趙高明 馬征宇 周海龍 長城汽車股份有限公司/河北省汽車工程技術(shù)研究中心

隨著工藝技術(shù)的精益要求及產(chǎn)品品質(zhì)的精細(xì)化需求，凸輪機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不僅變得越來越復(fù)雜，而且加工難度較大，成本也較高。機(jī)械凸輪雖然能對(duì)應(yīng)不同從軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但是柔性較差，如若實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行軌跡的變化時(shí)，需必須制造其他凸輪機(jī)械機(jī)構(gòu)，來改變凸輪的類型。而電子凸輪的靈活運(yùn)用，不僅僅解決了這些問題，而且讓控制變得越發(fā)靈活、可靠，并且擁有良好的動(dòng)態(tài)性能。

1 硬件配置

1.1 主控制器

采用BeckHoff 公司的嵌入式工業(yè)PC機(jī)CX5010 CPU,基于Windows的自動(dòng)化可編程控制技術(shù)。CX5010具備高性能、多功能及大容量等特點(diǎn)于一體，凸輪曲線的數(shù)據(jù)控制表存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)卡里，裝置只能修改程序來改變運(yùn)動(dòng)凸輪曲線，可編程控制器通過參數(shù)的輸入改變來控制伺服軸的運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.2 伺服電機(jī)

機(jī)械由導(dǎo)軌式X、Y軸正交運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)組成，配有兩臺(tái)AX5000伺服電機(jī)。AX5000可以工作在位置模式、速度模式和轉(zhuǎn)矩模式，而本系統(tǒng)中，AX5000工作在位置模式，TwinCat NC只負(fù)責(zé)路徑規(guī)劃，并在每個(gè)NC周期發(fā)送目標(biāo)位置給AX5000，而送往NC的數(shù)據(jù)包含跟隨誤差。1.3 人機(jī)交互界面

采用西門IPC677D（一體式集成工業(yè)控制計(jì)算機(jī)），具有良好的運(yùn)算性能及擴(kuò)展功能，以便于對(duì)機(jī)械臂實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行監(jiān)控。

2 電子凸輪的設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動(dòng)過程結(jié)構(gòu)分析

多工位設(shè)備上料工藝要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)在裝載物料小車上，將堆垛板料通過吸盤輸送到上料皮帶前端，其中運(yùn)動(dòng)過程中有抬升避讓曲線運(yùn)動(dòng)，避免與其他部件（如磁力分張器）產(chǎn)生干涉。同時(shí)，在直線運(yùn)動(dòng)過程中，為了減少對(duì)物料的損傷，要求執(zhí)行結(jié)構(gòu)在與物料接觸時(shí)速度要平穩(wěn)且加速度要盡可能的小，輸送過程中完成后，要及時(shí)回到原點(diǎn)，準(zhǔn)備繼續(xù)下一循環(huán)的開始。運(yùn)行軌跡如圖1，

圖1 運(yùn)動(dòng)過程軌跡

2.2 AX5000的鏈接及配置

首先，確認(rèn)控制電源24VDC和動(dòng)力電源380V已上電，同時(shí)確認(rèn)EtherCAT網(wǎng)線已經(jīng)正確連接，及已經(jīng)正確連接并執(zhí)行了目標(biāo)選擇,并且目標(biāo)系統(tǒng)處于配置模式。

再次，掃描I/O設(shè)備和從站，找到AX5000驅(qū)動(dòng)器后，系統(tǒng)會(huì)提示是否掃描電機(jī)，確認(rèn)反饋和動(dòng)力線都已經(jīng)連接到電機(jī)。電機(jī)掃描完成后，提示是否添加NC軸并連接到驅(qū)動(dòng)器。選擇”是”后，到NC軸配置中檢查axis是否連接到了驅(qū)動(dòng)器。

最后，選擇電機(jī)型號(hào)，如果是絕對(duì)編碼器反饋的Beckhoff電機(jī)，掃描驅(qū)動(dòng)器時(shí)就會(huì)掃描到電機(jī)型號(hào)，如果是resolver反饋的，就必須手動(dòng)選擇，成功添加后，利用System Manager軟件進(jìn)行位置及速度的驗(yàn)證測試。

2.3 Twincat 凸輪設(shè)計(jì)編輯

在System Manage內(nèi)進(jìn)行凸輪配置，從下拉菜單中使用Append Table添加凸輪表模板，并使用Append Slave添加凸輪表。而主軸與從軸的部分參數(shù)如速度、位置等上下限，默認(rèn)即可。最后利用選定的凸輪曲線類型及關(guān)鍵凸輪點(diǎn)的坐標(biāo)即可繪制出凸輪曲線。

2.4 TwinCAT軟件中的凸輪計(jì)算

程序中的凸輪計(jì)算首先利用位置或角度的關(guān)系，計(jì)算出所需的凸輪點(diǎn)坐標(biāo)，然后使用庫文件中的指令SEC_CALC_CAM指令改變凸輪關(guān)鍵點(diǎn)。而在沖壓車間多工位壓力機(jī)設(shè)備正是利用程序中的凸輪計(jì)算改變相應(yīng)的凸輪關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，從而控制從軸的位置變化。通過在TwinCAT程序中凸輪坐標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)算，可以通過程序動(dòng)態(tài)的修改凸輪表的數(shù)據(jù)，修改或優(yōu)化曲線軌跡，并將該數(shù)據(jù)直接裝載進(jìn)NC控制器中，從而實(shí)現(xiàn)通過控制主軸，而同步的改變從軸運(yùn)動(dòng)軌跡的目的。

3 總結(jié)

電子凸輪控制是直接將軌跡點(diǎn)輸入到驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，通過設(shè)定的計(jì)算方式進(jìn)行伺服控制，達(dá)到和機(jī)械凸輪實(shí)際的控制目的，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，增加了機(jī)構(gòu)柔性。同時(shí)，也能滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度、加速度合理調(diào)整的動(dòng)態(tài)性能，減少伺服電機(jī)運(yùn)行過程中的過沖現(xiàn)象，另外，針對(duì)雙伺服電機(jī)間的非線性同步運(yùn)動(dòng)關(guān)系，利用電子凸輪功能建立各運(yùn)動(dòng)軸與控制主軸之間的非線性關(guān)系，并通過實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行，也更好的驗(yàn)證了電子凸輪的控制應(yīng)用，不僅方便靈活，而且降低了設(shè)備故障率，大大提高設(shè)備的生產(chǎn)效率。

[1]江文藝.基于PLC的電子凸輪設(shè)計(jì)［J］.電工技術(shù),2014（01）