王慶九，朱新杰，顧大強，詹建潮

（浙江大學(xué) 機械工程學(xué)系，浙江 杭州 310027）

綜合性、創(chuàng)新性和設(shè)計性實驗是培養(yǎng)工科大學(xué)生動手能力、專業(yè)技能和創(chuàng)新意識的重要手段，研制和開發(fā)相關(guān)實驗儀器設(shè)備對工科實驗教學(xué)有著重要的意義，是實驗教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一［1－4］。浙江大學(xué)機械工程實驗中心歷來重視綜合性實驗設(shè)備的研制和開發(fā)，專業(yè)教師和實驗人員相繼開發(fā)出了一系列的自制實驗設(shè)備［5］，基于雙CPU的電子凸輪綜合實驗臺就是其中有代表性的成果之一。

電子凸輪（electronic rotal cam switch）具有多于機械凸輪機構(gòu)的優(yōu)點，如精度高、穩(wěn)定性好、柔性輸出、響應(yīng)速度快，符合現(xiàn)代機械自動化、高速化、多功能、柔性化的發(fā)展趨勢，在汽車制造、冶金、機械加工、紡織、印刷、食品包裝、水利水電等多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用［6－10］。目前國內(nèi)高校的機械工程類實驗中，涉及凸輪的基礎(chǔ)實驗大多局限于對傳統(tǒng)機械式凸輪結(jié)構(gòu)的分析與測繪，學(xué)生對凸輪的認(rèn)識也只停留在有形的凸輪構(gòu)件上?；陔pCPU的電子凸輪綜合實驗臺面向工程實踐的發(fā)展方向，結(jié)合機械、電子、控制等多學(xué)科的專業(yè)知識，銜接基礎(chǔ)實驗課程與探究性實驗課程，能加深學(xué)生對專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程的理解，較好地培養(yǎng)他們分析問題的能力和綜合運用專業(yè)知識的實踐動手能力。

1 運動控制系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電子凸輪綜合實驗臺采用雙CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計，底層核心由掌管程序流程的主控CPU與專門負(fù)責(zé)運動控制的運動CPU共同組成。觸摸屏作為人機界面，用于參數(shù)設(shè)定與實時監(jiān)控。2路伺服電機分別控制轉(zhuǎn)盤與直線移動機構(gòu)，用以完成凸輪廓線的繪制、擬合與驗證等實驗（見圖1）。

圖1 電子凸輪綜合實驗臺結(jié)構(gòu)

1.2 控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

1.2.1 觸摸屏

MT6070iH觸摸屏作為電子凸輪綜合實驗臺的人機界面，可用于設(shè)定直線移動機構(gòu)的直線行程與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、選擇凸輪廓線及啟停電子離合器，能提供當(dāng)前轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角、當(dāng)前直線進給量等信息，還設(shè)有“正點動”、“反點動”、“轉(zhuǎn)多圈”、“轉(zhuǎn)一圈”、“停止”、“演示”等按鈕供操作者進行狀態(tài)切換（見圖2）。

圖2 觸摸屏操作主界面

1.2.2 雙CPU系統(tǒng)

電子凸輪綜合實驗臺采用了目前工控領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的三菱Q系列PLC、運動控制器及配套產(chǎn)品［11－13］。在三菱Q38B－E基板上了安裝了1只電源模塊Q61PA2、1只主控制單元Q02HCPU、1只運動控制單元Q172HCPU、2塊輸入擴展模塊QX42與2塊輸出擴展模塊QY41P，如圖3所示。

圖3 雙CPU系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)

各組成部分的性能參數(shù)如下：

（1）Q38B－E基板具有1個電源插槽、1個主CPU插槽與8個模塊插槽；

（2）Q61P－A2電源模塊接交流220V輸入，能提供給基板5V／6A的電源；

（3）Q02HCPU是三菱高性能Q系列PLC中的一員，該PLC具有28K步程序容量、能擴展4096點輸入輸出點、基本指令的處理速度快至34ns／條；

（4）三菱Q172HCPU系列運動控制器是在Q172CPU系列運動控制器的基礎(chǔ)上推出的高性能運動控制器。該產(chǎn)品采用64位RISC處理器，程序容量有448kbyte，運行周期0.44ms；

（5）QX42輸入模塊具有64點DC24V高速輸入端子；

（6）QY41P輸出模塊具有32點DC12／24V晶體管輸出型（漏型）端子。

主控CPU與運控CPU通過緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)設(shè)置了2個共享數(shù)據(jù)區(qū)塊，分別是M0—M255與D5000—D5199，其中M0—M127與D5000—D5099由 Q02HCPU進行維護，M128—M255與D5100—D5199由Q172HCPU進行維護，所有數(shù)據(jù)兩者均可讀取使用。

系統(tǒng)自定義的共享數(shù)據(jù)地址分配見表1。

表1 共享數(shù)據(jù)地址分配表

表1 （續(xù)）

1.2.3 伺服放大器與伺服電機

MR－J3－10B伺服放大器通過高速同步網(wǎng)絡(luò)與運動控制器連接，利用指令模塊的數(shù)據(jù)執(zhí)行伺服電機轉(zhuǎn)速、方向的控制和高精度定位。所采用的SSCNETⅢ光通信系統(tǒng)大大提高了通信速度并減小了噪聲誤差［13］。與伺服放大器相連接的HF－KP053伺服電機安裝了分辨率為262 144PLS／圈的絕對式編碼器，能實現(xiàn)精確的控制。Q172HCPU運動控制器可實現(xiàn)8軸聯(lián)動控制。在本電子凸輪綜合實驗臺，凸輪轉(zhuǎn)盤軸轉(zhuǎn)角的度量單位為度（°），電機轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)為262 144，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過的角度為6.545 45°；直線位移軸的度量單為μm，電機轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)為262 144，產(chǎn)生的直線位移為2 000μm。

1.3 控制流程

主控CPU與運動CPU在運行中不斷進行數(shù)據(jù)交換（見圖4），各司其職、相輔相成。

圖4 控制流程圖

2 電子凸輪綜合實驗臺的機械結(jié)構(gòu)

機械凸輪傳動選用較為常見的尖底直動從動件盤狀凸輪裝置。由伺服電機通過蝸桿蝸輪減速裝置（傳動比為55）驅(qū)動盤狀凸輪旋轉(zhuǎn)，從動件導(dǎo)軌由2個圓導(dǎo)桿及直線軸承構(gòu)成，盤狀凸輪上方為透明有機玻璃圓盤，其上可安放圓片紙進行凸輪輪廓曲線的繪制。在進行電子凸輪與機械凸輪構(gòu)件比對實驗時，轉(zhuǎn)盤上安裝有凸輪實物構(gòu)件，如圖5所示。另一個伺服電機通過滾珠絲桿（導(dǎo)程為2mm）裝置帶動圓導(dǎo)桿作直線運動，在圓導(dǎo)桿上端可插入繪圖筆進行凸輪輪廓曲線的繪制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中還設(shè)計有偏置調(diào)節(jié)機構(gòu)，可通過導(dǎo)路偏置調(diào)節(jié)手柄來調(diào)整凸輪的偏心距。

圖5 電子凸輪綜合實驗臺機械裝置

3 凸輪廓線的設(shè)計

在MT Developer2軟件里，可以選取特定的曲線進行組合，生成凸輪廓線（見圖6）。曲線類型有恒速度、恒加速度、5次曲線、擺線、變形梯形、變形正弦、變形恒速度、梯弦形、反梯弦型、雙弦和單弦等多種類型。

在選擇好曲線類型后，軟件還能綜合顯示出各段速度、加速度等參數(shù)的詳細信息。軟件提供了接口，可以載入第三方提供的CSV格式的數(shù)據(jù)文件，這樣方便了凸輪廓線數(shù)據(jù)的生成。

圖6 凸輪廓線生成

4 實驗項目的設(shè)計

基于電子凸輪綜合實驗臺，結(jié)合運動控制器軟件，我們設(shè)計了多個不同類型的實驗項目供學(xué)生選做。以下僅介紹2個典型的項目。

4.1 電子凸輪輪廓線生成實驗

該實驗項目的主要實驗步驟如下：

（1）觀察實驗臺的機械結(jié)構(gòu)，了解實驗臺的構(gòu)造，將有機玻璃轉(zhuǎn)盤安裝至轉(zhuǎn)盤軸，并鋪上白紙，將繪圖筆插至電子凸輪輸出軸；

（2）連接電源線、伺服電機連接線及PLC編程線，經(jīng)檢查無誤后打開實驗臺電源；

（3）打開三菱運動控制器編程軟件MT Developer2，調(diào)入程序模板；

（4）設(shè)置伺服放大器的運轉(zhuǎn)參數(shù)，可通過雙擊“Servo Parameter”打開 MR Configurator軟件進一步設(shè)定伺服放大器詳細參數(shù)，并進行轉(zhuǎn)動測試；

（5）編制伺服指令，用于直接控制伺服放大器；

（6）編制運動CPU的SFC程序，實現(xiàn)實模式下凸輪轉(zhuǎn)盤軸與直線位移軸的運轉(zhuǎn)控制；

（7）編制運動CPU的SFC程序，實現(xiàn)實模式到虛模式的切換，并進行虛模式下虛軸的轉(zhuǎn)動控制；

（8）在MT Developer2軟件里選擇參數(shù)自行設(shè)計3～5條凸輪廓線，并下載至運動CPU；

（9）在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動與電子凸輪輸出軸直線位移的共同作用下，繪制出所設(shè)計的凸輪曲線進行驗證。

4.2 機械凸輪與電子凸輪對比實驗

該實驗項目的主要實驗步驟如下：

（1）觀察實驗臺機械結(jié)構(gòu)，了解其構(gòu)造，在轉(zhuǎn)盤座上安裝機械凸輪實物構(gòu)件；

（2）—（7）同4.1節(jié)；

（8）根據(jù)給定的機械凸輪實物參數(shù)，在 MT Developer2軟件里選擇合適的凸輪廓線進行擬合并生成數(shù)據(jù)，也可以直接從外部調(diào)入凸輪廓線特征數(shù)據(jù)，然后下載至運動CPU；

（9）觀察、對比機械凸輪推桿位置與直線位移絲桿位置，體會電子凸輪的含義。

5 結(jié)束語

基于雙CPU的電子凸輪綜合實驗臺以運動的方式闡述凸輪的概念，將工控領(lǐng)域前沿的控制技術(shù)融入傳統(tǒng)機械工程基礎(chǔ)實驗中，擴大了學(xué)生的視野，使學(xué)生對凸輪的結(jié)構(gòu)、應(yīng)用及功用有了全新的認(rèn)識，提升了對機械工程實驗課程的興趣?；谠搶嶒炁_開發(fā)的實驗項目有利于引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)更多機構(gòu)與運動的關(guān)聯(lián)點，更有助于激發(fā)他們的創(chuàng)新潛能、提高他們的創(chuàng)新意識，在面向我校機械工程及自動化專業(yè)學(xué)生的實驗教學(xué)中取得了比較好的教學(xué)效果。

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［1］牟萍，文寧，凌丹，等.挖掘創(chuàng)新點，促進機械原理實驗改革［J］.實驗技術(shù)與管理，2010，27（4）：16－18，26.

［2］楊宏，李國輝.走自制實驗設(shè)備之路 促進實驗教學(xué)改革［J］.實驗技術(shù)與管理，2013，30（1）：225－227.

［3］劉洪光，李明思，王京，等.工科學(xué)生設(shè)計性實驗訓(xùn)練的特點和要求［J］.實驗室科學(xué)，15（6）：158－161.

［4］李鳳蘭，許小慶.機械專業(yè)驗證性實驗的設(shè)計與實踐［J］.實驗技術(shù)與管理，2012，29（12）：138－140.

［5］朱聘和，王慶九，汪久根，等.機械原理與機械設(shè)計實驗指導(dǎo)［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2010.

［6］楊祥銀，韋勇.電子凸輪控制器在機械壓力機上的應(yīng)用［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2008（6）：52－56.

［7］王程，賀煒.凸輪機構(gòu) CAD／CAM 研究的回顧與展望［J］.機械傳動，2008，32（6）：119－123.

［8］宋華振.貝加萊ACOPOS電子凸輪CAM在裁切方向的應(yīng)用［J］.國內(nèi)外機電一體化技術(shù)，2008（1）：52，57.

［9］朱云峰，魏鏡弢，王庭有，等.電子凸輪在搖床頭中的應(yīng)用與研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（21）：5191－5195.

［10］柏淑紅.采用伺服電機的電子凸輪控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.機電工程，2012，29（6）：689－692.

［11］三菱電機.Q172與Q173運動控制器培訓(xùn)教材［M］.上海：三菱電機株式會社，2005.

［12］三菱電機.三菱電機通用交流伺服 伺服電機使用手冊［M］.上海：三菱電機株式會社，2008.

［13］三菱電機.MELSEC－Q 系列大全［M］.上海：三菱電機株式會社，2002.