一種柔性電子凸輪的設(shè)計與工程應(yīng)用

彭澤豐，孫志剛

（1、廣東冠邦科技有限公司，佛山，528312；2、上海博世力士樂液壓與自動化有限公司，上海，200120）

1 前言

由于傳統(tǒng)的機(jī)械式凸輪，不僅僅設(shè)計打樣、符合性實驗占用的周期長，耗費的物力財力人力多，而且對于復(fù)雜的凸輪曲線更是加工制造困難，精度不能保證，體積龐大笨重，后期維護(hù)成本也很高。隨著電子凸輪技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，傳統(tǒng)的機(jī)械式凸輪已基本被淘汰。

但對于可由操作人員在線修改參數(shù)就可改變的凸輪曲線的應(yīng)用，由于每個具體應(yīng)用的場合和要求都不相同，千差萬別，因此，只能是根據(jù)具體的應(yīng)用需求，針對性的利用其軟件平臺去進(jìn)行二次開發(fā)。本文通過具體的工程項目實踐，介紹了在LG60高精度冷軋管機(jī)上開發(fā)的一種柔性電子凸輪的應(yīng)用成果。

2 設(shè)備組成與性能參數(shù)要求：

該設(shè)備機(jī)械部分包括上料系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)送進(jìn)裝置、芯棒卡緊機(jī)構(gòu)、中間床身、送進(jìn)小車、機(jī)架、基座，入口卡盤、偏心齒輪箱，主傳動機(jī)構(gòu)，芯棒裝置、出料系統(tǒng)，管坯內(nèi)潤滑裝置、成品快速拉出裝置等組成。設(shè)備流體部分包括液壓站、工藝潤滑站等部分。

主傳動機(jī)構(gòu)帶動機(jī)架做往復(fù)運動，機(jī)架速度要求達(dá)到85次/min。設(shè)備要求送進(jìn)量的大小、回轉(zhuǎn)角度的大小不僅可無極調(diào)整，而且每次的回轉(zhuǎn)角度、送進(jìn)量要精確。機(jī)架往復(fù)一次總的送進(jìn)量在0～12mm/次無極可調(diào)，回轉(zhuǎn)角度在0°～60°/次無極可調(diào)。同時，客戶提出了希望能自己根據(jù)材料的不同，可靈活在線改變前、后回轉(zhuǎn)角度值、送進(jìn)量值這一特殊要求。

3 運動控制系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計：

為了滿足設(shè)備最大的軋制次數(shù)以及最大送進(jìn)量、最大回轉(zhuǎn)角度等參數(shù)要求，我們選用了德國力士樂CML40.2-SP-330-NA-NNNN-NW運動控制器，配置同步控制固件FWA-CML402-MLC-04VRS-D0作為本系統(tǒng)的自動化控制單元。該MLC40運動控制器除了兼具普通PLC的功能外，更具有強(qiáng)大的Motion運動控制功能和支持多協(xié)議的通信功能。

由于主傳動采用的是國產(chǎn)Z4系列直流電機(jī)，為了保證調(diào)速精度和增加設(shè)備的可靠性，我們采用ABB DCS550-S2-450-05（帶DP通信附件）直流調(diào)速器來實現(xiàn)對軋機(jī)主傳動的無極調(diào)速。由于MLC40運動控制器自帶DP串口，所以與ABB DCS550我們采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

管坯回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、管坯送進(jìn)機(jī)構(gòu)的傳動選用了兩臺力士樂的同步電機(jī)MSK131B-0200-NN-S1-AG0-NNNN，該電機(jī)慣量小，抗沖擊性能好，瞬時過載力矩達(dá)500%，非常適合這種快速、頻繁啟停的工況。同時，伺服電機(jī)驅(qū)動器采用力士樂多軸共直流母線方案，既保證了頻繁快啟快停的要求，也省掉了制動單元和制動電阻等硬件，減少了電柜空間的占用。兩臺伺服控制器逆變單元HMS01.1N-W0150-A-07-NNNN，回轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動器控制單元為CSB01.1CSE-ENS-EN2-NN-S-NN-FW，送進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制單元為CSB01.1N-SE-ENS-NNN-NN-S-FW。MLC40運動控制器通過自帶的SERCOS光纖接口與回轉(zhuǎn)、送進(jìn)兩臺伺服控制器通過光纖進(jìn)行通信，確保實時數(shù)據(jù)快速交換。

在軋機(jī)主傳動軸上，我們配置了德國海德漢的單圈絕對值編碼器GDS02.1-2048-014V-H12。由于在回轉(zhuǎn)伺服控制單元的選型上，我們選用了帶外部編碼器接口功能的組件，該外部編碼器采集的數(shù)據(jù)可以很方便的通過專用接口采集到MLC40運動控制器中。

同時，為了實現(xiàn)人機(jī)交互，選用了臺灣研華PPC3120-12吋帶觸摸的平板工控機(jī)作為人機(jī)界面。MLC40運動控制器通過自帶的以太網(wǎng)口與工控機(jī)通過OPC協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

因此，從硬件的方案配置設(shè)計方面，為運動控制系統(tǒng)的響應(yīng)性、穩(wěn)定性和可靠性提供了保障。如圖示。

圖1 運動控制系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計

4 柔性電子凸輪的設(shè)計方法與實例：

通常情況，我們只需要設(shè)計一條固定的凸輪曲線，就可以滿足回轉(zhuǎn)角度、送進(jìn)量無極可調(diào)的要求。但為了滿足客戶提出的能自己根據(jù)材料不同，可在線改變前、后回轉(zhuǎn)的角度、送進(jìn)量的值這一特殊要求，我們只能利用力士樂提供的IndraWorksEngineering7.166軟件平臺進(jìn)行二次開發(fā)，按照預(yù)定的凸輪曲線軌跡，設(shè)計一種可在線改變的柔性電子凸輪。

首先，我們定義外部絕對值編碼器為MASTER軸，即下面程序中的EA1軸。定義送進(jìn)伺服電機(jī)為SLAVE1軸，即下面程序調(diào)用中的RA1軸；定義回轉(zhuǎn)伺服電機(jī)為SLAVE2軸，即下面程序調(diào)用中的RA3軸。如圖示。

圖2 運動曲線的柔性電子凸輪的設(shè)計圖

其次，明確運動軌跡，可以利用凸輪設(shè)計工具設(shè)計出需要的固定運動凸輪曲線。

然后，參照上面需要達(dá)到的運動軌跡，作為我們設(shè)計的參考依據(jù)，改編成帶有多個變量輸入的柔性凸輪曲線的程序塊FB。為此，我們先定義塊名稱為Z-test。再定義必要的輸入輸出變量，利用經(jīng)過反復(fù)的設(shè)計、調(diào)試、修改，完成了符合上述運動曲線的柔性電子凸輪的設(shè)計工作。Z-test塊程序設(shè)計是本項目的難點和特色。

5 運動軌跡的實現(xiàn)技巧：

在我們編寫好柔性凸輪程序文件塊Z-test以后，我們就可以在MLC40中調(diào)用該FB塊，從而生成所需要的凸輪曲線文件，這里定義的曲線名稱為CAM0。

送進(jìn)軸與回轉(zhuǎn)軸：

其次，從IndraWorksEngineering軟件提供的運動控制庫中，針對送進(jìn)軸和回轉(zhuǎn)軸，分別調(diào)用運動控制指令塊ML-FlexProfile，建立凸輪同步，來驅(qū)動回轉(zhuǎn)和送進(jìn)兩臺伺服電機(jī)，使其按照生成的柔性凸輪曲線，與主軸同步，去實現(xiàn)所需的運動。

例如，送進(jìn)軸RA1，主軸EA1，如下圖。

當(dāng)系統(tǒng)投入生產(chǎn)時或在生產(chǎn)過程中，我們可以直接在系統(tǒng)配置的工控機(jī)界面中通過輸入前、后回轉(zhuǎn)角度與送進(jìn)量等參數(shù)值，靈活改變回轉(zhuǎn)、送進(jìn)的工作區(qū)間，得到希望的回轉(zhuǎn)、送進(jìn)工作模式。兩臺伺服電機(jī)跟隨EA1軸，按照編寫的凸輪曲線，實現(xiàn)所需的運動，非常方便適用。

最后強(qiáng)調(diào)一點，如果需要停止跟隨運動，在這里，我們使用運動控制指令MC-GearOut和MC-Stop指令一起來實現(xiàn)解耦和快停。

以上這些使用技巧，與固定凸輪曲線的運用實現(xiàn)方法是有所不同的。需要注意。

6 結(jié)束語

本項目是作者設(shè)計過的高精度回轉(zhuǎn)送進(jìn)伺服冷軋管機(jī)中，滿足客戶需求，實現(xiàn)難度較大的一個項目。該項目經(jīng)過五年多的生產(chǎn)實際運行，證明控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，柔性凸輪設(shè)計有效可行。同時，通過該項目的實施小結(jié)，舉一反三，在類似有這方面要求的其他項目的應(yīng)用中，對如何去設(shè)計柔性電子凸輪，并去實現(xiàn)其運動軌跡。相信會給同行們提供一定的技術(shù)參考。當(dāng)然，可能還有很多沒有注意到的細(xì)節(jié)，需要我們?nèi)ミM(jìn)一步挖掘、開發(fā)和完善。