高 琨，張森林

(1.國核示范電站有限責(zé)任公司，山東威海264200;2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027)

0 引言

凸輪結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在各類工業(yè)裝置中，一般而言，齒輪、帶、鏈傳動(dòng)等結(jié)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)簡單的運(yùn)動(dòng)變換，較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)只能選擇凸輪和連桿結(jié)構(gòu)［1］。在數(shù)字伺服控制技術(shù)出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)的機(jī)械凸輪是唯一的能實(shí)現(xiàn)任意運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)者需要計(jì)算出合適的凸輪輪廓，生產(chǎn)出具有與曲面輪廓的構(gòu)件，作為原動(dòng)件，通常作等速連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng);從動(dòng)件則按預(yù)期輸出特性要求完成各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，例如往復(fù)擺動(dòng)、等速或不等速運(yùn)動(dòng)、連續(xù)或間歇運(yùn)動(dòng)等。

但機(jī)械凸輪為高副接觸(點(diǎn)或線)，壓強(qiáng)較大，容易磨損，有噪聲，凸輪輪廓加工比較困難，只能實(shí)現(xiàn)一種預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，費(fèi)用較高。特別是高速凸輪的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，制造要求較高［2］。目前，采用數(shù)字技術(shù)和伺服控制的電子凸輪可以使從動(dòng)桿實(shí)現(xiàn)各類運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而替代機(jī)械凸輪，且具有精度高、無磨損、柔性化設(shè)計(jì)易控制等優(yōu)點(diǎn)，逐漸獲得廣泛應(yīng)用。

目前，電子凸輪多為配套廠家用單片機(jī)開發(fā)［3］，多采用單片機(jī)控制直線步進(jìn)電機(jī)的方案，由單片機(jī)輸出脈沖信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)［4］，凸輪曲線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ROM 中，步進(jìn)電機(jī)可將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移，移動(dòng)位移與輸入脈沖成比例關(guān)系，因此，只需改變電脈沖頻率，便可對(duì)步進(jìn)電機(jī)調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)動(dòng)規(guī)律［5-7］。此種研究為開環(huán)控制，控制精度有限，且穩(wěn)定性較差。

三菱公司工控產(chǎn)品穩(wěn)定性及控制精度較高。筆者基于三菱Q 系列PLC 及伺服控制器，設(shè)計(jì)并制作一套完整裝置，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證電子凸輪可完全替代機(jī)械凸輪的效果展示，并體現(xiàn)出電子凸輪的優(yōu)越性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與總體方案

本研究利用可編程控制器PLC 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械凸輪和電子凸輪的控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

驅(qū)動(dòng)電機(jī)與偏心凸輪組合，連接從動(dòng)桿，即為機(jī)械凸輪結(jié)構(gòu)，從動(dòng)桿按照預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，形成開環(huán)控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)和凸輪機(jī)構(gòu)組合，形成電子凸輪，控制系統(tǒng)和普通馬達(dá)結(jié)合產(chǎn)生伺服電機(jī)，伺服電機(jī)兼具驅(qū)動(dòng)與控制的雙重功能，通過傳感器將速度和位移反饋給伺服控制器，形成閉環(huán)控制。因此，系統(tǒng)通過運(yùn)動(dòng)控制，可以根據(jù)要求改變輸入運(yùn)動(dòng)曲線，從而改變輸出的動(dòng)作及運(yùn)動(dòng)性能，使凸輪具有一定程度的通用性，并賦予一定程度的自適應(yīng)性和智能性。

2 硬件設(shè)計(jì)

本研究供電模塊為三菱Q61P 電源模塊，向安裝在基板上的可編程控制器的各模塊提供DC 電源?；綪LC 控制器采用了三菱Q02HCPU 高性能CPU，I/O點(diǎn)數(shù)可達(dá)到4 096 點(diǎn)，程序容量28 K 步，基本處理速度達(dá)到0.034 μs，其性能水平居世界領(lǐng)先地位;伺服控制器采用三菱Q172HCPU 運(yùn)動(dòng)控制CPU 伺服放大器，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)控制，最多支持8 軸聯(lián)動(dòng)，該項(xiàng)目中使用兩軸。控制系統(tǒng)采用了雙CPU 控制，一個(gè)是Q 系列基本型CPU，一個(gè)是Q172HCPU 運(yùn)動(dòng)控制CPU，PLC 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，Q172HCPU 是專門的運(yùn)動(dòng)控制CPU，采用這種控制方式，分散控制功能，同時(shí)處理順序控制和運(yùn)動(dòng)控制，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，效率和精度都得到提升。兩臺(tái)MR-J3 伺服放大器分別用光纖串行連接運(yùn)動(dòng)控制CPU和兩臺(tái)電機(jī)。兩臺(tái)電機(jī)均采用三菱HF-KP053 交流伺服電機(jī)。輸入單元采用QX40-S1(Q 系列PLC 數(shù)字量輸入單元)，輸入點(diǎn)數(shù)為16 點(diǎn)［8］，用于實(shí)現(xiàn)輸入按鍵功能擴(kuò)展，按鍵面板包含了“啟動(dòng)”、“停止”、“點(diǎn)動(dòng)”等功能。三菱電源模塊、基本CPU 模塊、運(yùn)動(dòng)CPU 模塊及輸入模塊均安裝在主基板上，通過基板電路通訊。

最終制作的實(shí)物控制箱如圖2所示。其中，箱體左側(cè)上部為操作按鈕，下部盤臺(tái)上分別布置了伺服電機(jī)及其通過履帶結(jié)構(gòu)連接的從動(dòng)桿、偏心機(jī)械凸輪及從動(dòng)推桿(凸輪連接的電機(jī)位于凸輪之下的箱體內(nèi));箱體右側(cè)從上到下分別為控制器模塊(電源模塊、PLC和運(yùn)動(dòng)CPU)和伺服放大器。

圖2 控制箱實(shí)物

(1)機(jī)械凸輪部分。制作偏心凸輪，中心連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)主軸(箱體內(nèi)部下端)，凸輪邊緣線接觸連接從動(dòng)推桿，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，凸輪連續(xù)回轉(zhuǎn)，使從動(dòng)推桿根據(jù)凸輪輪廓曲線做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

(2)電子凸輪部分。運(yùn)動(dòng)控制CPU、伺服放大器與伺服電機(jī)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，伺服電機(jī)采用了分辨率為262144 脈沖/轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置編碼器，與伺服放大器配合，構(gòu)成位置檢測系統(tǒng)?？刂浦噶钔ㄟ^CPU傳入伺服放大器，控制伺服電機(jī)完成相應(yīng)動(dòng)作。電機(jī)主軸通過履帶連接從動(dòng)件，與機(jī)械凸輪部分推桿平行放置，以便直觀的對(duì)比觀察電子凸輪與機(jī)械凸輪的運(yùn)行效果。

本研究使用三菱運(yùn)動(dòng)控制編程軟件GSV22P-MT Developer 搭建的系統(tǒng)模塊如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)模塊圖

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)使用三菱PLC 編程軟件GX Developer 和運(yùn)動(dòng)控制CPU 編程軟件GSV22P 作為軟件開發(fā)環(huán)境。

本研究利用GX Developer 軟件將順控程序?qū)懭隥02HCPU，執(zhí)行自動(dòng)刷新、多CPU 間數(shù)據(jù)處理、IO 數(shù)據(jù)處理等功能。PLC 程序編寫有指令圖、梯形圖、SFC編程等方法，順控程序采用了梯形圖格式［9］。

本研究利用GSV22P 完成運(yùn)動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)，新建工程選擇Q172 型CPU 后進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置System Setting 界面，按如圖3所示的步驟完成模塊搭建，并配置相關(guān)模塊參數(shù)，例如Base setting 中的基板及擴(kuò)展基板槽數(shù)，Mutiple CPU setting 中選擇多CPU 的個(gè)數(shù)，以及自動(dòng)刷新參數(shù)、伺服放大器及伺服電機(jī)型號(hào)配置等。系統(tǒng)設(shè)置完后編譯生效。隨后使用SFC 編程方法對(duì)運(yùn)動(dòng)控制程序進(jìn)行編程，SFC 編程是步進(jìn)流程圖式的方法，易懂且可維護(hù)性較強(qiáng)。運(yùn)動(dòng)SFC 程序由開始，步，轉(zhuǎn)移，結(jié)束等組成［10］。該系統(tǒng)編寫的SFC 程序列表如表1所示。

表1 寫入Q172HCPU 中的SFC 程序列表

在SFC 程序中，F(xiàn) 指令為運(yùn)動(dòng)控制步指令，功能為執(zhí)行設(shè)定的運(yùn)動(dòng)控制程序;G 指令為轉(zhuǎn)移指令，功能為轉(zhuǎn)移到下一步所需的條件;K 指令為運(yùn)動(dòng)控制步指令，執(zhí)行設(shè)定的伺服程序，END 指令為結(jié)束指令。以JOG 手動(dòng)運(yùn)行程序?yàn)槔?，部分SFC 程序段如圖4所示。

圖4 JOG 程序段(部分)

其中，G20 程序轉(zhuǎn)移語句為M2415* M2435* M0。M 代碼代表內(nèi)部繼電器元件編號(hào)，例如M2400-2419為軸1 狀態(tài)。

在三菱GSV22P 控制軟件中，可通過創(chuàng)建凸輪控制來實(shí)現(xiàn)虛擬主軸(即控制伺服電機(jī)主軸)的凸輪曲線運(yùn)動(dòng)，替代機(jī)械主軸實(shí)現(xiàn)高精度同步控制，精度最大為2 048 個(gè)點(diǎn)。在CAM Data Setting 設(shè)定中，系統(tǒng)內(nèi)置配備了11 種凸輪特性曲線，可以實(shí)現(xiàn)理想的曲線輸出特性控制。通過設(shè)定曲線類型，使伺服放大器按照設(shè)定曲線控制伺服電機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電子凸輪功能。運(yùn)動(dòng)曲線選擇界面如圖5所示。勻變速運(yùn)動(dòng)、正弦運(yùn)動(dòng)等，均可通過CAM Data Setting 進(jìn)行選擇加載。另外，可以新建或修改已有的曲線數(shù)據(jù)，來實(shí)現(xiàn)任意的凸輪特性。

圖5 運(yùn)動(dòng)曲線選擇

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

該系統(tǒng)通過改變輸入曲線狀態(tài)，使軸1 伺服電機(jī)按設(shè)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)從動(dòng)桿實(shí)現(xiàn)電子凸輪功能。機(jī)械凸輪部分，通過設(shè)定軸2 電機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械凸輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)勻速往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該項(xiàng)目制作的從動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)范圍為0～20 cm，在CAM Data Setting 中設(shè)定軸1 為勻速運(yùn)動(dòng)曲線，軸2 保持勻速運(yùn)動(dòng)，在不同時(shí)刻分別測量電子凸輪與機(jī)械凸輪的從動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)位移，得到結(jié)果如表2所示。

表2 不同時(shí)刻從動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)位移表

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，在機(jī)械凸輪的固定運(yùn)動(dòng)規(guī)律下，電子凸輪方案同樣可以通過調(diào)整輸入曲線來實(shí)現(xiàn)，且控制精度較高。由于機(jī)械凸輪制作工藝受限［11-12］，推桿2 的位移與電子凸輪推桿1 相比，運(yùn)動(dòng)規(guī)律波動(dòng)較大，而推桿1 較好地完成了勻速往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由此可見，電子凸輪方案要優(yōu)于機(jī)械凸輪。

5 結(jié)束語

機(jī)械凸輪一旦成型之后無法再改變，從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律也由此決定［13］。而電子凸輪可以通過編制不同曲線，實(shí)現(xiàn)各類運(yùn)動(dòng)規(guī)律，且大大減少了機(jī)械部件可靠性對(duì)系統(tǒng)帶來的影響，滿足高速、高精度、高穩(wěn)定性的要求。

在本研究中，通過調(diào)整電子凸輪輸入曲線，實(shí)現(xiàn)了與機(jī)械凸輪的同步效果，驗(yàn)證了電子凸輪可以完全替代機(jī)械凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律的結(jié)論。不足的是，受限于機(jī)械工藝制作水平，本研究中的機(jī)械凸輪精度不高，運(yùn)功規(guī)律偏差較大，這也體現(xiàn)了機(jī)械凸輪加工難度大、成本高的特點(diǎn)。

顯然，電子凸輪有著比機(jī)械凸輪更加優(yōu)越的應(yīng)用條件，筆者相信，電子凸輪在紡織機(jī)械、汽車制造、機(jī)械加工等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域均會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

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