基于PLC控制的電子凸輪系統設計

高 琨，張森林

(1.國核示范電站有限責任公司，山東威海264200;2.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027)

0 引言

凸輪結構廣泛應用在各類工業裝置中，一般而言，齒輪、帶、鏈傳動等結構只能實現簡單的運動變換，較復雜的運動只能選擇凸輪和連桿結構［1］。在數字伺服控制技術出現之前，傳統的機械凸輪是唯一的能實現任意運動的機構。設計者需要計算出合適的凸輪輪廓，生產出具有與曲面輪廓的構件，作為原動件，通常作等速連續轉動或移動;從動件則按預期輸出特性要求完成各種復雜運動，例如往復擺動、等速或不等速運動、連續或間歇運動等。

但機械凸輪為高副接觸(點或線)，壓強較大，容易磨損，有噪聲，凸輪輪廓加工比較困難，只能實現一種預定的運動規律，費用較高。特別是高速凸輪的設計比較復雜，制造要求較高［2］。目前，采用數字技術和伺服控制的電子凸輪可以使從動桿實現各類運動規律，從而替代機械凸輪，且具有精度高、無磨損、柔性化設計易控制等優點，逐漸獲得廣泛應用。

目前，電子凸輪多為配套廠家用單片機開發［3］，多采用單片機控制直線步進電機的方案，由單片機輸出脈沖信號控制電機運轉［4］，凸輪曲線數據存儲在ROM 中，步進電機可將電脈沖信號轉換為角位移，移動位移與輸入脈沖成比例關系，因此，只需改變電脈沖頻率，便可對步進電機調速，從而實現所需運動規律［5-7］。此種研究為開環控制，控制精度有限，且穩定性較差。

三菱公司工控產品穩定性及控制精度較高。筆者基于三菱Q 系列PLC 及伺服控制器，設計并制作一套完整裝置，實現驗證電子凸輪可完全替代機械凸輪的效果展示，并體現出電子凸輪的優越性。

1 系統結構與總體方案

本研究利用可編程控制器PLC 同時實現了機械凸輪和電子凸輪的控制，系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

驅動電機與偏心凸輪組合，連接從動桿，即為機械凸輪結構，從動桿按照預定運動規律運動，形成開環控制系統。

控制系統和凸輪機構組合，形成電子凸輪，控制系統和普通馬達結合產生伺服電機，伺服電機兼具驅動與控制的雙重功能，通過傳感器將速度和位移反饋給伺服控制器，形成閉環控制。因此，系統通過運動控制，可以根據要求改變輸入運動曲線，從而改變輸出的動作及運動性能，使凸輪具有一定程度的通用性，并賦予一定程度的自適應性和智能性。

2 硬件設計

本研究供電模塊為三菱Q61P 電源模塊，向安裝在基板上的可編程控制器的各模塊提供DC 電源?；綪LC 控制器采用了三菱Q02HCPU 高性能CPU，I/O點數可達到4 096 點，程序容量28 K 步，基本處理速度達到0.034 μs，其性能水平居世界領先地位;伺服控制器采用三菱Q172HCPU 運動控制CPU 伺服放大器，實現伺服電機控制，最多支持8 軸聯動，該項目中使用兩軸?？刂葡到y采用了雙CPU 控制，一個是Q 系列基本型CPU，一個是Q172HCPU 運動控制CPU，PLC 負責數據處理，Q172HCPU 是專門的運動控制CPU，采用這種控制方式，分散控制功能，同時處理順序控制和運動控制，優化系統結構，效率和精度都得到提升。兩臺MR-J3 伺服放大器分別用光纖串行連接運動控制CPU和兩臺電機。兩臺電機均采用三菱HF-KP053 交流伺服電機。輸入單元采用QX40-S1(Q 系列PLC 數字量輸入單元)，輸入點數為16 點［8］，用于實現輸入按鍵功能擴展，按鍵面板包含了“啟動”、“停止”、“點動”等功能。三菱電源模塊、基本CPU 模塊、運動CPU 模塊及輸入模塊均安裝在主基板上，通過基板電路通訊。

最終制作的實物控制箱如圖2所示。其中，箱體左側上部為操作按鈕，下部盤臺上分別布置了伺服電機及其通過履帶結構連接的從動桿、偏心機械凸輪及從動推桿(凸輪連接的電機位于凸輪之下的箱體內);箱體右側從上到下分別為控制器模塊(電源模塊、PLC和運動CPU)和伺服放大器。

圖2 控制箱實物

(1)機械凸輪部分。制作偏心凸輪，中心連接驅動電機主軸(箱體內部下端)，凸輪邊緣線接觸連接從動推桿，在電機驅動下，凸輪連續回轉，使從動推桿根據凸輪輪廓曲線做直線往復運動。

(2)電子凸輪部分。運動控制CPU、伺服放大器與伺服電機組成閉環控制系統，伺服電機采用了分辨率為262144 脈沖/轉的絕對位置編碼器，與伺服放大器配合，構成位置檢測系統?？刂浦噶钔ㄟ^CPU傳入伺服放大器，控制伺服電機完成相應動作。電機主軸通過履帶連接從動件，與機械凸輪部分推桿平行放置，以便直觀的對比觀察電子凸輪與機械凸輪的運行效果。

本研究使用三菱運動控制編程軟件GSV22P-MT Developer 搭建的系統模塊如圖3所示。

圖3 系統模塊圖

3 軟件設計

該系統使用三菱PLC 編程軟件GX Developer 和運動控制CPU 編程軟件GSV22P 作為軟件開發環境。

本研究利用GX Developer 軟件將順控程序寫入Q02HCPU，執行自動刷新、多CPU 間數據處理、IO 數據處理等功能。PLC 程序編寫有指令圖、梯形圖、SFC編程等方法，順控程序采用了梯形圖格式［9］。

本研究利用GSV22P 完成運動控制軟件設計，新建工程選擇Q172 型CPU 后進入系統設置System Setting 界面，按如圖3所示的步驟完成模塊搭建，并配置相關模塊參數，例如Base setting 中的基板及擴展基板槽數，Mutiple CPU setting 中選擇多CPU 的個數，以及自動刷新參數、伺服放大器及伺服電機型號配置等。系統設置完后編譯生效。隨后使用SFC 編程方法對運動控制程序進行編程，SFC 編程是步進流程圖式的方法，易懂且可維護性較強。運動SFC 程序由開始，步，轉移，結束等組成［10］。該系統編寫的SFC 程序列表如表1所示。

表1 寫入Q172HCPU 中的SFC 程序列表

在SFC 程序中，F 指令為運動控制步指令，功能為執行設定的運動控制程序;G 指令為轉移指令，功能為轉移到下一步所需的條件;K 指令為運動控制步指令，執行設定的伺服程序，END 指令為結束指令。以JOG 手動運行程序為例，部分SFC 程序段如圖4所示。

圖4 JOG 程序段(部分)

其中，G20 程序轉移語句為M2415* M2435* M0。M 代碼代表內部繼電器元件編號，例如M2400-2419為軸1 狀態。

在三菱GSV22P 控制軟件中，可通過創建凸輪控制來實現虛擬主軸(即控制伺服電機主軸)的凸輪曲線運動，替代機械主軸實現高精度同步控制，精度最大為2 048 個點。在CAM Data Setting 設定中，系統內置配備了11 種凸輪特性曲線，可以實現理想的曲線輸出特性控制。通過設定曲線類型，使伺服放大器按照設定曲線控制伺服電機動作，實現電子凸輪功能。運動曲線選擇界面如圖5所示。勻變速運動、正弦運動等，均可通過CAM Data Setting 進行選擇加載。另外，可以新建或修改已有的曲線數據，來實現任意的凸輪特性。

圖5 運動曲線選擇

4 實驗及結果分析

該系統通過改變輸入曲線狀態，使軸1 伺服電機按設定的運動規律運動，從而帶動從動桿實現電子凸輪功能。機械凸輪部分，通過設定軸2 電機勻速運動，帶動機械凸輪勻速轉動，從動推桿實現勻速往復運動。該項目制作的從動推桿運動范圍為0～20 cm，在CAM Data Setting 中設定軸1 為勻速運動曲線，軸2 保持勻速運動，在不同時刻分別測量電子凸輪與機械凸輪的從動推桿運動位移，得到結果如表2所示。

表2 不同時刻從動推桿運動位移表

由實驗結果可見，在機械凸輪的固定運動規律下，電子凸輪方案同樣可以通過調整輸入曲線來實現，且控制精度較高。由于機械凸輪制作工藝受限［11-12］，推桿2 的位移與電子凸輪推桿1 相比，運動規律波動較大，而推桿1 較好地完成了勻速往復運動。由此可見，電子凸輪方案要優于機械凸輪。

5 結束語

機械凸輪一旦成型之后無法再改變，從動件運動規律也由此決定［13］。而電子凸輪可以通過編制不同曲線，實現各類運動規律，且大大減少了機械部件可靠性對系統帶來的影響，滿足高速、高精度、高穩定性的要求。

在本研究中，通過調整電子凸輪輸入曲線，實現了與機械凸輪的同步效果，驗證了電子凸輪可以完全替代機械凸輪運動規律的結論。不足的是，受限于機械工藝制作水平，本研究中的機械凸輪精度不高，運功規律偏差較大，這也體現了機械凸輪加工難度大、成本高的特點。

顯然，電子凸輪有著比機械凸輪更加優越的應用條件，筆者相信，電子凸輪在紡織機械、汽車制造、機械加工等各個工業領域均會有廣闊的應用前景。

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