(青島科技大學(xué) 自主導(dǎo)航與智能控制研究所，山東青島266042)

摘要：本文介紹了電子凸輪的含義及優(yōu)點(diǎn)；基于DSP的電子凸輪控制系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)步驟，以三伺服包裝機(jī)為例介紹了電子凸輪控制算法的運(yùn)用；通過(guò)實(shí)際應(yīng)用達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，取得了良好效果。

關(guān)鍵詞：電子凸輪，三伺服包裝機(jī)，控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP302                     文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

The Research and Implementation of Electronic Cam of Three-servo Packaging Machine Based on DSP

Yu Lei，Wei Guang

(Autonomous Navigation and Intelligent Control Institute，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266042，China)

Abstract：The paper introduces the meaning and advantages of the electronic cam and electronic cam control system and implementation steps based on DSP；Takes three-servo packaging machine for example to introduce the control algorithm of electronic cam; At last the machine meets the design requirement and achieves good result.

Keywords：Electronic cam，Three-servo Packaging machine，Control system

1 引言

      凸輪機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)機(jī)械和自動(dòng)控制裝置中,它能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為預(yù)期的間歇直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或往復(fù)擺動(dòng)等。從理論上講,只要適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)出凸輪的輪廓曲線, 就可以使推桿得到各種預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。但凸輪機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中也存在著很多局限性:

（1）凸輪機(jī)構(gòu)屬于高副點(diǎn)線接觸，存在較大的接觸應(yīng)力，無(wú)法傳遞較大的功率；加之凸輪在工作過(guò)程中高速運(yùn)行，所以凸輪磨損快，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)使從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)失真，因而不能用在那些有高的重復(fù)精度要求的場(chǎng)合。

（2）一個(gè)凸輪只能實(shí)現(xiàn)一種預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 輸出運(yùn)動(dòng)缺乏柔性,當(dāng)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律改變時(shí),凸輪的生產(chǎn)工藝就需要重新調(diào)整或徹底更換^[1]。

（3）機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)機(jī)械安裝人員的要求高，生產(chǎn)成本高，維修調(diào)試不方便。

（4）凸輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)過(guò)程中存在較大噪音。

2 電子凸輪含義及優(yōu)點(diǎn)

2.1電子凸輪含義

      隨著科技進(jìn)步和數(shù)字伺服技術(shù)的出現(xiàn)，在傳動(dòng)及控制系統(tǒng)中我們可以利用電子凸輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械凸輪實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。電子凸輪是以伺服控制技術(shù)為基礎(chǔ)，并結(jié)合先進(jìn)的微處理器，通過(guò)數(shù)字化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模擬機(jī)械凸輪的功能^[2]。

2.2電子凸輪的優(yōu)點(diǎn)

（1）電子凸輪系統(tǒng)沒(méi)有機(jī)械凸輪的慣性力、彈性變形、剛性沖擊等因素，故響應(yīng)速度快，能適合高速運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。

（2）電子凸輪不存在磨損, 凸輪曲線形狀不會(huì)改變, 因而從動(dòng)件重復(fù)實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)的精度高、穩(wěn)定性好^[3]。

（3）可以方便的更改運(yùn)動(dòng)曲線，只要更改相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)曲線，大大降低生產(chǎn)安裝成本。

（4）傳動(dòng)平穩(wěn)，機(jī)械振動(dòng)小，噪音低。

3 基于DSP的電子凸輪控制系統(tǒng)

      本文中使用Motorola DSP（Digital Singal Processing 數(shù)字信號(hào)處理） 56F807芯片為處理器協(xié)調(diào)伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)電子凸輪的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；此DSP芯片在80MHz時(shí)鐘頻率下，每秒可處理40×106 條指令，有定時(shí)器模塊、相位檢測(cè)模塊、PWM輸出等功能模塊，并具有豐富的外圍接口，足夠滿足電子凸輪的各種曲線需求。

3.1電子凸輪的DSP控制

      本文的電子凸輪是通過(guò)DSP的相位檢測(cè)模塊不斷讀取主軸伺服電機(jī)的位置，根據(jù)主軸位置計(jì)算出從軸相對(duì)應(yīng)的速度和位置實(shí)現(xiàn)主從軸凸輪曲線對(duì)應(yīng)關(guān)系。伺服電機(jī)的功能是將電脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移，即給1個(gè)電脈沖信號(hào)，電機(jī)將轉(zhuǎn)過(guò)1個(gè)固定的角度(可通過(guò)設(shè)置伺服電機(jī)軸分辨率來(lái)實(shí)現(xiàn)固定角度)。由于伺服電機(jī)的角位移與輸入脈沖成比例，調(diào)整DSP發(fā)出的電脈沖頻率，就可以對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)速^[4]。

3.2電子凸輪的實(shí)現(xiàn)步驟

（1）確定主從軸的速度曲線對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（2）將一個(gè)周期內(nèi)從動(dòng)軸的位移分段，根據(jù)主從軸速度曲線對(duì)應(yīng)關(guān)系確定每段位移內(nèi)從軸的速度。

（3）將每段位移量轉(zhuǎn)化為伺服電機(jī)的脈沖數(shù)。

（4）根據(jù)從軸的速度要求計(jì)算出DSP所需要的電脈沖頻率。

（5）將上面計(jì)算得到的電脈沖頻率作為DSP的PWM模塊的模值輸出即可控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電子凸輪功能。

4 基于DSP的電子凸輪控制系統(tǒng)的應(yīng)用

     本文以三伺服自動(dòng)包裝機(jī)為例介紹基于DSP的電子凸輪的具體應(yīng)用。如圖1所示為新型三伺服自動(dòng)包裝機(jī)工作原理圖。

      從圖中看到，該機(jī)橫封切斷輥刀、包裝膜軸和卸料傳送帶、送料撥叉軸分別由單獨(dú)的伺服電機(jī)作為動(dòng)力該機(jī)集自動(dòng)送料、包裝物品、封口、切斷于一體，是一種高效率的連續(xù)式的包裝機(jī)。其控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于三軸的位置及速度同步以及凸輪運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。位置同步是：橫封的切割點(diǎn)必須在塑料膜的色標(biāo)點(diǎn)內(nèi)，且保證橫封不能切到物料；速度同步：是橫封刀切割時(shí)的速度與此時(shí)塑料膜的速度以及物料速度要相等；凸輪運(yùn)動(dòng)是：由于包裝的袋長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)是可變的，橫封刀旋轉(zhuǎn)1周所經(jīng)過(guò)的距離一般不等于袋長(zhǎng)，這就要求橫封在一定時(shí)間內(nèi)要完成由同步速度到變速再到同步速度的凸輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

圖1三伺服自動(dòng)包裝機(jī)工作原理圖

      以包裝膜軸為主軸，橫封刀軸為從軸，它們的速度曲線根據(jù)袋長(zhǎng)與橫封刀的周長(zhǎng)有三種關(guān)系：

（1）橫封刀周長(zhǎng)大于一個(gè)袋長(zhǎng)

（2）橫封刀周長(zhǎng)小于一個(gè)袋長(zhǎng)

（3）橫封刀周長(zhǎng)等于于一個(gè)袋長(zhǎng)

下面以橫封刀周長(zhǎng)大于一個(gè)袋長(zhǎng)為例進(jìn)行計(jì)算。橫封刀周長(zhǎng)大于一個(gè)袋長(zhǎng)的

速度曲線如圖2：其中t1與t2之間為速度同步段；t3為橫封刀切割時(shí)刻。

圖2 橫封刀周長(zhǎng)大于一個(gè)袋長(zhǎng)時(shí)速度時(shí)間圖

      將上面計(jì)算得到的電脈沖頻率作為DSP的PWM模塊的模值，通過(guò)控制模值數(shù)來(lái)對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，實(shí)現(xiàn)橫封刀軸與膜軸的速度曲線。

5結(jié)束語(yǔ)
      本文介紹了基于DSP的電子凸輪控制系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法，以三伺服自動(dòng)包裝機(jī)為例說(shuō)明電子凸輪算法的具體實(shí)現(xiàn)。三伺服自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)使用電子凸輪后有一下優(yōu)勢(shì)：

（1）使包裝機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，傳動(dòng)部分直接鏈條或同步帶傳動(dòng)，省

去了機(jī)械凸輪結(jié)構(gòu)，減輕機(jī)器的重量，減小機(jī)裝部分。
（2）刀膜速度比例可以用電子比例方式設(shè)定，以滿足不同需要。

（3）可以實(shí)現(xiàn)防空包、防切料、不停機(jī)功能。

（4）包裝機(jī)的操作更方便，用戶只需設(shè)定袋長(zhǎng)、切斷偏移位置和停刀角度就可以起動(dòng)調(diào)速運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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[4]于鐳,常軍,黃存柱.基于DSP的自動(dòng)裝機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[J].微型計(jì)算機(jī)與應(yīng)用,2010,(1).

作者簡(jiǎn)介：

于鐳（1969-），男，漢，副教授，青島科技大學(xué)，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橐曈X(jué)機(jī)器人，數(shù)字伺服系統(tǒng)

衛(wèi)光（1983-），男，漢，青島科技大學(xué),碩士研究生，研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，智能控制

Brief introduction of the author :

Yu Lei（1969-）,male, Han nationality, Qingdao University of Science and Technology ,master tutor, working in vision robot , figure servo system

Wei Guang（1983-）,male, Han nationality, Qingdao University of Science and Technology ,the master graduate student , working in motion control system, intelligence control