基于双CPU的电子凸轮综合实验台开发

2014-05-02王庆九朱新杰顾大强詹建潮

实验技术与管理 2014年5期

王庆九，朱新杰，顾大强，詹建潮

（浙江大学机械工程学系，浙江杭州 310027）

综合性、创新性和设计性实验是培养工科大学生动手能力、专业技能和创新意识的重要手段，研制和开发相关实验仪器设备对工科实验教学有着重要的意义，是实验教学改革的重要内容之一［1－4］。浙江大学机械工程实验中心历来重视综合性实验设备的研制和开发，专业教师和实验人员相继开发出了一系列的自制实验设备［5］，基于双CPU的电子凸轮综合实验台就是其中有代表性的成果之一。

电子凸轮（electronic rotal cam switch）具有多于机械凸轮机构的优点，如精度高、稳定性好、柔性输出、响应速度快，符合现代机械自动化、高速化、多功能、柔性化的发展趋势，在汽车制造、冶金、机械加工、纺织、印刷、食品包装、水利水电等多领域有广泛应用［6－10］。目前国内高校的机械工程类实验中，涉及凸轮的基础实验大多局限于对传统机械式凸轮结构的分析与测绘，学生对凸轮的认识也只停留在有形的凸轮构件上。基于双CPU的电子凸轮综合实验台面向工程实践的发展方向，结合机械、电子、控制等多学科的专业知识，衔接基础实验课程与探究性实验课程，能加深学生对专业技术基础课程的理解，较好地培养他们分析问题的能力和综合运用专业知识的实践动手能力。

1 运动控制系统的设计

1.1 系统结构

电子凸轮综合实验台采用双CPU结构设计，底层核心由掌管程序流程的主控CPU与专门负责运动控制的运动CPU共同组成。触摸屏作为人机界面，用于参数设定与实时监控。2路伺服电机分别控制转盘与直线移动机构，用以完成凸轮廓线的绘制、拟合与验证等实验（见图1）。

图1 电子凸轮综合实验台结构

1.2 控制系统的硬件构成

1.2.1 触摸屏

MT6070iH触摸屏作为电子凸轮综合实验台的人机界面，可用于设定直线移动机构的直线行程与转盘转速、选择凸轮廓线及启停电子离合器，能提供当前转盘转角、当前直线进给量等信息，还设有“正点动”、“反点动”、“转多圈”、“转一圈”、“停止”、“演示”等按钮供操作者进行状态切换（见图2）。

图2 触摸屏操作主界面

1.2.2 双CPU系统

电子凸轮综合实验台采用了目前工控领域广泛应用的三菱Q系列PLC、运动控制器及配套产品［11－13］。在三菱Q38B－E基板上了安装了1只电源模块Q61PA2、1只主控制单元Q02HCPU、1只运动控制单元Q172HCPU、2块输入扩展模块QX42与2块输出扩展模块QY41P，如图3所示。

图3 双CPU系统安装结构

各组成部分的性能参数如下：

（1）Q38B－E基板具有1个电源插槽、1个主CPU插槽与8个模块插槽；

（2）Q61P－A2电源模块接交流220V输入，能提供给基板5V／6A的电源；

（3）Q02HCPU是三菱高性能Q系列PLC中的一员，该PLC具有28K步程序容量、能扩展4096点输入输出点、基本指令的处理速度快至34ns／条；

（4）三菱Q172HCPU系列运动控制器是在Q172CPU系列运动控制器的基础上推出的高性能运动控制器。该产品采用64位RISC处理器，程序容量有448kbyte，运行周期0.44ms；

（5）QX42输入模块具有64点DC24V高速输入端子；

（6）QY41P输出模块具有32点DC12／24V晶体管输出型（漏型）端子。

主控CPU与运控CPU通过缓冲区进行数据交换，系统设置了2个共享数据区块，分别是M0—M255与D5000—D5199，其中M0—M127与D5000—D5099由 Q02HCPU进行维护，M128—M255与D5100—D5199由Q172HCPU进行维护，所有数据两者均可读取使用。

系统自定义的共享数据地址分配见表1。

表1 共享数据地址分配表

表1 （续）

1.2.3 伺服放大器与伺服电机

MR－J3－10B伺服放大器通过高速同步网络与运动控制器连接，利用指令模块的数据执行伺服电机转速、方向的控制和高精度定位。所采用的SSCNETⅢ光通信系统大大提高了通信速度并减小了噪声误差［13］。与伺服放大器相连接的HF－KP053伺服电机安装了分辨率为262 144PLS／圈的绝对式编码器，能实现精确的控制。Q172HCPU运动控制器可实现8轴联动控制。在本电子凸轮综合实验台，凸轮转盘轴转角的度量单位为度（°），电机转一圈发出的脉冲数为262 144，转盘转过的角度为6.545 45°；直线位移轴的度量单为μm，电机转一圈发出的脉冲数为262 144，产生的直线位移为2 000μm。

1.3 控制流程

主控CPU与运动CPU在运行中不断进行数据交换（见图4），各司其职、相辅相成。

图4 控制流程图

2 电子凸轮综合实验台的机械结构

机械凸轮传动选用较为常见的尖底直动从动件盘状凸轮装置。由伺服电机通过蜗杆蜗轮减速装置（传动比为55）驱动盘状凸轮旋转，从动件导轨由2个圆导杆及直线轴承构成，盘状凸轮上方为透明有机玻璃圆盘，其上可安放圆片纸进行凸轮轮廓曲线的绘制。在进行电子凸轮与机械凸轮构件比对实验时，转盘上安装有凸轮实物构件，如图5所示。另一个伺服电机通过滚珠丝杆（导程为2mm）装置带动圆导杆作直线运动，在圆导杆上端可插入绘图笔进行凸轮轮廓曲线的绘制。系统结构中还设计有偏置调节机构，可通过导路偏置调节手柄来调整凸轮的偏心距。

图5 电子凸轮综合实验台机械装置

3 凸轮廓线的设计

在MT Developer2软件里，可以选取特定的曲线进行组合，生成凸轮廓线（见图6）。曲线类型有恒速度、恒加速度、5次曲线、摆线、变形梯形、变形正弦、变形恒速度、梯弦形、反梯弦型、双弦和单弦等多种类型。

在选择好曲线类型后，软件还能综合显示出各段速度、加速度等参数的详细信息。软件提供了接口，可以载入第三方提供的CSV格式的数据文件，这样方便了凸轮廓线数据的生成。

图6 凸轮廓线生成

4 实验项目的设计

基于电子凸轮综合实验台，结合运动控制器软件，我们设计了多个不同类型的实验项目供学生选做。以下仅介绍2个典型的项目。

4.1 电子凸轮轮廓线生成实验

该实验项目的主要实验步骤如下：

（1）观察实验台的机械结构，了解实验台的构造，将有机玻璃转盘安装至转盘轴，并铺上白纸，将绘图笔插至电子凸轮输出轴；

（2）连接电源线、伺服电机连接线及PLC编程线，经检查无误后打开实验台电源；

（3）打开三菱运动控制器编程软件MT Developer2，调入程序模板；

（4）设置伺服放大器的运转参数，可通过双击“Servo Parameter”打开 MR Configurator软件进一步设定伺服放大器详细参数，并进行转动测试；

（5）编制伺服指令，用于直接控制伺服放大器；

（6）编制运动CPU的SFC程序，实现实模式下凸轮转盘轴与直线位移轴的运转控制；

（7）编制运动CPU的SFC程序，实现实模式到虚模式的切换，并进行虚模式下虚轴的转动控制；

（8）在MT Developer2软件里选择参数自行设计3～5条凸轮廓线，并下载至运动CPU；

（9）在转盘转动与电子凸轮输出轴直线位移的共同作用下，绘制出所设计的凸轮曲线进行验证。

4.2 机械凸轮与电子凸轮对比实验

该实验项目的主要实验步骤如下：

（1）观察实验台机械结构，了解其构造，在转盘座上安装机械凸轮实物构件；

（2）—（7）同4.1节；

（8）根据给定的机械凸轮实物参数，在 MT Developer2软件里选择合适的凸轮廓线进行拟合并生成数据，也可以直接从外部调入凸轮廓线特征数据，然后下载至运动CPU；

（9）观察、对比机械凸轮推杆位置与直线位移丝杆位置，体会电子凸轮的含义。

5 结束语

基于双CPU的电子凸轮综合实验台以运动的方式阐述凸轮的概念，将工控领域前沿的控制技术融入传统机械工程基础实验中，扩大了学生的视野，使学生对凸轮的结构、应用及功用有了全新的认识，提升了对机械工程实验课程的兴趣。基于该实验台开发的实验项目有利于引导学生去发现更多机构与运动的关联点，更有助于激发他们的创新潜能、提高他们的创新意识，在面向我校机械工程及自动化专业学生的实验教学中取得了比较好的教学效果。

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