基于雙CPU的電子凸輪綜合實驗臺開發

王慶九，朱新杰，顧大強，詹建潮

（浙江大學 機械工程學系，浙江 杭州 310027）

綜合性、創新性和設計性實驗是培養工科大學生動手能力、專業技能和創新意識的重要手段，研制和開發相關實驗儀器設備對工科實驗教學有著重要的意義，是實驗教學改革的重要內容之一［1－4］。浙江大學機械工程實驗中心歷來重視綜合性實驗設備的研制和開發，專業教師和實驗人員相繼開發出了一系列的自制實驗設備［5］，基于雙CPU的電子凸輪綜合實驗臺就是其中有代表性的成果之一。

電子凸輪（electronic rotal cam switch）具有多于機械凸輪機構的優點，如精度高、穩定性好、柔性輸出、響應速度快，符合現代機械自動化、高速化、多功能、柔性化的發展趨勢，在汽車制造、冶金、機械加工、紡織、印刷、食品包裝、水利水電等多領域有廣泛應用［6－10］。目前國內高校的機械工程類實驗中，涉及凸輪的基礎實驗大多局限于對傳統機械式凸輪結構的分析與測繪，學生對凸輪的認識也只停留在有形的凸輪構件上。基于雙CPU的電子凸輪綜合實驗臺面向工程實踐的發展方向，結合機械、電子、控制等多學科的專業知識，銜接基礎實驗課程與探究性實驗課程，能加深學生對專業技術基礎課程的理解，較好地培養他們分析問題的能力和綜合運用專業知識的實踐動手能力。

1 運動控制系統的設計

1.1 系統結構

電子凸輪綜合實驗臺采用雙CPU結構設計，底層核心由掌管程序流程的主控CPU與專門負責運動控制的運動CPU共同組成。觸摸屏作為人機界面，用于參數設定與實時監控。2路伺服電機分別控制轉盤與直線移動機構，用以完成凸輪廓線的繪制、擬合與驗證等實驗（見圖1）。

圖1 電子凸輪綜合實驗臺結構

1.2 控制系統的硬件構成

1.2.1 觸摸屏

MT6070iH觸摸屏作為電子凸輪綜合實驗臺的人機界面，可用于設定直線移動機構的直線行程與轉盤轉速、選擇凸輪廓線及啟停電子離合器，能提供當前轉盤轉角、當前直線進給量等信息，還設有“正點動”、“反點動”、“轉多圈”、“轉一圈”、“停止”、“演示”等按鈕供操作者進行狀態切換（見圖2）。

圖2 觸摸屏操作主界面

1.2.2 雙CPU系統

電子凸輪綜合實驗臺采用了目前工控領域廣泛應用的三菱Q系列PLC、運動控制器及配套產品［11－13］。在三菱Q38B－E基板上了安裝了1只電源模塊Q61PA2、1只主控制單元Q02HCPU、1只運動控制單元Q172HCPU、2塊輸入擴展模塊QX42與2塊輸出擴展模塊QY41P，如圖3所示。

圖3 雙CPU系統安裝結構

各組成部分的性能參數如下：

（1）Q38B－E基板具有1個電源插槽、1個主CPU插槽與8個模塊插槽；

（2）Q61P－A2電源模塊接交流220V輸入，能提供給基板5V／6A的電源；

（3）Q02HCPU是三菱高性能Q系列PLC中的一員，該PLC具有28K步程序容量、能擴展4096點輸入輸出點、基本指令的處理速度快至34ns／條；

（4）三菱Q172HCPU系列運動控制器是在Q172CPU系列運動控制器的基礎上推出的高性能運動控制器。該產品采用64位RISC處理器，程序容量有448kbyte，運行周期0.44ms；

（5）QX42輸入模塊具有64點DC24V高速輸入端子；

（6）QY41P輸出模塊具有32點DC12／24V晶體管輸出型（漏型）端子。

主控CPU與運控CPU通過緩沖區進行數據交換，系統設置了2個共享數據區塊，分別是M0—M255與D5000—D5199，其中M0—M127與D5000—D5099由 Q02HCPU進行維護，M128—M255與D5100—D5199由Q172HCPU進行維護，所有數據兩者均可讀取使用。

系統自定義的共享數據地址分配見表1。

表1 共享數據地址分配表

表1 （續）

1.2.3 伺服放大器與伺服電機

MR－J3－10B伺服放大器通過高速同步網絡與運動控制器連接，利用指令模塊的數據執行伺服電機轉速、方向的控制和高精度定位。所采用的SSCNETⅢ光通信系統大大提高了通信速度并減小了噪聲誤差［13］。與伺服放大器相連接的HF－KP053伺服電機安裝了分辨率為262 144PLS／圈的絕對式編碼器，能實現精確的控制。Q172HCPU運動控制器可實現8軸聯動控制。在本電子凸輪綜合實驗臺，凸輪轉盤軸轉角的度量單位為度（°），電機轉一圈發出的脈沖數為262 144，轉盤轉過的角度為6.545 45°；直線位移軸的度量單為μm，電機轉一圈發出的脈沖數為262 144，產生的直線位移為2 000μm。

1.3 控制流程

主控CPU與運動CPU在運行中不斷進行數據交換（見圖4），各司其職、相輔相成。

圖4 控制流程圖

2 電子凸輪綜合實驗臺的機械結構

機械凸輪傳動選用較為常見的尖底直動從動件盤狀凸輪裝置。由伺服電機通過蝸桿蝸輪減速裝置（傳動比為55）驅動盤狀凸輪旋轉，從動件導軌由2個圓導桿及直線軸承構成，盤狀凸輪上方為透明有機玻璃圓盤，其上可安放圓片紙進行凸輪輪廓曲線的繪制。在進行電子凸輪與機械凸輪構件比對實驗時，轉盤上安裝有凸輪實物構件，如圖5所示。另一個伺服電機通過滾珠絲桿（導程為2mm）裝置帶動圓導桿作直線運動，在圓導桿上端可插入繪圖筆進行凸輪輪廓曲線的繪制。系統結構中還設計有偏置調節機構，可通過導路偏置調節手柄來調整凸輪的偏心距。

圖5 電子凸輪綜合實驗臺機械裝置

3 凸輪廓線的設計

在MT Developer2軟件里，可以選取特定的曲線進行組合，生成凸輪廓線（見圖6）。曲線類型有恒速度、恒加速度、5次曲線、擺線、變形梯形、變形正弦、變形恒速度、梯弦形、反梯弦型、雙弦和單弦等多種類型。

在選擇好曲線類型后，軟件還能綜合顯示出各段速度、加速度等參數的詳細信息。軟件提供了接口，可以載入第三方提供的CSV格式的數據文件，這樣方便了凸輪廓線數據的生成。

圖6 凸輪廓線生成

4 實驗項目的設計

基于電子凸輪綜合實驗臺，結合運動控制器軟件，我們設計了多個不同類型的實驗項目供學生選做。以下僅介紹2個典型的項目。

4.1 電子凸輪輪廓線生成實驗

該實驗項目的主要實驗步驟如下：

（1）觀察實驗臺的機械結構，了解實驗臺的構造，將有機玻璃轉盤安裝至轉盤軸，并鋪上白紙，將繪圖筆插至電子凸輪輸出軸；

（2）連接電源線、伺服電機連接線及PLC編程線，經檢查無誤后打開實驗臺電源；

（3）打開三菱運動控制器編程軟件MT Developer2，調入程序模板；

（4）設置伺服放大器的運轉參數，可通過雙擊“Servo Parameter”打開 MR Configurator軟件進一步設定伺服放大器詳細參數，并進行轉動測試；

（5）編制伺服指令，用于直接控制伺服放大器；

（6）編制運動CPU的SFC程序，實現實模式下凸輪轉盤軸與直線位移軸的運轉控制；

（7）編制運動CPU的SFC程序，實現實模式到虛模式的切換，并進行虛模式下虛軸的轉動控制；

（8）在MT Developer2軟件里選擇參數自行設計3～5條凸輪廓線，并下載至運動CPU；

（9）在轉盤轉動與電子凸輪輸出軸直線位移的共同作用下，繪制出所設計的凸輪曲線進行驗證。

4.2 機械凸輪與電子凸輪對比實驗

該實驗項目的主要實驗步驟如下：

（1）觀察實驗臺機械結構，了解其構造，在轉盤座上安裝機械凸輪實物構件；

（2）—（7）同4.1節；

（8）根據給定的機械凸輪實物參數，在 MT Developer2軟件里選擇合適的凸輪廓線進行擬合并生成數據，也可以直接從外部調入凸輪廓線特征數據，然后下載至運動CPU；

（9）觀察、對比機械凸輪推桿位置與直線位移絲桿位置，體會電子凸輪的含義。

5 結束語

基于雙CPU的電子凸輪綜合實驗臺以運動的方式闡述凸輪的概念，將工控領域前沿的控制技術融入傳統機械工程基礎實驗中，擴大了學生的視野，使學生對凸輪的結構、應用及功用有了全新的認識，提升了對機械工程實驗課程的興趣。基于該實驗臺開發的實驗項目有利于引導學生去發現更多機構與運動的關聯點，更有助于激發他們的創新潛能、提高他們的創新意識，在面向我校機械工程及自動化專業學生的實驗教學中取得了比較好的教學效果。

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