电子凸轮技术在多轴联动控制中的应用

2021-01-05雷耀文陆炳高

设备管理与维修 2020年19期

农赟，雷耀文，陆炳高

（广西中烟工业有限责任公司，广西南宁 530001）

0 引言

在生产和工艺过程越来越复杂的现在，主从轴之间的传动关系朝非线性关系发展，且存在经常更换和调整的需求。在传统的多轴联动控制中，一般采用齿轮、齿条、同步带和机械凸轮等机械传动的方式来实现，其在更换主从轴之间的传动关系（尤其是更换主从轴之间的非线性传动关系）时存在安装困难、成本高和输出运动缺乏柔性等缺点，一般需要重新调整，甚至需要重新设计和整体更换。

基于上述原因，本文在分析比较了机械凸轮的缺点和弊端之后，提出了一种基于Schneider LMC101C 运动控制器的多轴联动控制解决方案，可以在不增加任何硬件成本的前提条件下实现快速更换主、从轴之间的传动关系。

1 电子凸轮曲线算法设计

1.1 电子凸轮技术

电子凸轮是利用构造的凸轮曲线来模拟机械凸轮，以达到与机械凸轮系统相同的凸轮轴与主轴之间相对运动的软件系统。

下面以ZJ17 卷接机组卷烟纸无胶带拼接改造为例进行介绍，当在线盘纸直径D 小于等于某一设定的直径值Ds时，通过一个前端加速轴（D2）将新纸带线速度加速至在线纸带线速度，然后通过拼接轴（D1）驱动精密的压接模具对新、旧纸带进行压接，用于实现卷烟纸的无胶带拼接功能。另外，在拼接过程中，需要在特定的位置点对前端加速轴（D2）进行速度跳跃控制，将前端牵引纸带拉断去除。同时，拼接轴（D1）要求在一定转动角度范围内加速至在线纸带线速度，然后同步运行转动一定角度范围，再经过一定转动角度范围内减速至停止。

1.2 控制系统构成

ZJ17 卷接机组卷烟纸无胶带拼接改造系统主要由1 个主轴编码器、1 个运动控制器（LMC 101C）、2 个轴模块（LMX 52）、2 个伺服电机和1 个人机界面组成。其中，主轴编码器用于检测ZJ17卷接机组的实际生产速度；运动控制器用于完成所有外围信号的采集、分析处理和计算；轴模块用于直接控制对应伺服电机实现运动；伺服电机用于驱动对应的机械机构实现工艺动作；人机界面用于实现人机交互，包括但不限于修改运动控制相关参数。

同时，人机界面与运动控制器之间采用Ethernet 网络进行通信，轴模块与运动控制器之间采用Sercos Ⅲ环网进行实时数据通信。

1.3 电子凸轮曲线设计

为了有效控制前端牵引、后端剩余废料量长度，根据实际工艺需求，ZJ17 卷接机组卷烟纸无胶带拼接改造系统的电子凸轮曲线被设计为如图1 所示。

图1 电子凸轮曲线

其中，①为D≤Ds时启动拼接动作；②为加速轴开始加速；③为加速轴加速至在线纸带线速度，拼接轴开始加速；④为加速轴速度跳跃；⑤为拼接轴加速完成，开始同步；⑥为拼接轴同步完成，开始减速；⑦为拼接轴减速完成，加速轴开始减速；⑧为加速轴减速完成。

另外，L 表示从启动拼接动作到拼接轴开始加速过程中主机运行的纸带长度，此值是一个恰当的固定值，不受实际生产速度的变化而影响；Lzj表示加速轴加速过程中主机所运行的纸带长度；Lj表示加速轴加速过程中加速轴所走过的位移长度；Lt表示加速轴速度跳跃位置，由人机界面根据实际情况设定。

2 控制实现

系统搭建完成后，因系统之间存在一定差异（由设计、加工以及装配精度等造成），需对伺服电机进行参数优化（具体参数优化的方法和原则在此不做介绍，但个别控制器所用的编程软件中会带有相关参数优化的功能包，用户可根据需要自行选用，如Schneider 发布的Motion 软件等）。在伺服参数优化完成后，系统即可开始启动运行。

系统运行过程中，主轴编码器用于检测主机（即主轴）的实际生产速度，运动控制器根据主轴编码器的反馈和旧盘纸转速实时计算出旧盘纸直径D，同时根据主轴编码器的反馈和相关参数设置，实时计算出当前生产速度下的纸带在线无胶带接续的最佳运动控制曲线，当旧盘直径D 小于等于设定的拼接直径Ds（即D≤Ds）时，启动拼接动作，在拼接过程中关键时间段内Trace 曲线如图2 所示。