電子凸輪控制在多工位設備中的應用

趙高明 馬征宇 周海龍 長城汽車股份有限公司/河北省汽車工程技術(shù)研究中心

隨著工藝技術(shù)的精益要求及產(chǎn)品品質(zhì)的精細化需求，凸輪機械結(jié)構(gòu)的設計，不僅變得越來越復雜，而且加工難度較大，成本也較高。機械凸輪雖然能對應不同從軸的運動規(guī)律，但是柔性較差，如若實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)運行軌跡的變化時，需必須制造其他凸輪機械機構(gòu)，來改變凸輪的類型。而電子凸輪的靈活運用，不僅僅解決了這些問題，而且讓控制變得越發(fā)靈活、可靠，并且擁有良好的動態(tài)性能。

1 硬件配置

1.1 主控制器

采用BeckHoff 公司的嵌入式工業(yè)PC機CX5010 CPU,基于Windows的自動化可編程控制技術(shù)。CX5010具備高性能、多功能及大容量等特點于一體，凸輪曲線的數(shù)據(jù)控制表存儲在內(nèi)部存儲卡里，裝置只能修改程序來改變運動凸輪曲線，可編程控制器通過參數(shù)的輸入改變來控制伺服軸的運動軌跡。

1.2 伺服電機

機械由導軌式X、Y軸正交運動結(jié)構(gòu)組成，配有兩臺AX5000伺服電機。AX5000可以工作在位置模式、速度模式和轉(zhuǎn)矩模式，而本系統(tǒng)中，AX5000工作在位置模式，TwinCat NC只負責路徑規(guī)劃，并在每個NC周期發(fā)送目標位置給AX5000，而送往NC的數(shù)據(jù)包含跟隨誤差。1.3 人機交互界面

采用西門IPC677D（一體式集成工業(yè)控制計算機），具有良好的運算性能及擴展功能，以便于對機械臂實際運動位置進行監(jiān)控。

2 電子凸輪的設計

2.1 運動過程結(jié)構(gòu)分析

多工位設備上料工藝要求執(zhí)行機構(gòu)在裝載物料小車上，將堆垛板料通過吸盤輸送到上料皮帶前端，其中運動過程中有抬升避讓曲線運動，避免與其他部件（如磁力分張器）產(chǎn)生干涉。同時，在直線運動過程中，為了減少對物料的損傷，要求執(zhí)行結(jié)構(gòu)在與物料接觸時速度要平穩(wěn)且加速度要盡可能的小，輸送過程中完成后，要及時回到原點，準備繼續(xù)下一循環(huán)的開始。運行軌跡如圖1，

圖1 運動過程軌跡

2.2 AX5000的鏈接及配置

首先，確認控制電源24VDC和動力電源380V已上電，同時確認EtherCAT網(wǎng)線已經(jīng)正確連接，及已經(jīng)正確連接并執(zhí)行了目標選擇,并且目標系統(tǒng)處于配置模式。

再次，掃描I/O設備和從站，找到AX5000驅(qū)動器后，系統(tǒng)會提示是否掃描電機，確認反饋和動力線都已經(jīng)連接到電機。電機掃描完成后，提示是否添加NC軸并連接到驅(qū)動器。選擇”是”后，到NC軸配置中檢查axis是否連接到了驅(qū)動器。

最后，選擇電機型號，如果是絕對編碼器反饋的Beckhoff電機，掃描驅(qū)動器時就會掃描到電機型號，如果是resolver反饋的，就必須手動選擇，成功添加后，利用System Manager軟件進行位置及速度的驗證測試。

2.3 Twincat 凸輪設計編輯

在System Manage內(nèi)進行凸輪配置，從下拉菜單中使用Append Table添加凸輪表模板，并使用Append Slave添加凸輪表。而主軸與從軸的部分參數(shù)如速度、位置等上下限，默認即可。最后利用選定的凸輪曲線類型及關(guān)鍵凸輪點的坐標即可繪制出凸輪曲線。

2.4 TwinCAT軟件中的凸輪計算

程序中的凸輪計算首先利用位置或角度的關(guān)系，計算出所需的凸輪點坐標，然后使用庫文件中的指令SEC_CALC_CAM指令改變凸輪關(guān)鍵點。而在沖壓車間多工位壓力機設備正是利用程序中的凸輪計算改變相應的凸輪關(guān)鍵點坐標，從而控制從軸的位置變化。通過在TwinCAT程序中凸輪坐標點的運算，可以通過程序動態(tài)的修改凸輪表的數(shù)據(jù)，修改或優(yōu)化曲線軌跡，并將該數(shù)據(jù)直接裝載進NC控制器中，從而實現(xiàn)通過控制主軸，而同步的改變從軸運動軌跡的目的。

3 總結(jié)

電子凸輪控制是直接將軌跡點輸入到驅(qū)動器內(nèi)，通過設定的計算方式進行伺服控制，達到和機械凸輪實際的控制目的，簡化了機械結(jié)構(gòu)，增加了機構(gòu)柔性。同時，也能滿足執(zhí)行機構(gòu)速度、加速度合理調(diào)整的動態(tài)性能，減少伺服電機運行過程中的過沖現(xiàn)象，另外，針對雙伺服電機間的非線性同步運動關(guān)系，利用電子凸輪功能建立各運動軸與控制主軸之間的非線性關(guān)系，并通過實際生產(chǎn)設備的連續(xù)運行，也更好的驗證了電子凸輪的控制應用，不僅方便靈活，而且降低了設備故障率，大大提高設備的生產(chǎn)效率。

[1]江文藝.基于PLC的電子凸輪設計［J］.電工技術(shù),2014（01）