现控制命令下达并由步进电机驱动模块完成相应操作。

3.3 电子机械线控制动系统的动力学仿真

在对整个系统进行动力学仿真时，需要考虑以下问题：（1）对于一个控制动系统，要保证其动态响应的快速性和准确性，就要求在设计过程中采用多台控制器同时作为上位机。通过串口通讯模块将程序发送给中央控制系统（PLC）；再由计算机根据指令执行单元输出相应动作，来实现各子系统之间的协调运动关系及动力学特性等特征信号传递方式，称为电子机械线控制动系动力耦合，它不仅可以使整个系统响应速度加快、动态性和准确性高，而且可以保证整个系统的动态特性和动力学特征。（2）为了使电子机械线控制动系在运动过程中保持良好的平衡性，必须要对控制系统进行动力学仿真。由于整个系统是一个复杂的多变量控制系统，其结构和控制特性都非常灵活。因此，在对电子机械线运动学进行动力学仿真时必须考虑以下问题：（1）在设计过程中应尽可能使输入量少一些；（2）为了仿真模型及计算结果更简单方便，要求参数满足快速性、动态响应速度快以及稳定性能高；（3）当系统处于非平衡状态下或者是由于外部干扰导致控制系统不能正常工作，或者是在系统内部出现了较严重的干扰，导致电子机械线控制动系产生较大失真，此时应进行动力学仿真。

3.4 电子机械线控制动系统的数学模型及仿真

通过前面的研究，可以得到以下模型：（1）基于楔形齿杆控制动面转矩时，在摩擦副接触面积相同情况下；当电机速度一定时输出一个力作为电子机械线的动力。当电机转速较高时负压脉冲信号驱动转子转动，而此时施加力给电刷和触点提供了一个恒定电流来推动滑块做直线运动。（2）利用平衡弹簧实现对丝杆移动过程中所需的转矩进行控制，即丝杆移动过程中所需的力矩与电机转速成负比例关系，且在电刷和触点之间施加一定的压力，使丝杆运动到理想状态。（3）由于电动势差较大所以利用了滑动导轨上的力作为电子机械线动系动力，通过滑动导轨上的电刷和触点来控制电机转速，从而使丝杆移动。可以看到，整个机械结构由2 个电动机、1 个步进电机以及1 个输出轴组成。在滑块运动时产生的是正压力，而从动轮与地面之间施加了一定的力矩，作用到理想状态下时就会发生转动。

4 电子机械线控制动系统实验研究

4.1 电子机械线控制动系统性能测试

通过对楔形传动线进行测试，可以得出以下结论：（1）在机械结构运动时，梯形齿条的正、反转速度都比较快，而斜齿轮轴与滑轮啮合的时候由于滑动摩擦力作用使直齿轮轴和旋转盘同时转动，但是斜向齿条所承受剪切应力比较大。当垂直于导轨方向移动到一定程度后就会出现抖动现象，导致整个传动机构产生振动；在水平面或垂直立线方向上受力时，由于斜齿轮轴的滑动摩擦力比垂直于导轨方向移动时产生更大的拉应力，导致其运动变得缓慢。所以当滑轮与电机连接后需要及时将水平面和垂直立度调整到规定范围。（2）机械结构设计过程中对楔形传动线进行测试可以得出以下结论：①该角度偏移量是影响整个系统性能的主要原因之一；②由于斜齿轮轴、轴承等部件的加工精度和装配误差，使斜齿轮轴、轴承等部件的加工精度和装配误差都会较大；③由于楔形块与垂直面接触时产生摩擦，导致直齿条啮合点位置变化。

4.2 楔形传动对动系统的影响

在楔形传动的作用下，使动轮和静轮同时运动，以实现对滑块操纵。从理论上讲：当斜齿轮齿条在滑动方向上时是一个正反转状态。但是由于摩擦力、弹簧力等因素影响而导致滑动方向与直线方向不一致，从而产生了相反情况；但如果楔型线不连续接触就会引起传动效率降低或损坏机构和零件，甚至发生危险事故造成经济损失及人员伤亡等严重后果。在楔形传动的动态特性中，滑动齿轮齿条是一个连续接触过程，所以可以认为它具有良好的啮合性。但因为滑块与斜面接触时没有间隙可调，导致其动过频振动和抖振现象会使工作部件产生较大冲击负荷，从而影响整个机械结构性能；而且当滑片磨损或胶质层被破坏后也可能出现传动效率降低、传动比不准确等问题，这些因素都有可能引起楔形运动失衡而发生事故。从实践上看：在斜楔传动的动态特性中，由于摩擦力、弹簧力等因素使滑块和齿轮齿条接触面产生较大变形从而导致了抖振现象。当工作部件磨损或胶质层被损坏后可能会引起其运动不稳定，而这些问题都将直接影响整个机械结构性能；同时还会对零件造成损伤。从理论上看：楔形传动可以有效减少摩擦力、减小滑块和齿轮齿条在滑动方向上的相对位移，但在实际应用中，由于摩擦力、弹簧力等因素，导致楔形系统出现抖振现象。

5 结束语

随着电子机械线技术的发展，传统的控制动系统的不足之处逐渐显现。而电子机械加工中，线控制动系统是通过改变电机速度来实现。通过对传统电子机械线控制动系统进行改进与创新，提出楔形传动电子机械线控制动系统，随着计算机技术、微机电方式及新型数字化控制系统等先进理论与方法，利用楔形传动电子机械线控制动系统，将被制动物体自身的动能转化为制动力，对其本身进行制动，从而降低执行电机功率及其体积和自重，线控楔形制动系统具有快速起停、体积小、制动锁紧力矩大、功率小等方面的优势，可有效减少制动距离、提高制动安全性，提升执行电机的功率、减少制动能耗，对机械加工技术进步具有很大地促进作用，在机械加工及机械制动方面具有广阔的应用前景。