賴宋紅

（浙江商業(yè)職業(yè)技術學院，杭州 310053）

0 引言

在各種機械中，齒輪、帶、鏈傳動等只能實現(xiàn)簡單的運動變換，而這種簡單運動往往難以滿足工藝需求，因此就需要間歇機構來實現(xiàn)較復雜的運動。目前常用的間歇機構主要有不完全齒輪機構、槽輪機構、棘輪機構、凸輪機構。這五類常用的間歇機構中，凸輪機構具有結構簡單，分度定位精度高，穩(wěn)定性好的特點。通過合理地選擇或者設計凸輪機構從軸的運動規(guī)律，可以使凸輪機構具有比較好的動力學以及運動學特性，但是，機械凸輪機構缺乏柔性，一套凸輪機構僅僅對應于一種從軸的運動規(guī)律，當需要改變系統(tǒng)的輸出運動規(guī)律時，就得制造另一套凸輪機構，來改變凸輪的類型和尺寸，這硬件上的改動不僅給制造帶來了困難，而且也對于那些凸輪的試驗樣機帶來了不便，因為這些樣機都是需要多次實驗來確定的。因此，設計一種既具備機械凸輪機構分度運動的特點又具備輸出運動可控性特點的可控機構變得十分必要，這便促進了電子凸輪的產(chǎn)生與發(fā)展[1]。

1 系統(tǒng)組成

根據(jù)機械凸輪的運動規(guī)律，制作了一款實驗室用的電子凸輪系統(tǒng)。采用LO2SCPU-CM這款三菱PLC作為控制器的核心，完成整個控制系統(tǒng)速度的精確控制、與人機交互界面控制、各部件的驅動控制以及電子凸輪控制算法的實現(xiàn)。項目采用的執(zhí)行機構是HG-KR23J伺服電機，其驅動器采用伺服放大器MELSERV0-J4，執(zhí)行機構的運動控制由三菱的運動控制模塊LD77MH16完成。系統(tǒng)的電源由三菱電源模塊L61P供給。人機交互監(jiān)控界面在三菱GOT11觸摸屏上實現(xiàn)，實時顯示電子凸輪的運行狀態(tài)。主要有如下三方面的工作：

1）PLC、PAC、伺服電機接口設計

查閱三菱提供的技術資料，研究三菱PLC、PAC、伺服電機的硬件接口電路以及通訊協(xié)議。通過電纜有效的連接，主控CPU根據(jù)控制算法驅動伺服電機輸出特定的凸輪曲線，如要改變運動規(guī)律，那么僅僅只需改變相應的控制數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)。在某些特殊的情況下，可以根據(jù)當前被加工工件的運動規(guī)律來臨時修改電子凸輪的運動規(guī)律。

2）最優(yōu)預見控制算法設計

系統(tǒng)的穩(wěn)、快、準這3個性能指標是相互矛盾的，可以通過研究算法來尋求它們之間的平衡點。通過設定合適的評價函數(shù)，并求其最大值與最小值來獲得最優(yōu)控制規(guī)律。綜合利用評價函數(shù)提高系統(tǒng)動態(tài)響應速度，預測控制對模型依賴程度低、魯棒性強的優(yōu)點，設計預見預測控制器[2]。

3）系統(tǒng)人機交互界面設計

三菱GOT11觸摸屏通過RS232接口與主控CPU連接，在觸摸屏上編寫人機交互界面，用于接收用戶觸摸指令和實時顯示電子凸輪的運行狀態(tài)。交互界面具有手動和自動控制的功能，提供用戶手動操作主軸和從軸伺服電機正反轉、設置原點的接口。

1.1 硬件設計

采用LO2SCPU-CM作為電子凸輪的控制芯片，三菱的L系列可編程控制器雖然體積很小，但卻繼承了高端PLC的高性能、多功能及大容量等特點于一身。CPU具備52MHz的基本運算處理速度以及260K步的程序容量，其最大I/O可擴展達到8129點。在硬件方面，內(nèi)置定位模塊、高速計數(shù)器模塊、脈沖捕捉模塊、中斷輸入、通用I/O等功能，以太網(wǎng)及USB接口，便于編程及通訊，配置了SD存儲卡，可存放最大4G的數(shù)據(jù)。無需基板，可任意增加不同功能的模塊。凸輪曲線的數(shù)據(jù)控制表都存儲在內(nèi)部存儲卡里，裝置只能通過修改程序來改變凸輪運動曲線，而無法通過觸摸屏修改?？删幊炭刂破魍ㄟ^參數(shù)控制伺服電機來模擬機械凸輪的運動過程。觸摸屏上顯示運行轉數(shù)及主軸從軸的位置等信息。下圖是電子凸輪裝置。

1.2 軟件設計

圖1 電子凸輪Fig.1 Electronic CAM

軟件設計主要完成以下工作：

1）完成初始化：CPU與各個模塊之間通信的參數(shù)設置、主軸從軸原點位置的記錄、伺服電機控制器的初始化工作等。

2）運動參數(shù)的計算：根據(jù)觸摸屏輸入的速度、運行方式等參數(shù)，建立伺服系統(tǒng)的數(shù)學模型，根據(jù)運動速度曲線規(guī)劃計算出機械凸輪運行的軌跡參數(shù)。電子凸輪的行程包括加速、恒速、減速3個階段，每個階段都有分段函數(shù)來執(zhí)行。

3）人機交互界面的設計：交互界面采用三菱GOT11系列觸摸屏，用于接收用戶觸摸指令和實時顯示電子凸輪的運行狀態(tài)。

2 實驗測試

對電子凸輪輸出特性測試的方法一般有下面幾種：

1）使用加速度傳感器測量加速度響應

把電子凸輪放在實驗室分度驅動實驗臺，測量它產(chǎn)生的加速度響應信號，通過該信號驗證其輸出曲線特性是否和設計需求吻合。一般的測試方法是在電機的軸上安裝一個載荷型圓盤，把加速度傳感器按照載荷盤回轉的切線方向，并通過絕緣座固定在載荷盤上。電機輸出軸隨加速度傳感器一起轉動，本文在輸出軸載荷盤軸端加了一個類似有刷發(fā)電機結構的集流環(huán)裝置，這樣就避免了信號線發(fā)生纏繞。當電機按照程序設定的運動規(guī)律運轉時，安裝在載荷盤上的加速度傳感器會隨載荷盤一起完成分度凸輪運動而產(chǎn)生電信號[1]，將這信號通過集流環(huán)引出，再通過電荷放大器、低通濾波器、AD轉換、數(shù)據(jù)采集卡等，把采集的模擬信號轉換為數(shù)字信號送入到PLC進行數(shù)據(jù)運算與分析。通過對加速度響應信號的分析，可以測算出電子凸輪運動的速度變化和位移輸出曲線。從而推算出電子凸輪的運動規(guī)律[3]。

2）使用PLC中的計數(shù)器進行測速

可以使用PLC的計數(shù)器配合模塊上的光電編碼盤進行電機實時轉速測定，以求得電子凸輪的輸出曲線規(guī)律[1]。采用這種方法一般可以在規(guī)定的檢測時間內(nèi)，通過PLC計數(shù)器對光電碼盤輸出的脈沖個數(shù)計數(shù)，也可以在光電碼盤輸出的一個脈沖周期對高頻時鐘脈沖的個數(shù)進行計數(shù)。

3）利用機械凸輪和電子凸輪協(xié)同工作的方式

把機械凸輪置于軸1上，電子凸輪置于軸2上，兩者同時工作，檢測電路實時檢測凸輪的位置信息，可以通過比對位置信息來分析電子凸輪是否按照所預設的運動規(guī)律動作。當然，此方法需要有實際的機械凸輪，比較適用于實驗室開發(fā)階段。

本文將文中的電子凸輪用于教學，顯然方法更加能讓學生直觀地觀察到電子凸輪的運動規(guī)律。從實驗的測試結果可以看出，PLC控制伺服電機的運動方式能輸出設定的機械凸輪運動曲線，從而實現(xiàn)了機械凸輪的功能。用這種方法控制的電子凸輪在停頓期間，殘余的振動比較小，定位精度也比較高。在實驗測試過程中，外界干擾因素，例如實驗環(huán)境、振動沖擊、天氣濕度等對測試結果影響較小。實驗同時發(fā)現(xiàn)，如果轉數(shù)設置過高，會引起加劇振動，但是伺服電機仍能穩(wěn)定輸出，電子凸輪輸出曲線受影響較小。

本項目的研究旨在以電子凸輪代替機械凸輪。電子凸輪是由執(zhí)行機構、反饋測量元件、控制器等構成的，可以通過改變控制算法實現(xiàn)多種運動規(guī)律，這種特性是傳統(tǒng)機械凸輪機構不可比擬的。試驗結果也表明電子凸輪是一種柔性設備，可以提高生產(chǎn)效率，降低成本。

3 結論

[1]李文婷.伺服分度裝置控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].南京:南京航空航天大學,2011.

[2]楊玉虎.間歇傳動鏈系統(tǒng)動力學實驗[J].天津大學學報.2006,06.

[3]劉永明.可控凸輪機構的研究[D].天津:天津大學,2004,06.