電子凸輪技術在多軸聯動控制中的應用

農 赟，雷耀文，陸炳高

（廣西中煙工業有限責任公司，廣西南寧 530001）

0 引言

在生產和工藝過程越來越復雜的現在，主從軸之間的傳動關系朝非線性關系發展，且存在經常更換和調整的需求。在傳統的多軸聯動控制中，一般采用齒輪、齒條、同步帶和機械凸輪等機械傳動的方式來實現，其在更換主從軸之間的傳動關系（尤其是更換主從軸之間的非線性傳動關系）時存在安裝困難、成本高和輸出運動缺乏柔性等缺點，一般需要重新調整，甚至需要重新設計和整體更換。

基于上述原因，本文在分析比較了機械凸輪的缺點和弊端之后，提出了一種基于Schneider LMC101C 運動控制器的多軸聯動控制解決方案，可以在不增加任何硬件成本的前提條件下實現快速更換主、從軸之間的傳動關系。

1 電子凸輪曲線算法設計

1.1 電子凸輪技術

電子凸輪是利用構造的凸輪曲線來模擬機械凸輪，以達到與機械凸輪系統相同的凸輪軸與主軸之間相對運動的軟件系統。

下面以ZJ17 卷接機組卷煙紙無膠帶拼接改造為例進行介紹，當在線盤紙直徑D 小于等于某一設定的直徑值Ds時，通過一個前端加速軸（D2）將新紙帶線速度加速至在線紙帶線速度，然后通過拼接軸（D1）驅動精密的壓接模具對新、舊紙帶進行壓接，用于實現卷煙紙的無膠帶拼接功能。另外，在拼接過程中，需要在特定的位置點對前端加速軸（D2）進行速度跳躍控制，將前端牽引紙帶拉斷去除。同時，拼接軸（D1）要求在一定轉動角度范圍內加速至在線紙帶線速度，然后同步運行轉動一定角度范圍，再經過一定轉動角度范圍內減速至停止。

1.2 控制系統構成

ZJ17 卷接機組卷煙紙無膠帶拼接改造系統主要由1 個主軸編碼器、1 個運動控制器（LMC 101C）、2 個軸模塊（LMX 52）、2 個伺服電機和1 個人機界面組成。其中，主軸編碼器用于檢測ZJ17卷接機組的實際生產速度；運動控制器用于完成所有外圍信號的采集、分析處理和計算；軸模塊用于直接控制對應伺服電機實現運動；伺服電機用于驅動對應的機械機構實現工藝動作；人機界面用于實現人機交互，包括但不限于修改運動控制相關參數。

同時，人機界面與運動控制器之間采用Ethernet 網絡進行通信，軸模塊與運動控制器之間采用Sercos Ⅲ環網進行實時數據通信。

1.3 電子凸輪曲線設計

為了有效控制前端牽引、后端剩余廢料量長度，根據實際工藝需求，ZJ17 卷接機組卷煙紙無膠帶拼接改造系統的電子凸輪曲線被設計為如圖1 所示。

圖1 電子凸輪曲線

其中，①為D≤Ds時啟動拼接動作；②為加速軸開始加速；③為加速軸加速至在線紙帶線速度，拼接軸開始加速；④為加速軸速度跳躍；⑤為拼接軸加速完成，開始同步；⑥為拼接軸同步完成，開始減速；⑦為拼接軸減速完成，加速軸開始減速；⑧為加速軸減速完成。

另外，L 表示從啟動拼接動作到拼接軸開始加速過程中主機運行的紙帶長度，此值是一個恰當的固定值，不受實際生產速度的變化而影響；Lzj表示加速軸加速過程中主機所運行的紙帶長度；Lj表示加速軸加速過程中加速軸所走過的位移長度；Lt表示加速軸速度跳躍位置，由人機界面根據實際情況設定。

2 控制實現

系統搭建完成后，因系統之間存在一定差異（由設計、加工以及裝配精度等造成），需對伺服電機進行參數優化（具體參數優化的方法和原則在此不做介紹，但個別控制器所用的編程軟件中會帶有相關參數優化的功能包，用戶可根據需要自行選用，如Schneider 發布的Motion 軟件等）。在伺服參數優化完成后，系統即可開始啟動運行。

系統運行過程中，主軸編碼器用于檢測主機（即主軸）的實際生產速度，運動控制器根據主軸編碼器的反饋和舊盤紙轉速實時計算出舊盤紙直徑D，同時根據主軸編碼器的反饋和相關參數設置，實時計算出當前生產速度下的紙帶在線無膠帶接續的最佳運動控制曲線，當舊盤直徑D 小于等于設定的拼接直徑Ds（即D≤Ds）時，啟動拼接動作，在拼接過程中關鍵時間段內Trace 曲線如圖2 所示。

圖2 實際控制Trace 曲線

3 效果分析

根據Trace 曲線可知，系統可實時根據參數設置和主機生產速度的不同而實時改變從軸與主軸之間的驅動關系，包括線性驅動關系和非線性凸輪關系，滿足實際生產工藝需求，提高傳動控制的柔性，降低設備相關成本，提高生產效率。

4 結語

隨著社會對設備的需求也存在較大的差異，必須尋求一種可以盡可能適用于各種差異化需求的方法，這其中電子凸輪技術無疑是運動控制（尤其是多種聯動的運動控制）技術中比較通用和靈活的一種，具有很好的發展和應用前景，甚至有可能逐步完全取代傳統運動控制技術的趨勢。