一種柔性電子凸輪的設計與工程應用

彭澤豐，孫志剛

（1、廣東冠邦科技有限公司，佛山，528312；2、上海博世力士樂液壓與自動化有限公司，上海，200120）

1 前言

由于傳統的機械式凸輪，不僅僅設計打樣、符合性實驗占用的周期長，耗費的物力財力人力多，而且對于復雜的凸輪曲線更是加工制造困難，精度不能保證，體積龐大笨重，后期維護成本也很高。隨著電子凸輪技術的出現和應用，傳統的機械式凸輪已基本被淘汰。

但對于可由操作人員在線修改參數就可改變的凸輪曲線的應用，由于每個具體應用的場合和要求都不相同，千差萬別，因此，只能是根據具體的應用需求，針對性的利用其軟件平臺去進行二次開發。本文通過具體的工程項目實踐，介紹了在LG60高精度冷軋管機上開發的一種柔性電子凸輪的應用成果。

2 設備組成與性能參數要求：

該設備機械部分包括上料系統、回轉送進裝置、芯棒卡緊機構、中間床身、送進小車、機架、基座，入口卡盤、偏心齒輪箱，主傳動機構，芯棒裝置、出料系統，管坯內潤滑裝置、成品快速拉出裝置等組成。設備流體部分包括液壓站、工藝潤滑站等部分。

主傳動機構帶動機架做往復運動，機架速度要求達到85次/min。設備要求送進量的大小、回轉角度的大小不僅可無極調整，而且每次的回轉角度、送進量要精確。機架往復一次總的送進量在0～12mm/次無極可調，回轉角度在0°～60°/次無極可調。同時，客戶提出了希望能自己根據材料的不同，可靈活在線改變前、后回轉角度值、送進量值這一特殊要求。

3 運動控制系統的硬件方案設計：

為了滿足設備最大的軋制次數以及最大送進量、最大回轉角度等參數要求，我們選用了德國力士樂CML40.2-SP-330-NA-NNNN-NW運動控制器，配置同步控制固件FWA-CML402-MLC-04VRS-D0作為本系統的自動化控制單元。該MLC40運動控制器除了兼具普通PLC的功能外，更具有強大的Motion運動控制功能和支持多協議的通信功能。

由于主傳動采用的是國產Z4系列直流電機，為了保證調速精度和增加設備的可靠性，我們采用ABB DCS550-S2-450-05（帶DP通信附件）直流調速器來實現對軋機主傳動的無極調速。由于MLC40運動控制器自帶DP串口，所以與ABB DCS550我們采用PROFIBUS-DP現場總線進行數據通信。

管坯回轉機構、管坯送進機構的傳動選用了兩臺力士樂的同步電機MSK131B-0200-NN-S1-AG0-NNNN，該電機慣量小，抗沖擊性能好，瞬時過載力矩達500%，非常適合這種快速、頻繁啟停的工況。同時，伺服電機驅動器采用力士樂多軸共直流母線方案，既保證了頻繁快啟快停的要求，也省掉了制動單元和制動電阻等硬件，減少了電柜空間的占用。兩臺伺服控制器逆變單元HMS01.1N-W0150-A-07-NNNN，回轉電機驅動器控制單元為CSB01.1CSE-ENS-EN2-NN-S-NN-FW，送進電機驅動控制單元為CSB01.1N-SE-ENS-NNN-NN-S-FW。MLC40運動控制器通過自帶的SERCOS光纖接口與回轉、送進兩臺伺服控制器通過光纖進行通信，確保實時數據快速交換。

在軋機主傳動軸上，我們配置了德國海德漢的單圈絕對值編碼器GDS02.1-2048-014V-H12。由于在回轉伺服控制單元的選型上，我們選用了帶外部編碼器接口功能的組件，該外部編碼器采集的數據可以很方便的通過專用接口采集到MLC40運動控制器中。

同時，為了實現人機交互，選用了臺灣研華PPC3120-12吋帶觸摸的平板工控機作為人機界面。MLC40運動控制器通過自帶的以太網口與工控機通過OPC協議進行數據通信。

因此，從硬件的方案配置設計方面，為運動控制系統的響應性、穩定性和可靠性提供了保障。如圖示。

圖1 運動控制系統的硬件方案設計

4 柔性電子凸輪的設計方法與實例：

通常情況，我們只需要設計一條固定的凸輪曲線，就可以滿足回轉角度、送進量無極可調的要求。但為了滿足客戶提出的能自己根據材料不同，可在線改變前、后回轉的角度、送進量的值這一特殊要求，我們只能利用力士樂提供的IndraWorksEngineering7.166軟件平臺進行二次開發，按照預定的凸輪曲線軌跡，設計一種可在線改變的柔性電子凸輪。

首先，我們定義外部絕對值編碼器為MASTER軸，即下面程序中的EA1軸。定義送進伺服電機為SLAVE1軸，即下面程序調用中的RA1軸；定義回轉伺服電機為SLAVE2軸，即下面程序調用中的RA3軸。如圖示。

圖2 運動曲線的柔性電子凸輪的設計圖

其次，明確運動軌跡，可以利用凸輪設計工具設計出需要的固定運動凸輪曲線。

然后，參照上面需要達到的運動軌跡，作為我們設計的參考依據，改編成帶有多個變量輸入的柔性凸輪曲線的程序塊FB。為此，我們先定義塊名稱為Z-test。再定義必要的輸入輸出變量，利用經過反復的設計、調試、修改，完成了符合上述運動曲線的柔性電子凸輪的設計工作。Z-test塊程序設計是本項目的難點和特色。

5 運動軌跡的實現技巧：

在我們編寫好柔性凸輪程序文件塊Z-test以后，我們就可以在MLC40中調用該FB塊，從而生成所需要的凸輪曲線文件，這里定義的曲線名稱為CAM0。

送進軸與回轉軸：

其次，從IndraWorksEngineering軟件提供的運動控制庫中，針對送進軸和回轉軸，分別調用運動控制指令塊ML-FlexProfile，建立凸輪同步，來驅動回轉和送進兩臺伺服電機，使其按照生成的柔性凸輪曲線，與主軸同步，去實現所需的運動。

例如，送進軸RA1，主軸EA1，如下圖。

當系統投入生產時或在生產過程中，我們可以直接在系統配置的工控機界面中通過輸入前、后回轉角度與送進量等參數值，靈活改變回轉、送進的工作區間，得到希望的回轉、送進工作模式。兩臺伺服電機跟隨EA1軸，按照編寫的凸輪曲線，實現所需的運動，非常方便適用。

最后強調一點，如果需要停止跟隨運動，在這里，我們使用運動控制指令MC-GearOut和MC-Stop指令一起來實現解耦和快停。

以上這些使用技巧，與固定凸輪曲線的運用實現方法是有所不同的。需要注意。

6 結束語

本項目是作者設計過的高精度回轉送進伺服冷軋管機中，滿足客戶需求，實現難度較大的一個項目。該項目經過五年多的生產實際運行，證明控制系統穩定可靠，柔性凸輪設計有效可行。同時，通過該項目的實施小結，舉一反三，在類似有這方面要求的其他項目的應用中，對如何去設計柔性電子凸輪，并去實現其運動軌跡。相信會給同行們提供一定的技術參考。當然，可能還有很多沒有注意到的細節，需要我們去進一步挖掘、開發和完善。