《伺服與運動控制》2012第三期 于鐳，衛(wèi)光 供稿
(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)
1 引言
凸輪機構(gòu)廣泛應(yīng)用在各種自動機械和自動控制裝置中,它能將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為預(yù)期的間歇直線往復(fù)運動或往復(fù)擺動等。從理論上講,只要適當(dāng)?shù)脑O(shè)計出凸輪的輪廓曲線, 就可以使推桿得到各種預(yù)期的運動規(guī)律,而且結(jié)構(gòu)簡單緊湊。但凸輪機構(gòu)在實際應(yīng)用中也存在著很多局限性:
（1）凸輪機構(gòu)屬于高副點線接觸，存在較大的接觸應(yīng)力，無法傳遞較大的功率；加之凸輪在工作過程中高速運行，所以凸輪磨損快，長時間使用會使從動件的運動失真，因而不能用在那些有高的重復(fù)精度要求的場合。
（2）一個凸輪只能實現(xiàn)一種預(yù)定的運動規(guī)律, 輸出運動缺乏柔性,當(dāng)從動件運動規(guī)律改變時,凸輪的生產(chǎn)工藝就需要重新調(diào)整或徹底更換[1]。
（3）機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對機械安裝人員的要求高，生產(chǎn)成本高，維修調(diào)試不方便。
（4）凸輪機構(gòu)傳動過程中存在較大噪音。
2 電子凸輪含義及優(yōu)點
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)的機械凸輪實現(xiàn)各種復(fù)雜的往復(fù)運動。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，通過數(shù)字化系統(tǒng)實現(xiàn)模擬機械凸輪的功能[2]。
2.2電子凸輪的優(yōu)點
（1）電子凸輪系統(tǒng)沒有機械凸輪的慣性力、彈性變形、剛性沖擊等因素，故響應(yīng)速度快，能適合高速運動的傳動裝置。
（2）電子凸輪不存在磨損, 凸輪曲線形狀不會改變, 因而從動件重復(fù)實現(xiàn)預(yù)期運動的精度高、穩(wěn)定性好[3]。
（3）可以方便的更改運動曲線，只要更改相應(yīng)的運動參數(shù)就可以實現(xiàn)不同的運動曲線，大大降低生產(chǎn)安裝成本。
（4）傳動平穩(wěn)，機械振動小，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)字信號處理） 56F807芯片為處理器協(xié)調(diào)伺服驅(qū)動器和伺服電機實現(xiàn)電子凸輪的控制系統(tǒng)設(shè)計；此DSP芯片在80MHz時鐘頻率下，每秒可處理40×106 條指令，有定時器模塊、相位檢測模塊、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DSP的相位檢測模塊不斷讀取主軸伺服電機的位置，根據(jù)主軸位置計算出從軸相對應(yīng)的速度和位置實現(xiàn)主從軸凸輪曲線對應(yīng)關(guān)系。伺服電機的功能是將電脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移，即給1個電脈沖信號，電機將轉(zhuǎn)過1個固定的角度(可通過設(shè)置伺服電機軸分辨率來實現(xiàn)固定角度)。由于伺服電機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，就可以對伺服電機進(jìn)行調(diào)速[4]。
3.2電子凸輪的實現(xiàn)步驟
（1）確定主從軸的速度曲線對應(yīng)關(guān)系。
（2）將一個周期內(nèi)從動軸的位移分段，根據(jù)主從軸速度曲線對應(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)化為伺服電機的脈沖數(shù)。
（4）根據(jù)從軸的速度要求計算出DSP所需要的電脈沖頻率。
（5）將上面計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的轉(zhuǎn)速，實現(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
本文以三伺服自動包裝機為例介紹基于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包裝機工作原理圖。
從圖中看到，該機橫封切斷輥刀、包裝膜軸和卸料傳送帶、送料撥叉軸分別由單獨的伺服電機作為動力該機集自動送料、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。其控制的重點和難點在于三軸的位置及速度同步以及凸輪運動的實現(xiàn)。位置同步是：橫封的切割點必須在塑料膜的色標(biāo)點內(nèi)，且保證橫封不能切到物料；速度同步：是橫封刀切割時的速度與此時塑料膜的速度以及物料速度要相等；凸輪運動是：由于包裝的袋長在一定范圍內(nèi)是可變的，橫封刀旋轉(zhuǎn)1周所經(jīng)過的距離一般不等于袋長，這就要求橫封在一定時間內(nèi)要完成由同步速度到變速再到同步速度的凸輪運動過程。
圖1三伺服自動包裝機工作原理圖
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)袋長與橫封刀的周長有三種關(guān)系：
（1）橫封刀周長大于一個袋長
（2）橫封刀周長小于一個袋長
（3）橫封刀周長等于于一個袋長
下面以橫封刀周長大于一個袋長為例進(jìn)行計算。橫封刀周長大于一個袋長的
速度曲線如圖2：其中t1與t2之間為速度同步段；t3為橫封刀切割時刻。
圖2 橫封刀周長大于一個袋長時速度時間圖
將上面計算得到的電脈沖頻率作為DSP的PWM模塊的模值，通過控制模值數(shù)來對伺服電機進(jìn)行調(diào)速，實現(xiàn)橫封刀軸與膜軸的速度曲線。
5結(jié)束語
本文介紹了基于DSP的電子凸輪控制系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，以三伺服自動包裝機為例說明電子凸輪算法的具體實現(xiàn)。三伺服自動包裝機控制系統(tǒng)使用電子凸輪后有一下優(yōu)勢：
（1）使包裝機的機械結(jié)構(gòu)大大簡化，傳動部分直接鏈條或同步帶傳動，省
去了機械凸輪結(jié)構(gòu)，減輕機器的重量，減小機裝部分。
（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）可以實現(xiàn)防空包、防切料、不停機功能。
（4）包裝機的操作更方便，用戶只需設(shè)定袋長、切斷偏移位置和停刀角度就可以起動調(diào)速運行。
參考文獻(xiàn)
[1]王程,賀煒.基于單片機的電子凸輪系統(tǒng)研究[J].機械設(shè)計與制造,2006(11): 4-6.
[2]張閣,鄒蕙君,姚燕安,郭為忠.電子凸輪的概念與設(shè)計[J].機械設(shè)計與研究,2000年增刊 89-91.
[3]王安敏,鹿虎基于C8051 單片機的電子凸輪實現(xiàn)[J].機械傳動,2010(10):85-87.
[4]于鐳,常軍,黃存柱.基于DSP的自動裝機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計[J].微型計算機與應(yīng)用,2010,(1).
作者簡介：
于鐳（1969-），男，漢，副教授，青島科技大學(xué)，碩士生導(dǎo)師，研究方向為視覺機器人，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，研究方向為運動控制系統(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
