電子凸輪控制技術(shù)的應(yīng)用

賴宋紅

（浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 310053）

0 引言

在各種機(jī)械中，齒輪、帶、鏈傳動(dòng)等只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)變換，而這種簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)往往難以滿足工藝需求，因此就需要間歇機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。目前常用的間歇機(jī)構(gòu)主要有不完全齒輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)。這五類常用的間歇機(jī)構(gòu)中，凸輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分度定位精度高，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。通過(guò)合理地選擇或者設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)從軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以使凸輪機(jī)構(gòu)具有比較好的動(dòng)力學(xué)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，但是，機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)缺乏柔性，一套凸輪機(jī)構(gòu)僅僅對(duì)應(yīng)于一種從軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，當(dāng)需要改變系統(tǒng)的輸出運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，就得制造另一套凸輪機(jī)構(gòu)，來(lái)改變凸輪的類型和尺寸，這硬件上的改動(dòng)不僅給制造帶來(lái)了困難，而且也對(duì)于那些凸輪的試驗(yàn)樣機(jī)帶來(lái)了不便，因?yàn)檫@些樣機(jī)都是需要多次實(shí)驗(yàn)來(lái)確定的。因此，設(shè)計(jì)一種既具備機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)分度運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)又具備輸出運(yùn)動(dòng)可控性特點(diǎn)的可控機(jī)構(gòu)變得十分必要，這便促進(jìn)了電子凸輪的產(chǎn)生與發(fā)展[1]。

1 系統(tǒng)組成

根據(jù)機(jī)械凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，制作了一款實(shí)驗(yàn)室用的電子凸輪系統(tǒng)。采用LO2SCPU-CM這款三菱PLC作為控制器的核心，完成整個(gè)控制系統(tǒng)速度的精確控制、與人機(jī)交互界面控制、各部件的驅(qū)動(dòng)控制以及電子凸輪控制算法的實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是HG-KR23J伺服電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)器采用伺服放大器MELSERV0-J4，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制由三菱的運(yùn)動(dòng)控制模塊LD77MH16完成。系統(tǒng)的電源由三菱電源模塊L61P供給。人機(jī)交互監(jiān)控界面在三菱GOT11觸摸屏上實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)顯示電子凸輪的運(yùn)行狀態(tài)。主要有如下三方面的工作：

1）PLC、PAC、伺服電機(jī)接口設(shè)計(jì)

查閱三菱提供的技術(shù)資料，研究三菱PLC、PAC、伺服電機(jī)的硬件接口電路以及通訊協(xié)議。通過(guò)電纜有效的連接，主控CPU根據(jù)控制算法驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)輸出特定的凸輪曲線，如要改變運(yùn)動(dòng)規(guī)律，那么僅僅只需改變相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)。在某些特殊的情況下，可以根據(jù)當(dāng)前被加工工件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)臨時(shí)修改電子凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2）最優(yōu)預(yù)見(jiàn)控制算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的穩(wěn)、快、準(zhǔn)這3個(gè)性能指標(biāo)是相互矛盾的，可以通過(guò)研究算法來(lái)尋求它們之間的平衡點(diǎn)。通過(guò)設(shè)定合適的評(píng)價(jià)函數(shù)，并求其最大值與最小值來(lái)獲得最優(yōu)控制規(guī)律。綜合利用評(píng)價(jià)函數(shù)提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，預(yù)測(cè)控制對(duì)模型依賴程度低、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)預(yù)見(jiàn)預(yù)測(cè)控制器[2]。

3）系統(tǒng)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

三菱GOT11觸摸屏通過(guò)RS232接口與主控CPU連接，在觸摸屏上編寫(xiě)人機(jī)交互界面，用于接收用戶觸摸指令和實(shí)時(shí)顯示電子凸輪的運(yùn)行狀態(tài)。交互界面具有手動(dòng)和自動(dòng)控制的功能，提供用戶手動(dòng)操作主軸和從軸伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)、設(shè)置原點(diǎn)的接口。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

采用LO2SCPU-CM作為電子凸輪的控制芯片，三菱的L系列可編程控制器雖然體積很小，但卻繼承了高端PLC的高性能、多功能及大容量等特點(diǎn)于一身。CPU具備52MHz的基本運(yùn)算處理速度以及260K步的程序容量，其最大I/O可擴(kuò)展達(dá)到8129點(diǎn)。在硬件方面，內(nèi)置定位模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊、脈沖捕捉模塊、中斷輸入、通用I/O等功能，以太網(wǎng)及USB接口，便于編程及通訊，配置了SD存儲(chǔ)卡，可存放最大4G的數(shù)據(jù)。無(wú)需基板，可任意增加不同功能的模塊。凸輪曲線的數(shù)據(jù)控制表都存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)卡里，裝置只能通過(guò)修改程序來(lái)改變凸輪運(yùn)動(dòng)曲線，而無(wú)法通過(guò)觸摸屏修改。可編程控制器通過(guò)參數(shù)控制伺服電機(jī)來(lái)模擬機(jī)械凸輪的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。觸摸屏上顯示運(yùn)行轉(zhuǎn)數(shù)及主軸從軸的位置等信息。下圖是電子凸輪裝置。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

圖1 電子凸輪Fig.1 Electronic CAM

軟件設(shè)計(jì)主要完成以下工作：

1）完成初始化：CPU與各個(gè)模塊之間通信的參數(shù)設(shè)置、主軸從軸原點(diǎn)位置的記錄、伺服電機(jī)控制器的初始化工作等。

2）運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算：根據(jù)觸摸屏輸入的速度、運(yùn)行方式等參數(shù)，建立伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度曲線規(guī)劃計(jì)算出機(jī)械凸輪運(yùn)行的軌跡參數(shù)。電子凸輪的行程包括加速、恒速、減速3個(gè)階段，每個(gè)階段都有分段函數(shù)來(lái)執(zhí)行。

3）人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)：交互界面采用三菱GOT11系列觸摸屏，用于接收用戶觸摸指令和實(shí)時(shí)顯示電子凸輪的運(yùn)行狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

對(duì)電子凸輪輸出特性測(cè)試的方法一般有下面幾種：

1）使用加速度傳感器測(cè)量加速度響應(yīng)

把電子凸輪放在實(shí)驗(yàn)室分度驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)量它產(chǎn)生的加速度響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)該信號(hào)驗(yàn)證其輸出曲線特性是否和設(shè)計(jì)需求吻合。一般的測(cè)試方法是在電機(jī)的軸上安裝一個(gè)載荷型圓盤(pán)，把加速度傳感器按照載荷盤(pán)回轉(zhuǎn)的切線方向，并通過(guò)絕緣座固定在載荷盤(pán)上。電機(jī)輸出軸隨加速度傳感器一起轉(zhuǎn)動(dòng)，本文在輸出軸載荷盤(pán)軸端加了一個(gè)類似有刷發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的集流環(huán)裝置，這樣就避免了信號(hào)線發(fā)生纏繞。當(dāng)電機(jī)按照程序設(shè)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，安裝在載荷盤(pán)上的加速度傳感器會(huì)隨載荷盤(pán)一起完成分度凸輪運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電信號(hào)[1]，將這信號(hào)通過(guò)集流環(huán)引出，再通過(guò)電荷放大器、低通濾波器、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集卡等，把采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入到PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算與分析。通過(guò)對(duì)加速度響應(yīng)信號(hào)的分析，可以測(cè)算出電子凸輪運(yùn)動(dòng)的速度變化和位移輸出曲線。從而推算出電子凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[3]。

2）使用PLC中的計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)速

可以使用PLC的計(jì)數(shù)器配合模塊上的光電編碼盤(pán)進(jìn)行電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)定，以求得電子凸輪的輸出曲線規(guī)律[1]。采用這種方法一般可以在規(guī)定的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，通過(guò)PLC計(jì)數(shù)器對(duì)光電碼盤(pán)輸出的脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，也可以在光電碼盤(pán)輸出的一個(gè)脈沖周期對(duì)高頻時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

3）利用機(jī)械凸輪和電子凸輪協(xié)同工作的方式

把機(jī)械凸輪置于軸1上，電子凸輪置于軸2上，兩者同時(shí)工作，檢測(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)凸輪的位置信息，可以通過(guò)比對(duì)位置信息來(lái)分析電子凸輪是否按照所預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律動(dòng)作。當(dāng)然，此方法需要有實(shí)際的機(jī)械凸輪，比較適用于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)階段。

本文將文中的電子凸輪用于教學(xué)，顯然方法更加能讓學(xué)生直觀地觀察到電子凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。從實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果可以看出，PLC控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式能輸出設(shè)定的機(jī)械凸輪運(yùn)動(dòng)曲線，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械凸輪的功能。用這種方法控制的電子凸輪在停頓期間，殘余的振動(dòng)比較小，定位精度也比較高。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，外界干擾因素，例如實(shí)驗(yàn)環(huán)境、振動(dòng)沖擊、天氣濕度等對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較小。實(shí)驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)置過(guò)高，會(huì)引起加劇振動(dòng)，但是伺服電機(jī)仍能穩(wěn)定輸出，電子凸輪輸出曲線受影響較小。

本項(xiàng)目的研究旨在以電子凸輪代替機(jī)械凸輪。電子凸輪是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、反饋測(cè)量元件、控制器等構(gòu)成的，可以通過(guò)改變控制算法實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這種特性是傳統(tǒng)機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)不可比擬的。試驗(yàn)結(jié)果也表明電子凸輪是一種柔性設(shè)備，可以提高生產(chǎn)效率，降低成本。

3 結(jié)論

[1]李文婷.伺服分度裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京:南京航空航天大學(xué),2011.

[2]楊玉虎.間歇傳動(dòng)鏈系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào).2006,06.

[3]劉永明.可控凸輪機(jī)構(gòu)的研究[D].天津:天津大學(xué),2004,06.