基于分度轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)裝置研制

胡洪鈞，謝立敏，童向亞

(福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福州 350002)

隨著各類(lèi)科技學(xué)科發(fā)展及相互滲透，機(jī)電一體化技術(shù)在各行業(yè)、部門(mén)得到了飛速的發(fā)展，已經(jīng)成為當(dāng)今工業(yè)科技的重要組成部分。［1－3］機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)對(duì)學(xué)生的實(shí)踐操作能力要求很高，如今社會(huì)也正需要能把理論與實(shí)踐相結(jié)合的人才，因此機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)在高校教學(xué)中尤為重要。［4］

為了提高機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，國(guó)內(nèi)許多高校都紛紛建立了機(jī)電一體化綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院立足本科教學(xué)，投入40 萬(wàn)元建成一套機(jī)電一體化的機(jī)電測(cè)控綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。［5］該系統(tǒng)可為機(jī)電類(lèi)多門(mén)課程提供實(shí)驗(yàn)，但存在一次性投入大、建設(shè)較困難等問(wèn)題。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了HFUT—1 型機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，［6］有效改善了本校機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件。但該平臺(tái)體積大，需占用很大的空間。上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院以小型化的機(jī)床工作臺(tái)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了機(jī)電一體化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，［7］可以完成相關(guān)專(zhuān)業(yè)的多種綜合性實(shí)驗(yàn)。但該實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用高度集成的運(yùn)動(dòng)控制卡，致使學(xué)生不能完全了解底層的設(shè)計(jì)，操作困難。上述所提及的這些不足或多或少限制了高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。因此，研發(fā)一種投資小、體積小、功能多樣，并且操作簡(jiǎn)單，著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力的機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)裝置具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置總體方案設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新性，靈活性及實(shí)驗(yàn)實(shí)施方便性等因素，依托分度轉(zhuǎn)臺(tái)平臺(tái)，采用Arduino Mega 2560 微控制器［8］為控制核心構(gòu)建該裝置。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案框圖

本系統(tǒng)中，分度轉(zhuǎn)臺(tái)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，傳動(dòng)比Z=180;Arduino Mega 2560 微控制器具有54 路數(shù)字輸入/輸出接口，非常適合需要大量I/O 接口的設(shè)計(jì)，并且開(kāi)放源代碼，使得學(xué)生更關(guān)注創(chuàng)意與實(shí)現(xiàn)。結(jié)合矩陣薄膜鍵盤(pán)、四獨(dú)立按鍵和LCD12864 等外圍模塊，可以開(kāi)展人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn);利用系統(tǒng)中的五相步進(jìn)電機(jī)及配套驅(qū)動(dòng)器，可以進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn);在前兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，可以完成分度轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)分度定位［9］綜合實(shí)驗(yàn);結(jié)合DS18B20 溫度傳感器、電磁繼電器和散熱風(fēng)扇等外圍模塊，可進(jìn)行智能散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。除此之外，學(xué)生也可以根據(jù)自己的興趣任意選擇或增加模塊來(lái)開(kāi)展不同的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖2 所示，實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)USB 數(shù)據(jù)線與PC 機(jī)相連，并由PC 機(jī)上編制相應(yīng)的程序來(lái)完成不同的實(shí)驗(yàn)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)裝置硬件電路設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置按照功能劃分，可分為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、4X4 矩陣薄膜鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)模塊、LCD12864 顯示模塊、電磁繼電器控制模塊、DS18B20 驅(qū)動(dòng)模塊、分度轉(zhuǎn)臺(tái)復(fù)位、啟動(dòng)、停止各功能驅(qū)動(dòng)模塊及分度值設(shè)定啟動(dòng)模塊，如圖3 所示。各模塊通過(guò)相應(yīng)的接口與Arduino Mega 2560 相連，且暴露在外，方便學(xué)生直觀的了解各模塊接口電路設(shè)計(jì)原理及隨時(shí)更換各模塊。

圖3 控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路

其中，分度轉(zhuǎn)臺(tái)復(fù)位、啟動(dòng)、停止各功能驅(qū)動(dòng)電路及分度值設(shè)定啟動(dòng)電路主要由按鍵開(kāi)關(guān)及限流電阻組成，它們分別接到Arduino 的中斷口D2、D3、D20 和D21，如圖4 所示。通過(guò)按鍵觸發(fā)中斷，實(shí)現(xiàn)各功能的切換。由于Arduino I/O 口的輸出電流不大，不能直接驅(qū)動(dòng)繼電器，因此采用三極管進(jìn)行放大，其控制電路如圖5 所示。

圖4 中斷接口電路

圖5 電磁繼電器控制電路

2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)控制部分主要由步距角為0.72°的PK545－NA 五相步進(jìn)電機(jī)和最高細(xì)分?jǐn)?shù)為250 的DFC5107P五相步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器組成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)［10］方式有兩種:CP+DIR 方式和CW +CCW 方式。系統(tǒng)中采用CP+DIR 方式，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)輸入口與Arduino 的D23 口相連，通過(guò)模擬脈沖信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速;步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的方向信號(hào)輸入口與Arduino 的D24 口相連，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向;Arduino的D25 口作為電機(jī)使能信號(hào)控制接口。

2.2 4X4 矩陣薄膜鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)模塊

薄膜鍵盤(pán)由面板、上電路、隔離層、下電路四部分組成，相比機(jī)械鍵盤(pán)，具有防潮、防塵、防油污等優(yōu)點(diǎn)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用4X4 矩陣薄膜鍵盤(pán)。鍵盤(pán)各行各列都對(duì)應(yīng)一個(gè)接口，總共八個(gè)接口。四行對(duì)應(yīng)的接口分別接到Arduino 的D38 ～D41 口，四列對(duì)應(yīng)的接口分別接到Arduino 的D42 ～D45 口。系統(tǒng)采用鍵盤(pán)掃描方式［11］來(lái)檢測(cè)按鍵是否被按下。

2.3 LCD12864 顯示模塊

為了滿足低成本、低功耗的設(shè)計(jì)要求，顯示選用LCD12864，其硬件電路結(jié)構(gòu)和顯示程序簡(jiǎn)單，內(nèi)置DC－DC 轉(zhuǎn)換電路，無(wú)需外加負(fù)壓。Arduino微處理器通過(guò)并行通信方式與LCD12864 相連，［12］D29 ～D36 作為數(shù)據(jù)口，D26 作為寄存器選擇口，D27 作為讀寫(xiě)數(shù)據(jù)控制口，D28 作為使能信號(hào)口。

3 分度轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)分度定位綜合實(shí)驗(yàn)

為該實(shí)驗(yàn)提供的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成如圖6 所示，學(xué)生通過(guò)在PC 機(jī)上編制相應(yīng)的源程序完成在線聯(lián)機(jī)調(diào)試。人機(jī)交互界面由4X4 矩陣薄膜鍵盤(pán)、LCD12864 及4 個(gè)獨(dú)立按鍵搭建而成，利用鍵盤(pán)完成分度轉(zhuǎn)臺(tái)分度值的設(shè)定，4 個(gè)獨(dú)立按鍵分別輸入分度轉(zhuǎn)臺(tái)復(fù)位、啟動(dòng)、停止等命令及分度值設(shè)定啟動(dòng)命令，LCD12864 實(shí)時(shí)顯示分度轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行狀況。通過(guò)Arduino 的D23 口產(chǎn)生的變頻驅(qū)動(dòng)脈沖對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，在各分度段中，為了避免步進(jìn)電機(jī)高速啟動(dòng)時(shí)發(fā)生堵轉(zhuǎn)和高速突然停機(jī)發(fā)生慣性過(guò)沖的情況，必須對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度進(jìn)行合理的規(guī)劃。

圖6 分度轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)分度定位實(shí)驗(yàn)框圖

實(shí)驗(yàn)中設(shè)定了A、B、C、D 四個(gè)分度值，各值設(shè)定范圍為0 ～360°，且為整數(shù)。學(xué)生在PC 機(jī)上編譯完程序后，下載到Arduino 控制器中進(jìn)行在線調(diào)試:首先，按下復(fù)位鍵使分度轉(zhuǎn)臺(tái)回到初始位置;然后，按下分度值設(shè)定啟動(dòng)鍵，通過(guò)鍵盤(pán)輸入各分度值;最后，按下啟動(dòng)鍵，分度轉(zhuǎn)臺(tái)立即按之前設(shè)定的分度值進(jìn)行自動(dòng)分度定位。當(dāng)需要停止分度轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)，按下停止鍵。

此實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的為:從底層開(kāi)始設(shè)計(jì)一個(gè)分度轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)分度定位控制系統(tǒng)，掌握微控器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的軟硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試方法。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求設(shè)計(jì)了一套創(chuàng)新型機(jī)電實(shí)驗(yàn)裝置，其最大的特點(diǎn)是體積小、成本低、靈活性強(qiáng)。學(xué)生通過(guò)使用本實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，不但能將課堂上的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，也能充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)綜合應(yīng)用了單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)、機(jī)電傳動(dòng)控制技術(shù)、傳感器與檢測(cè)技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)，因此系統(tǒng)各模塊可單獨(dú)承擔(dān)某門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)，也可相互配合完成機(jī)電一體化綜合實(shí)驗(yàn)，從而提高機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

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