電子凸輪技術(shù)在多軸聯(lián)動控制中的應(yīng)用

農(nóng) 赟，雷耀文，陸炳高

（廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣西南寧 530001）

0 引言

在生產(chǎn)和工藝過程越來越復(fù)雜的現(xiàn)在，主從軸之間的傳動關(guān)系朝非線性關(guān)系發(fā)展，且存在經(jīng)常更換和調(diào)整的需求。在傳統(tǒng)的多軸聯(lián)動控制中，一般采用齒輪、齒條、同步帶和機械凸輪等機械傳動的方式來實現(xiàn)，其在更換主從軸之間的傳動關(guān)系（尤其是更換主從軸之間的非線性傳動關(guān)系）時存在安裝困難、成本高和輸出運動缺乏柔性等缺點，一般需要重新調(diào)整，甚至需要重新設(shè)計和整體更換。

基于上述原因，本文在分析比較了機械凸輪的缺點和弊端之后，提出了一種基于Schneider LMC101C 運動控制器的多軸聯(lián)動控制解決方案，可以在不增加任何硬件成本的前提條件下實現(xiàn)快速更換主、從軸之間的傳動關(guān)系。

1 電子凸輪曲線算法設(shè)計

1.1 電子凸輪技術(shù)

電子凸輪是利用構(gòu)造的凸輪曲線來模擬機械凸輪，以達到與機械凸輪系統(tǒng)相同的凸輪軸與主軸之間相對運動的軟件系統(tǒng)。

下面以ZJ17 卷接機組卷煙紙無膠帶拼接改造為例進行介紹，當(dāng)在線盤紙直徑D 小于等于某一設(shè)定的直徑值Ds時，通過一個前端加速軸（D2）將新紙帶線速度加速至在線紙帶線速度，然后通過拼接軸（D1）驅(qū)動精密的壓接模具對新、舊紙帶進行壓接，用于實現(xiàn)卷煙紙的無膠帶拼接功能。另外，在拼接過程中，需要在特定的位置點對前端加速軸（D2）進行速度跳躍控制，將前端牽引紙帶拉斷去除。同時，拼接軸（D1）要求在一定轉(zhuǎn)動角度范圍內(nèi)加速至在線紙帶線速度，然后同步運行轉(zhuǎn)動一定角度范圍，再經(jīng)過一定轉(zhuǎn)動角度范圍內(nèi)減速至停止。

1.2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

ZJ17 卷接機組卷煙紙無膠帶拼接改造系統(tǒng)主要由1 個主軸編碼器、1 個運動控制器（LMC 101C）、2 個軸模塊（LMX 52）、2 個伺服電機和1 個人機界面組成。其中，主軸編碼器用于檢測ZJ17卷接機組的實際生產(chǎn)速度；運動控制器用于完成所有外圍信號的采集、分析處理和計算；軸模塊用于直接控制對應(yīng)伺服電機實現(xiàn)運動；伺服電機用于驅(qū)動對應(yīng)的機械機構(gòu)實現(xiàn)工藝動作；人機界面用于實現(xiàn)人機交互，包括但不限于修改運動控制相關(guān)參數(shù)。

同時，人機界面與運動控制器之間采用Ethernet 網(wǎng)絡(luò)進行通信，軸模塊與運動控制器之間采用Sercos Ⅲ環(huán)網(wǎng)進行實時數(shù)據(jù)通信。

1.3 電子凸輪曲線設(shè)計

為了有效控制前端牽引、后端剩余廢料量長度，根據(jù)實際工藝需求，ZJ17 卷接機組卷煙紙無膠帶拼接改造系統(tǒng)的電子凸輪曲線被設(shè)計為如圖1 所示。

圖1 電子凸輪曲線

其中，①為D≤Ds時啟動拼接動作；②為加速軸開始加速；③為加速軸加速至在線紙帶線速度，拼接軸開始加速；④為加速軸速度跳躍；⑤為拼接軸加速完成，開始同步；⑥為拼接軸同步完成，開始減速；⑦為拼接軸減速完成，加速軸開始減速；⑧為加速軸減速完成。

另外，L 表示從啟動拼接動作到拼接軸開始加速過程中主機運行的紙帶長度，此值是一個恰當(dāng)?shù)墓潭ㄖ担皇軐嶋H生產(chǎn)速度的變化而影響；Lzj表示加速軸加速過程中主機所運行的紙帶長度；Lj表示加速軸加速過程中加速軸所走過的位移長度；Lt表示加速軸速度跳躍位置，由人機界面根據(jù)實際情況設(shè)定。

2 控制實現(xiàn)

系統(tǒng)搭建完成后，因系統(tǒng)之間存在一定差異（由設(shè)計、加工以及裝配精度等造成），需對伺服電機進行參數(shù)優(yōu)化（具體參數(shù)優(yōu)化的方法和原則在此不做介紹，但個別控制器所用的編程軟件中會帶有相關(guān)參數(shù)優(yōu)化的功能包，用戶可根據(jù)需要自行選用，如Schneider 發(fā)布的Motion 軟件等）。在伺服參數(shù)優(yōu)化完成后，系統(tǒng)即可開始啟動運行。

系統(tǒng)運行過程中，主軸編碼器用于檢測主機（即主軸）的實際生產(chǎn)速度，運動控制器根據(jù)主軸編碼器的反饋和舊盤紙轉(zhuǎn)速實時計算出舊盤紙直徑D，同時根據(jù)主軸編碼器的反饋和相關(guān)參數(shù)設(shè)置，實時計算出當(dāng)前生產(chǎn)速度下的紙帶在線無膠帶接續(xù)的最佳運動控制曲線，當(dāng)舊盤直徑D 小于等于設(shè)定的拼接直徑Ds（即D≤Ds）時，啟動拼接動作，在拼接過程中關(guān)鍵時間段內(nèi)Trace 曲線如圖2 所示。

圖2 實際控制Trace 曲線

3 效果分析

根據(jù)Trace 曲線可知，系統(tǒng)可實時根據(jù)參數(shù)設(shè)置和主機生產(chǎn)速度的不同而實時改變從軸與主軸之間的驅(qū)動關(guān)系，包括線性驅(qū)動關(guān)系和非線性凸輪關(guān)系，滿足實際生產(chǎn)工藝需求，提高傳動控制的柔性，降低設(shè)備相關(guān)成本，提高生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語

隨著社會對設(shè)備的需求也存在較大的差異，必須尋求一種可以盡可能適用于各種差異化需求的方法，這其中電子凸輪技術(shù)無疑是運動控制（尤其是多種聯(lián)動的運動控制）技術(shù)中比較通用和靈活的一種，具有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景，甚至有可能逐步完全取代傳統(tǒng)運動控制技術(shù)的趨勢。