电子凸轮控制技术的应用

2014-12-11赖宋红

仪器仪表用户 2014年6期

赖宋红

（浙江商业职业技术学院，杭州 310053）

0 引言

在各种机械中，齿轮、带、链传动等只能实现简单的运动变换，而这种简单运动往往难以满足工艺需求，因此就需要间歇机构来实现较复杂的运动。目前常用的间歇机构主要有不完全齿轮机构、槽轮机构、棘轮机构、凸轮机构。这五类常用的间歇机构中，凸轮机构具有结构简单，分度定位精度高，稳定性好的特点。通过合理地选择或者设计凸轮机构从轴的运动规律，可以使凸轮机构具有比较好的动力学以及运动学特性，但是，机械凸轮机构缺乏柔性，一套凸轮机构仅仅对应于一种从轴的运动规律，当需要改变系统的输出运动规律时，就得制造另一套凸轮机构，来改变凸轮的类型和尺寸，这硬件上的改动不仅给制造带来了困难，而且也对于那些凸轮的试验样机带来了不便，因为这些样机都是需要多次实验来确定的。因此，设计一种既具备机械凸轮机构分度运动的特点又具备输出运动可控性特点的可控机构变得十分必要，这便促进了电子凸轮的产生与发展[1]。

1 系统组成

根据机械凸轮的运动规律，制作了一款实验室用的电子凸轮系统。采用LO2SCPU-CM这款三菱PLC作为控制器的核心，完成整个控制系统速度的精确控制、与人机交互界面控制、各部件的驱动控制以及电子凸轮控制算法的实现。项目采用的执行机构是HG-KR23J伺服电机，其驱动器采用伺服放大器MELSERV0-J4，执行机构的运动控制由三菱的运动控制模块LD77MH16完成。系统的电源由三菱电源模块L61P供给。人机交互监控界面在三菱GOT11触摸屏上实现，实时显示电子凸轮的运行状态。主要有如下三方面的工作：

1）PLC、PAC、伺服电机接口设计

查阅三菱提供的技术资料，研究三菱PLC、PAC、伺服电机的硬件接口电路以及通讯协议。通过电缆有效的连接，主控CPU根据控制算法驱动伺服电机输出特定的凸轮曲线，如要改变运动规律，那么仅仅只需改变相应的控制数据就可以实现。在某些特殊的情况下，可以根据当前被加工工件的运动规律来临时修改电子凸轮的运动规律。

2）最优预见控制算法设计

系统的稳、快、准这3个性能指标是相互矛盾的，可以通过研究算法来寻求它们之间的平衡点。通过设定合适的评价函数，并求其最大值与最小值来获得最优控制规律。综合利用评价函数提高系统动态响应速度，预测控制对模型依赖程度低、鲁棒性强的优点，设计预见预测控制器[2]。

3）系统人机交互界面设计

三菱GOT11触摸屏通过RS232接口与主控CPU连接，在触摸屏上编写人机交互界面，用于接收用户触摸指令和实时显示电子凸轮的运行状态。交互界面具有手动和自动控制的功能，提供用户手动操作主轴和从轴伺服电机正反转、设置原点的接口。

1.1 硬件设计

采用LO2SCPU-CM作为电子凸轮的控制芯片，三菱的L系列可编程控制器虽然体积很小，但却继承了高端PLC的高性能、多功能及大容量等特点于一身。CPU具备52MHz的基本运算处理速度以及260K步的程序容量，其最大I/O可扩展达到8129点。在硬件方面，内置定位模块、高速计数器模块、脉冲捕捉模块、中断输入、通用I/O等功能，以太网及USB接口，便于编程及通讯，配置了SD存储卡，可存放最大4G的数据。无需基板，可任意增加不同功能的模块。凸轮曲线的数据控制表都存储在内部存储卡里，装置只能通过修改程序来改变凸轮运动曲线，而无法通过触摸屏修改。可编程控制器通过参数控制伺服电机来模拟机械凸轮的运动过程。触摸屏上显示运行转数及主轴从轴的位置等信息。下图是电子凸轮装置。

1.2 软件设计

图1 电子凸轮Fig.1 Electronic CAM

软件设计主要完成以下工作：

1）完成初始化：CPU与各个模块之间通信的参数设置、主轴从轴原点位置的记录、伺服电机控制器的初始化工作等。

2）运动参数的计算：根据触摸屏输入的速度、运行方式等参数，建立伺服系统的数学模型，根据运动速度曲线规划计算出机械凸轮运行的轨迹参数。电子凸轮的行程包括加速、恒速、减速3个阶段，每个阶段都有分段函数来执行。

3）人机交互界面的设计：交互界面采用三菱GOT11系列触摸屏，用于接收用户触摸指令和实时显示电子凸轮的运行状态。

2 实验测试

对电子凸轮输出特性测试的方法一般有下面几种：

1）使用加速度传感器测量加速度响应

把电子凸轮放在实验室分度驱动实验台，测量它产生的加速度响应信号，通过该信号验证其输出曲线特性是否和设计需求吻合。一般的测试方法是在电机的轴上安装一个载荷型圆盘，把加速度传感器按照载荷盘回转的切线方向，并通过绝缘座固定在载荷盘上。电机输出轴随加速度传感器一起转动，本文在输出轴载荷盘轴端加了一个类似有刷发电机结构的集流环装置，这样就避免了信号线发生缠绕。当电机按照程序设定的运动规律运转时，安装在载荷盘上的加速度传感器会随载荷盘一起完成分度凸轮运动而产生电信号[1]，将这信号通过集流环引出，再通过电荷放大器、低通滤波器、AD转换、数据采集卡等，把采集的模拟信号转换为数字信号送入到PLC进行数据运算与分析。通过对加速度响应信号的分析，可以测算出电子凸轮运动的速度变化和位移输出曲线。从而推算出电子凸轮的运动规律[3]。

2）使用PLC中的计数器进行测速

可以使用PLC的计数器配合模块上的光电编码盘进行电机实时转速测定，以求得电子凸轮的输出曲线规律[1]。采用这种方法一般可以在规定的检测时间内，通过PLC计数器对光电码盘输出的脉冲个数计数，也可以在光电码盘输出的一个脉冲周期对高频时钟脉冲的个数进行计数。

3）利用机械凸轮和电子凸轮协同工作的方式

把机械凸轮置于轴1上，电子凸轮置于轴2上，两者同时工作，检测电路实时检测凸轮的位置信息，可以通过比对位置信息来分析电子凸轮是否按照所预设的运动规律动作。当然，此方法需要有实际的机械凸轮，比较适用于实验室开发阶段。

本文将文中的电子凸轮用于教学，显然方法更加能让学生直观地观察到电子凸轮的运动规律。从实验的测试结果可以看出，PLC控制伺服电机的运动方式能输出设定的机械凸轮运动曲线，从而实现了机械凸轮的功能。用这种方法控制的电子凸轮在停顿期间，残余的振动比较小，定位精度也比较高。在实验测试过程中，外界干扰因素，例如实验环境、振动冲击、天气湿度等对测试结果影响较小。实验同时发现，如果转数设置过高，会引起加剧振动，但是伺服电机仍能稳定输出，电子凸轮输出曲线受影响较小。

本项目的研究旨在以电子凸轮代替机械凸轮。电子凸轮是由执行机构、反馈测量元件、控制器等构成的，可以通过改变控制算法实现多种运动规律，这种特性是传统机械凸轮机构不可比拟的。试验结果也表明电子凸轮是一种柔性设备，可以提高生产效率，降低成本。