強(qiáng)明輝，付雪松

（蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州 730050）

凸輪是用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械三維空間聯(lián)動(dòng)傳動(dòng)關(guān)系與控制的機(jī)械結(jié)構(gòu)。自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)用軟件程序與伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)三維空間聯(lián)動(dòng)傳動(dòng)關(guān)系與控制的軟件系統(tǒng)即為電子凸輪功能。伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的電子凸輪功能可以實(shí)現(xiàn)從動(dòng)桿直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，替代原有的通過凸輪產(chǎn)生從動(dòng)桿直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，從而達(dá)到高速精確控制、柔性化設(shè)計(jì)、維護(hù)成本低的目的[1-2]。通過合理地選擇或者設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)從軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以使凸輪機(jī)構(gòu)具有比較好的動(dòng)力學(xué)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)特性[3]。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，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[4]。

傳統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)，采用往復(fù)的多段速運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，是對(duì)多段路徑PR的正反向的疊加處理。對(duì)每段PR路徑進(jìn)行速度和位置規(guī)劃，是導(dǎo)致速度過渡不平滑現(xiàn)象的主要原因，且編寫程序復(fù)雜，查找錯(cuò)誤困難。膠囊生產(chǎn)中液態(tài)的原材料對(duì)設(shè)備的機(jī)械慣性要求嚴(yán)格，速度的不平滑將直接導(dǎo)致膠囊殼壁厚不均勻。伺服控制系統(tǒng)的電子凸輪功能可以實(shí)現(xiàn)多段速柔性直線周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)，具有高速精確控制、柔性化設(shè)計(jì)、查錯(cuò)時(shí)間短和成本低的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于包裝、制藥、輪切等生產(chǎn)中[5]。

在此，采用電子凸輪技術(shù)，基于臺(tái)達(dá)AHPLC500系列PLC以及運(yùn)動(dòng)控制模塊20MC、伺服控制器、交流伺服電機(jī)、編碼器，研制了一套完整裝置，以替代傳統(tǒng)的多段速伺服控制系統(tǒng)。

1 蘸膠工藝

膠囊殼的制作過程主要為蘸膠，在不銹鋼模具上形成一層明膠薄膜；明膠薄膜變干硬化后形成膠囊；從模具上取下膠囊。所用模具一般有2種尺寸，分別用來制作膠囊體和直徑稍大的膠囊帽。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)膠囊殼的長(zhǎng)度和厚度都有相應(yīng)的規(guī)定，因此對(duì)蘸膠機(jī)構(gòu)的控制提出了更高的要求。就腸溶性膠囊殼生產(chǎn)線的蘸膠工藝而言，下降過程分為4段速度，上升過程分為7段速度，下降到最低點(diǎn)時(shí)還需要停留一段時(shí)間。

蘸膠，是指蘸膠架上的金屬模針由電機(jī)帶動(dòng)，并緩慢浸入膠液，然后再帶著蘸膠架緩慢提升到位。其整個(gè)過程分為下降段、停頓以及上升段3個(gè)階段。此外，為了滿足膠囊殼不同部位對(duì)壁厚的不同要求，蘸膠架上的金屬模針在浸入膠液后，電機(jī)要以不同的段速帶動(dòng)蘸膠架緩慢下降。如果速度過快，一方面會(huì)將空氣帶入膠液引起氣泡，影響膠液的質(zhì)量，另一方面膠囊殼的壁厚達(dá)不到要求。尤其是蘸膠架上的金屬模針浸入膠液后，浸沒深度受到嚴(yán)格限制，從膠液中抽出金屬模針的速度更要緩慢均勻。

模針浸入膠液中，要有一定的停留時(shí)間和浸入長(zhǎng)度即膠囊殼的長(zhǎng)度。在上升時(shí)模針壁粘有膠液，由于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)膠囊殼厚度的規(guī)定，上升過程需要多段速度平滑過渡，以防止由于慣性使膠囊殼的厚度不均勻。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與總體方案

基于可編程控制器PLC以及運(yùn)動(dòng)控制模塊，實(shí)現(xiàn)了電子凸輪的控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電子凸輪控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Electronic cam control system structure

可編程控制器與運(yùn)動(dòng)模塊互相通信，實(shí)時(shí)讀取和接收對(duì)方信息，完成對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的三閉環(huán)控制，即電流環(huán)控制、速度環(huán)控制、位置環(huán)控制。

控制系統(tǒng)與伺服電機(jī)和連動(dòng)桿組合，形成電子凸輪，交流伺服電機(jī)具備控制和驅(qū)動(dòng)的雙重功能，通過霍爾開關(guān)將速度和位移反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器從而形成閉環(huán)控制。閉環(huán)控制具備控制精度高、對(duì)外部擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感的特點(diǎn)，該生產(chǎn)線采用前、后2個(gè)人機(jī)交互端對(duì)其進(jìn)行控制。根據(jù)要求可以通過人機(jī)交互端改變電子凸輪表的關(guān)鍵點(diǎn)，從而改變運(yùn)動(dòng)軌跡，使電子凸輪在一定程度上具有通用性、適應(yīng)性和智能性。

PLC與運(yùn)動(dòng)控制模塊以及運(yùn)動(dòng)控制模塊與伺服驅(qū)動(dòng)器，通過基于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)DMCNET總線進(jìn)行通訊。DMCNET是臺(tái)達(dá)公司針對(duì)目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際需求及未來發(fā)展趨勢(shì)設(shè)計(jì)研發(fā)的高速、穩(wěn)定、精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。它采用了臺(tái)達(dá)公司自主研發(fā)的高速總線型運(yùn)動(dòng)控制通信協(xié)議，通信線纜為超五類屏蔽以太網(wǎng)電纜 CAT-5e STP（24AWG/4PAIRS），傳輸數(shù)據(jù)速率高達(dá)20 Mb/s，資料更新頻率超過2 kHz，通訊周期至少500 μs，最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)30 m，采用不同CRC校驗(yàn)碼雙路通信。使用該通信網(wǎng)絡(luò)，安裝方便，實(shí)時(shí)性效果好。

臺(tái)達(dá)20MC運(yùn)動(dòng)控制器除了實(shí)現(xiàn)直線/圓弧插補(bǔ)以及定位功能之外，內(nèi)嵌電子凸輪功能，可用于多種運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合。20MC為多軸運(yùn)動(dòng)控制器，具有多路500 kHz的輸入與輸出，在電子凸輪功能中定義X軸為從軸，Y軸為主軸，當(dāng)定義好凸輪表后，從軸依據(jù)定義的曲線跟隨主軸運(yùn)動(dòng)。主軸來源可以是實(shí)軸、編碼器位置、虛擬主軸等，最多可搭載16個(gè)從軸，其中第1～12為實(shí)從軸，第13～16為虛擬軸專用。

本研究采用臺(tái)達(dá)可編程控制器AH500系列和運(yùn)動(dòng)控制模塊20MC作為控制器。軟件分別使用ISPsoft和PMsoft作為上層用戶運(yùn)動(dòng)控制程序的開發(fā)環(huán)境。用戶可以采用基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化文本（ST）、梯形圖（LD）、功能塊（FBD）、順序功能圖（SFC）、指令表（IL）等 5種語言進(jìn)行編程，同時(shí)結(jié)合基于PMsoft軟件下功能塊庫中的運(yùn)動(dòng)控制模塊，如 T_CamIn，T_ReISeg_E，T_AbsSegI_E，T_DMCServoHoming_E等MC功能塊。在此，通過編程可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的初始化、使能，主、從軸實(shí)現(xiàn)電子凸輪的嚙合、運(yùn)動(dòng)等，程序流程如圖2所示。

圖2 程序流程Fig.2 Program flow chart

電機(jī)使能從軸的伺服電機(jī)使能通過T_DMCControllnit模塊進(jìn)行。

電子凸輪表初始化通過T_CamIn模塊定義主軸來源、凸輪表主軸啟動(dòng)角度、從軸輸出設(shè)定、正周期停止命令等。

電機(jī)嚙合使主、從電機(jī)按照所設(shè)計(jì)的電子凸輪表嚙合。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)虛擬主軸電機(jī)，使從軸的伺服電機(jī)同樣運(yùn)行到對(duì)應(yīng)的目標(biāo)位置。

3 電子凸輪的設(shè)計(jì)

3.1 電子凸輪數(shù)據(jù)的建立

蘸膠機(jī)構(gòu)的多段速運(yùn)動(dòng)過程，各段速的長(zhǎng)度和速度通過觸摸屏進(jìn)行設(shè)置，故需要定義主軸與從軸之間的關(guān)系，建立電子凸輪數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)采用虛擬主軸形式，這樣計(jì)算簡(jiǎn)單。通過實(shí)際測(cè)量和反復(fù)計(jì)算，得到1 mm=1920脈沖數(shù)，給定主軸作勻速運(yùn)動(dòng)，主軸速度為5000脈沖數(shù)/s。以一次蘸膠為例，有體蘸膠和帽蘸膠之分，兩者的運(yùn)動(dòng)軌跡和行程一致，故僅討論體一次蘸膠，算法程序如圖3所示。體一次蘸膠動(dòng)作是先下降后上升，下降過程為7段速度，上升過程為4段速。

以式（1）作為主、從軸的電子凸輪數(shù)據(jù)建立的依據(jù)。由式（1）可見，選用虛擬軸作為電子凸輪的主軸，計(jì)算簡(jiǎn)單方便。

圖3 體第一次蘸膠算法程序Fig.3 Body first dipping algorithm program

在小空間內(nèi)完成蘸膠工藝的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，就需要在滿足工藝精度要求的前提下對(duì)電子凸輪表進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的蘸膠工藝最大行程為50 mm，需要完成11段不同長(zhǎng)度和速度的轉(zhuǎn)換。通過人機(jī)交互端對(duì)每段長(zhǎng)度和速度進(jìn)行賦值，人機(jī)交互界面如圖4所示。

圖4 體帽一次蘸膠人機(jī)交互界面Fig.4 Body cap once dipping in human-computer interaction interface

在控制器編程軟件PMsoft中，要先建立空白的電子凸輪表，完成賦值后保存設(shè)置，在PC端進(jìn)行上傳操作。這樣，就可以查看到通過建立的函數(shù)關(guān)系和在上位機(jī)對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行賦值的電子凸輪曲線。

3.2 電子凸輪曲線設(shè)計(jì)

20MC提供2種電子凸輪曲線的建立方法：①使用DTO指令自動(dòng)生成電子凸輪曲線；②使用PMsoft CAM Chart繪制電子凸輪曲線。本文采用方法1生成蘸膠工藝的電子凸輪曲線。

20MC規(guī)劃16個(gè)特殊模塊，分別供電子凸輪表0～15使用，其模塊所在編號(hào)為K100～K115，通過DTO指令使用者可以在程序建立或修改電子凸輪數(shù)據(jù)。電子凸輪數(shù)據(jù)為浮點(diǎn)數(shù)型態(tài)，而使用PMSoft ECAM Chart產(chǎn)生的電子凸輪數(shù)據(jù)已轉(zhuǎn)成浮點(diǎn)數(shù)型態(tài)，在PMSof監(jiān)控表監(jiān)控電子凸輪數(shù)據(jù)時(shí)要使用浮點(diǎn)數(shù)型態(tài)。自動(dòng)生成電子凸輪數(shù)據(jù)的指令格式如圖5所示，在此CAM0～CAM15被當(dāng)成第100～115個(gè)特殊模塊，生成電子凸輪表程序如圖5所示。

圖5 生成電子凸輪表程序Fig.5 Generates an electronic cam table program

為了保證速度曲線、加速度曲線存在且連續(xù)，防止速度沖擊和系統(tǒng)擾亂，提高機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能，本研究在上升和下降階段采用5次多項(xiàng)式作為插值函數(shù)。運(yùn)動(dòng)控制軟件根據(jù)電子凸輪曲線所對(duì)應(yīng)的插值關(guān)系，計(jì)算出每個(gè)伺服周期和伺服電機(jī)應(yīng)到達(dá)的位置。通過對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的賦值，從而適應(yīng)不同的加工工藝。圖6為電子凸輪曲線界面。由圖可見，在下降和上升過程中速度間轉(zhuǎn)化平滑，克服了傳統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)的不平滑現(xiàn)象，從而克服了膠囊液體材質(zhì)的慣性因素。

在腸溶性膠囊殼自動(dòng)生產(chǎn)線后期冷試車期間，蘸膠機(jī)構(gòu)帶有負(fù)載的情況下，監(jiān)測(cè)到伺服電機(jī)1個(gè)蘸膠周期的實(shí)際速度曲線，如圖7所示。由圖可見，1個(gè)蘸膠周期內(nèi)共有11段速，在持續(xù)同一速度期間電機(jī)速度有波動(dòng)，與理論情況不符。這是由于伺服電機(jī)在帶有負(fù)載的情況下，機(jī)構(gòu)克服摩擦力做功所致。由實(shí)際生產(chǎn)可知，這種波動(dòng)不影響膠囊殼壁的均勻度，符合相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 電子凸輪曲線界面Fig.6 Electronic cam curve interface

圖7 伺服電機(jī)實(shí)際速度曲線Fig.7 Servo motor actual speed curve

3.3 程序設(shè)計(jì)

依據(jù)蘸膠工藝以及觸摸屏所連寄存器地址，在PMsoft下設(shè)計(jì)蘸膠工藝控制的主程序。部分主程序如下：

4 電子凸輪功能測(cè)試

在電子凸輪測(cè)試中，設(shè)置主軸為虛擬主軸，按照一定速度勻速運(yùn)動(dòng)。通過對(duì)主軸的速度進(jìn)行積分，得到主軸的位移。通過人機(jī)交互端對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行賦值，生成的電子凸輪曲線，經(jīng)過插值后輸出給從軸位置環(huán)。最終，通過DMCNET總線發(fā)送給各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，在下一個(gè)通信周期開始，收到同步數(shù)據(jù)幀后，開始同步運(yùn)動(dòng)。

經(jīng)測(cè)試，從軸能夠較好地跟隨實(shí)時(shí)以太網(wǎng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息，下一個(gè)周期反饋的實(shí)際速度值達(dá)到了上一個(gè)周期發(fā)送的指令速度值，并且實(shí)現(xiàn)了電子凸輪功能。

5 結(jié)語

本研究利用臺(tái)達(dá)伺服控制系統(tǒng)與絲杠平臺(tái)相結(jié)合，采用電子凸輪功能實(shí)現(xiàn)絲桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的賦值可以靈活地生成電子凸輪曲線，可以完成不同的生產(chǎn)工藝，大大地提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。同時(shí)，電子凸輪技術(shù)更為柔性化，在多段速轉(zhuǎn)化時(shí)克服了不平滑的現(xiàn)象，生產(chǎn)的膠囊殼厚度均勻，符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果證實(shí)，電子凸輪技術(shù)為機(jī)械設(shè)備的柔性生產(chǎn)提供了有益的借鑒。

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