伺服電(diàn)動缸在地震模拟平台控制系統中(zhōng)的設計與
自2008年汶川大地震後，人們了解地震知識的欲望變得越來越強烈，開展有(yǒu)關地震知識的宣傳教育成為(wèi)當務(wù)之急，為(wèi)此設計了基于現代可(kě)編程序控制(PLC)技(jì )術的地震模拟平台。可(kě)編程控制器 由于其可(kě)靠性高、易使用(yòng)等特點廣泛應用(yòng)于各個領域的智能(néng)控制。地震平台采用(yòng)了當前的革命性産(chǎn)品電(diàn)動缸，摒棄了目前普遍使用(yòng)的液壓缸及氣缸驅動的方式。電(diàn)動缸是将伺服電(diàn)機與絲杠一 體(tǐ)化設計的模塊化産(chǎn)品，将伺服電(diàn)機的旋轉運動轉換成直線(xiàn)運動，同時将伺服電(diàn)機最佳優點精(jīng)确轉速控制、精(jīng)确轉數控制和精(jīng)确扭矩控制轉變成精(jīng)确速度控制、精(jīng)确位置控制和精(jīng)确推力控制。實踐證明電(diàn)動缸完全可(kě)以替代液壓缸和氣缸，并具(jù)有(yǒu)實現環境更環保，更節能(néng)，更幹淨等優點，很(hěn)容易與PLC等控制系統連接，實現高精(jīng)密運動控制。
1． 系統的組成
1．1 平台結構
地震模拟平台采用(yòng)框架式結構，由2個縱向電(diàn)動缸及2個支承缸進行支承，可(kě)以模拟縱波産(chǎn)生的縱向震動。此外，為(wèi)了能(néng)模拟橫向震動，地震平台采用(yòng)連杆機構與橫 向電(diàn)動缸進行連接。
1．2 控制系統
根據系統控制要求，控制驅動系統的控制核心是上位運動控制器，采用(yòng)專用(yòng)的運動控制型PLC。目前許多(duō)PLC都可(kě)以配置定位模塊，有(yǒu)些 PLC的CPU本身應具(jù)備運動控制指令，如脈沖輸出指令。驅動電(diàn)機系統 目前主要有(yǒu)步進 電(diàn)機和伺服 電(diàn)機，步進電(diàn)機在運動精(jīng)度、矩頻特性、速度響應及運行特性等方面均與伺服電(diàn)機有(yǒu)不小(xiǎo)的差距。考慮到地震模拟平台對轉矩的恒定要求 (即不能(néng)因為(wèi)震級大而出現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(diàn)機和配套伺服驅動器。執行機構采用(yòng)電(diàn)動缸，又(yòu)叫電(diàn)動推杆，相對于液壓缸和氣缸，電(diàn)動推杆具(jù)有(yǒu)以下優點：①不需要複雜的成套系統支持 (包括泵 ，管道，閥門，過濾器，很(hěn)多(duō)接頭等)。②可(kě)以節約很(hěn)多(duō)空間，而且在無維護的情況下，安(ān)全可(kě)靠地工(gōng)作(zuò)。③隻需電(diàn)機驅動，沒有(yǒu)油污的污染，大幅度降低噪音 ，保持潔淨、安(ān)靜的工(gōng)作(zuò)環境等。電(diàn)動缸将電(diàn)機的旋轉運動通過絲杠和絲杠副的機械運動轉換為(wèi)推杆的直線(xiàn)運動，由于其控制、使用(yòng)的方便性，将實現氣缸和液壓缸傳動所不能(néng)實現的精(jīng)密運動控制。控制系統的核心采用(yòng)可(kě)編程序控制器，根據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(fēn)配表。本設計 中(zhōng)橫向電(diàn)動缸的伺服電(diàn)機由YO和Y1控制，分(fēn)别作(zuò)為(wèi)脈沖和方向；縱向2個電(diàn)動缸的伺服電(diàn)機由Y2、Y3同步控制。另外，系統中(zhōng)加人了屏閃燈、煙霧機噴煙等效果，使體(tǐ)驗者可(kě)以身臨其境地體(tǐ)驗真實地震的感覺。除了電(diàn)動缸的動作(zuò)以外，還加入了專用(yòng)震動電(diàn)機驅動凸輪機構産(chǎn)生附加震動，使地震效果多(duō)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後 PLC開始初始化，對照相應的級别設定相應 電(diàn)動缸往返運動的位置和速度，在 PLC中(zhōng)意味着對應缸的脈沖數和脈沖輸出頻率。啓動後以自由格式發送命令到上位計算機，調出地震互動視頻，同時控制 3個 電(diàn)動缸執行回原點的動作(zuò)，原點用(yòng)下限位開關設定。配合地震視頻，在震動開始時PLC控制電(diàn)動缸按地震規律進行動作(zuò)，即先縱向震動後橫 向震動再縱橫混合震動的規律。在地震模拟過程中(zhōng)實時熄滅照明燈，并啓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(kě)再次按下震級選擇按鈕即可(kě)停止 。停止同時再次發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(wèi)單鍵起動停止，為(wèi)了防止按鍵抖動或多(duō)次重複按下問題，用(yòng) M50作(zuò)為(wèi)中(zhōng)間狀态，按 X6後隻能(néng)在1s後才能(néng)重新(xīn)有(yǒu)效。每按下 1次X6，M1狀态取反 1次，利用(yòng)M1的上升沿和下降沿去起動和停止震動 。起動時向計算機發送存放在 D150中(zhōng)的地震模拟動作(zuò)時，由于發送脈沖的次數多(duō)，而且運動行程的控制緊湊，如采用(yòng)回原點時的脈沖指令，由于脈沖指令在主程序中(zhōng)一個脈沖輸出口的指令隻能(néng)允許出現一次，即使用(yòng)順序功能(néng)控制法解決亦會出現程序冗長(cháng)的問題。因而采用(yòng)順序功能(néng)塊指令，即BLOCK指令，該指令是為(wèi)了實現某些功能(néng)而存在的一段程序塊。可(kě) 以将 BLOCK理(lǐ)解為(wèi)一個特殊的流程，在這個特殊的流程裏，所有(yǒu)的程序按照一個原則來執行，即順序執行原則，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(zhōng)間為(wèi)編程人員書寫指令區(qū)。在同一個BLOCK中(zhōng)允許包含多(duō)個發脈沖指令，脈沖指令将按照觸發條件成立的先後順序依次執行；同時，先執行的脈沖指令結束後才開始下一條脈沖指令的執行。隻要順序功能(néng)塊的執行條件滿足，順序功能(néng)塊可(kě) 以不斷地執行 ，直至條件不滿足為(wèi)止。BLOCK 的這種特性為(wèi)地震動作(zuò)脈沖的執行帶來了方便。圖8所示為(wèi)縱橫交錯運動部分(fēn)的順序功能(néng)塊。
3 結論
基于PLC技(jì )術的地震模拟平台，動作(zuò)執行機構采用(yòng)了當今革命性産(chǎn)品電(diàn)動缸，很(hěn)好地替代了普遍采用(yòng)的液壓缸和氣缸，實踐證 明了電(diàn)動缸在多(duō)方面的優越性。設計的地震模拟平台可(kě)以進行多(duō)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(zuò)，同時加入屏閃燈、煙霧機噴煙等效果，使體(tǐ)驗者可(kě)以身臨其境地體(tǐ)驗真實地震的感覺，更好地滿足了人們通過模拟地震獲取地震知識的迫切需求。