劉學(xué)鵬，郝曉紅，張東升，黃曉東

(1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，廣東 中山 528404;2.成都電子科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，成都 611731;3.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049;4.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，洛陽 471023)

在機(jī)械壓力機(jī)中使用的凸輪控制器相對于現(xiàn)代生產(chǎn)的要求存在著以下不足:容易磨損，維修不方便?？刂凭鹊停煽啃圆?。由于采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，隨之時間的推移，由于磨損，使凸輪的精度變差。同時機(jī)械式的觸點的可靠性差。適用的工作速度低。缺乏靈活性。當(dāng)生產(chǎn)工藝變化，或是凸輪磨損，需要更換調(diào)整時，凸輪控制器顯得很不方便。不能靈活的設(shè)置動作角度。

1 電子凸輪控制器原理

電子凸輪控制器由控制器、位置傳感器(旋轉(zhuǎn)編碼器)以及連接電纜組成。使用時控制器安裝在電氣控制柜中，旋轉(zhuǎn)編碼器與壓力機(jī)主軸連接，用于檢測壓力機(jī)曲軸在0 ～359°之間所處位置，將所測出的位置量以絕對值編碼的形式傳給控制器［1-11］?？刂破鹘邮招D(zhuǎn)編碼器傳來的碼數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后，按照用戶設(shè)定值，在不同轉(zhuǎn)角區(qū)域，使相應(yīng)輸出端子導(dǎo)通，在此區(qū)域外斷開。完成對壓力機(jī)在不同轉(zhuǎn)角相應(yīng)功能的控制。圖1 是電子凸輪控制器的機(jī)械形式示意圖。

2 電子凸輪控制器總體結(jié)構(gòu)

電子凸輪控制器系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、角度檢測(旋轉(zhuǎn)編碼器)、用戶人機(jī)界面等部分組成.系統(tǒng)有設(shè)置和運行兩種工作方式，兩種工作狀態(tài)有鑰匙開關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在設(shè)置方式下，用戶通過鍵盤設(shè)定、編輯、修改各個通道的起始角度和終止角度區(qū)間。設(shè)置完成后轉(zhuǎn)換至在運行方式，單片機(jī)通過CPLD 接口采集旋轉(zhuǎn)編碼器的角度值，與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，在設(shè)定角度區(qū)間內(nèi)控制相應(yīng)的通道輸出到繼電器，可直接控制電機(jī)，開關(guān)、繼電器等設(shè)備。也可送入PLC 的輸入端子，由PLC 完成整個系統(tǒng)的控制、同時將檢測到的編碼器的輸入值以角度或者轉(zhuǎn)速由數(shù)碼管顯示，并通過發(fā)光二極管指示各個通道的通斷狀態(tài)。

圖1 電子凸輪原理

系統(tǒng)提供3 輸入通道:ST 啟動輸入、HOME 外部原點輸入、PRO 程序保護(hù)輸入。通過這四個輸入通道可以利用外部信號對電子凸輪控制器進(jìn)行控制。

系統(tǒng)還提供一個外部繼電器的總控開關(guān)，用來對所有進(jìn)行設(shè)備控制的繼電器進(jìn)行控制，提高系統(tǒng)的安全性。

3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計與CPLD 內(nèi)部邏輯實現(xiàn)

電子凸輪控制器系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、角度檢測(旋轉(zhuǎn)編碼器)、鍵盤和顯示、開關(guān)量輸入輸出、串行通信等部分組成。其整體系統(tǒng)框圖如圖2 所示。地址鎖存器和譯碼單元如圖3所示。

圖2 總體硬件結(jié)構(gòu)

雙向數(shù)據(jù)端口的設(shè)計如圖4 所示。端口的輸入信號和相應(yīng)的地址選通信號都接入一個特殊的模塊INOUT 內(nèi)，在INOUT 模塊內(nèi)根據(jù)輸入的地址選通信號在輸出端輸出相應(yīng)的輸入信號。與INOUT 輸出端相連的74244 的OE 信號則由所有輸入端口的選通信號和讀信號RD 的邏輯組合控制。

圖3 鎖存和譯碼單元

圖4 雙向端口

輸入單元如圖5 所示。RD 是來自于CPU 的讀信號。IN_CS0 ～I(xiàn)N_CS4 是來自于譯碼單元的地址選通信號。僅當(dāng)RD 信號和某一選通信號同時有效時，總線導(dǎo)通該路的輸入信號，否則總線處于高阻態(tài)。

鍵盤與顯示接口的CPLD 內(nèi)部實現(xiàn)如圖6 所示。DB0 ～DB7 為與主控板上EPM7128 相連接的雙向數(shù)據(jù)線。用來傳送LED 顯示數(shù)據(jù)、LED 段選和讀取的鍵盤值。HIMSEL0 和HIMSEL1 為主控板進(jìn)行編碼后產(chǎn)生的控制線。

絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器以格雷碼形式輸出當(dāng)前檢測的角度值。格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼的VHDL 源代碼片段如下:

圖5 輸入單元

圖6 鍵盤與顯示接口

4 電子凸輪控制器軟件結(jié)構(gòu)與功能

電子凸輪控制系統(tǒng)軟件設(shè)計將定時中斷0 產(chǎn)生的標(biāo)志作為消息，而將要進(jìn)行的操作放在中斷服務(wù)程序之外的主程序循環(huán)(消息循環(huán))中進(jìn)行。定時器0 中斷服務(wù)程序中只進(jìn)行標(biāo)志位的設(shè)置(發(fā)送消息)，減少了中斷服務(wù)程序的長度，縮短了中斷服務(wù)程序執(zhí)行的時間。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7 所示。電子凸輪控制器系統(tǒng)軟件由MCS-51 匯編語言編寫，其主要功能:對系統(tǒng)硬件的支持，包括功能轉(zhuǎn)換開關(guān)、控制按鈕輸入、撥碼開關(guān)輸入等。旋轉(zhuǎn)編碼器輸入角度值的采集和相應(yīng)的碼制轉(zhuǎn)換。人機(jī)界面實現(xiàn)是用戶通過鍵盤輸入命令，完成對16 通道初始角度和終止角度的設(shè)定、編輯、修改和其他設(shè)定工作。同時將相應(yīng)的設(shè)定在數(shù)碼管上顯示出來。輸出控制是在系統(tǒng)運行狀態(tài)下，完成實際角度與預(yù)設(shè)角度區(qū)間的比較、判斷并決定各個輸出通道的狀態(tài)。通信功能是從上位機(jī)接收命令，可以完成設(shè)定的讀出、編輯和修改;各個通道狀態(tài)的讀出;用戶程序的選擇等功能。

圖7 軟件結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語

根據(jù)電子凸輪的特點及其在工業(yè)自動化領(lǐng)域的實際應(yīng)用，設(shè)計出電子凸輪為機(jī)械壓力機(jī)提供了精確的轉(zhuǎn)速和角度檢測，并具有一定的控制功能，提供簡單的角度設(shè)定和方便的開關(guān)轉(zhuǎn)換功能。替代原有的機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)后，由于不再有凸輪的磨損，而使控制精度大為提高。實際應(yīng)用表明:系統(tǒng)有效地提高工作可靠性、故障率低、體積小、動作時振動噪聲小、維修方便，為正常工業(yè)生產(chǎn)起到了重要的作用。

［1］阮岑，孟婥，楊延竹.地毯簇絨裝備橫動提花方法的研究［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2008（12）:124-126.

［2］李瑞琴，鄒慧君，張晨愛，等.電子凸輪在橫針機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用研究［J］.機(jī)械設(shè)計與研究，2006，22（6）:32-34.

［3］李顯，湯以范，何法江.基于PMAC 的時基控制原理與應(yīng)用［J］.科技資訊，2006（6）:41-42.

［4］曾強(qiáng).基于PLC 的電子凸輪控制器［J］.流體傳動與控制，2007（3）:41-42.

［5］伍宗富.基于DSP 的電子橫移控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2007，20（3）:137-138.

［6］Václavík M，Jirásko P.The problems of electronic cam applications［C］//13th World Congress in Mechanism and Machine Science. Guanajuato，México，19- 25 June，2011: 1-8.

［7］Václavík M，Jirásko P. Research and Application of Displacement Laws of Electronic Cams［C］//12th IFToMM World Congress. Besan on（France），June18-21，2007:233-238.

［8］Jirásko P. Methodology of electronic cam applications in drives of working links of mechanisms of processing machines［J］.Dissertation TU Liberec CZ，2010:134-139.

［9］Jirásko P，Václavík M.Residual spectra of displacement of conventional and electronic cams［C］//National conference Engineering Mechanics.Svratka（CZ），May 11-14，2009:364-368.

［10］Václavík M，Jirásko P.Electronic cams in serial and parallel combination with conventional mechanisms in the drive of mechanism working links［C］//The First IFToMM Asian Conference on Mechanism and Machine Science.October 21-25，2010:167-171.

［11］Bene? P，Valá?ek M，Marek O. INPUT SHAPING CONTROL OF ELECTRONIC CAMS［C］//18thInternational Conference ENGINEERING MECHANICS. 2012: 117-122.