李云龍 常伯倫 李偉 劉斌

摘? ?要：輪切運(yùn)動(dòng)控制工藝在沖孔、橫封、飛剪等工業(yè)生產(chǎn)控制設(shè)備中應(yīng)用廣泛，常應(yīng)用于冶金、包裝、印刷等行業(yè)中，其核心控制思路是基于電子凸輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多軸的同步運(yùn)動(dòng)控制工藝。研制了一種基于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的輪切運(yùn)動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)設(shè)備，該設(shè)備綜合利用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、電子凸輪運(yùn)動(dòng)等技術(shù)，通過(guò)在運(yùn)動(dòng)控制器中進(jìn)行凸輪曲線的計(jì)算，可方便地對(duì)輪切運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。應(yīng)用結(jié)果表明，該種實(shí)現(xiàn)方式可實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀輥軸電機(jī)的同步控制，達(dá)到很好的教學(xué)應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制;電子凸輪;伺服驅(qū)動(dòng)

輪切運(yùn)動(dòng)是一種廣泛應(yīng)用的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備控制工藝形式，包括沖孔、扎花、橫封、飛剪等，都屬于輪切控制工藝的具體應(yīng)用。比如工業(yè)上用的飛剪裝置，是一種可實(shí)現(xiàn)連續(xù)定長(zhǎng)剪切的自動(dòng)化設(shè)備，通常用于金屬、紙張、塑料等帶材的裁切，其控制的核心問題是應(yīng)用電子凸輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)刀輥的運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)控制刀輥軸和進(jìn)料主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定長(zhǎng)剪切[1]。

目前，現(xiàn)有的輪切運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)裝置結(jié)構(gòu)單一，與復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)控制工藝聯(lián)系不緊密，可選擇的教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)十分有限，很難滿足大學(xué)應(yīng)用技術(shù)對(duì)于人才培養(yǎng)的要求。因此，開發(fā)全方面培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)應(yīng)用能力的實(shí)訓(xùn)設(shè)備至關(guān)重要。天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)根據(jù)課程體系教學(xué)需要，開發(fā)出一種基于實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的飛剪運(yùn)動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)設(shè)備，該套實(shí)訓(xùn)設(shè)備擁有最大限度的自主權(quán)，可以在一個(gè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多種教學(xué)目標(biāo)以及更深層次的開發(fā)，提高實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的利用率。本研究設(shè)計(jì)的伺服飛剪運(yùn)動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)裝置，由基于實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)型可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為控制器，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)輪切運(yùn)動(dòng)控制工藝實(shí)現(xiàn)，可廣泛地應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的教學(xué)與培訓(xùn)。

1? ? 輪切控制工藝算法

輪切運(yùn)動(dòng)是電子凸輪的一個(gè)重要應(yīng)用形式，電子凸輪是由數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)的凸輪功能，凸輪曲線用于控制刀輥的運(yùn)動(dòng)。刀輥軸運(yùn)動(dòng)包含同步區(qū)和非同步區(qū)，剪切時(shí)刀輥電機(jī)應(yīng)工作在同步區(qū)，保證刀輥速度與主軸進(jìn)給線速度同步。非同步區(qū)是指刀輥軸在兩次剪切動(dòng)作之間的區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，刀輥軸經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器的控制，進(jìn)行適當(dāng)?shù)募?、減速以調(diào)節(jié)位置，保證在下一次剪切時(shí)可以與材料進(jìn)給軸保持同步[2]。

當(dāng)剪切單元長(zhǎng)度不同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制器需要重新計(jì)算凸輪曲線數(shù)據(jù)。本研究設(shè)計(jì)的凸輪曲線是通過(guò)5次多項(xiàng)式曲線來(lái)表達(dá)的，其優(yōu)勢(shì)是保證了刀輥軸位置、速度和加速度的連續(xù)性，可使凸輪曲線更加平滑、刀輥軸的運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)[3]。

刀輥軸的凸輪曲線多項(xiàng)式如式（1）所示，在運(yùn)行過(guò)程中由運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)該多項(xiàng)式系數(shù)的計(jì)算。

y=f（x）=A0+A1x+A2x2+A3x3+A4x4+A5x5（1）

式（1）中的6個(gè)系數(shù)需要6個(gè)方程式來(lái)求解。為了求得這6個(gè)方程式的解，需要對(duì)凸輪曲線進(jìn)行分段表達(dá)，并且對(duì)非同步區(qū)進(jìn)行歸一化處理，從而對(duì)系數(shù)求解方程組進(jìn)行簡(jiǎn)化。位置曲線、速度曲線、加速度曲線表達(dá)式分別如式（2）—（4）所示。

位置曲線為：

y=f（x）=A0+A1x+A2x2+A3x3+A4x4+A5x5（2）

速度曲線為：

y'=f '（x）=A1+2A2x+3A3x2+4A4x3+5A5x4（3）

加速度曲線為：

y''=f ''（x）=2A2+6A3x+12A4x2+20A5x3（4）

將輪切曲線邊界條件分別代入式（2）、式（3）、式（4）3個(gè)方程中，可以得到：

y（0）=f（0）=0=A0

y（1）=f（1）=Δy/Δx=A0+A1+A2+A3+A4+A5

y'（0）=f '（0）=1=A1

y'（1）=f '（1）=A1+2A2+3A3+4A4+5A5

y''（0）=f ''（0）=0=2A2

y''（1）=f ''（1）=2A2+6A3+12A4+20A5

根據(jù)這個(gè)方程組，即可對(duì)系數(shù)進(jìn)行求解，根據(jù)上述表達(dá)式編制程序?qū)崿F(xiàn)凸輪曲線。

2? ? 輪切運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

輪切運(yùn)動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)設(shè)備以電子凸輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多軸的同步運(yùn)動(dòng)控制工藝作為應(yīng)用背景，以PLC作為主要運(yùn)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)同步算法的分析設(shè)計(jì)、多優(yōu)化控制參數(shù)、交流伺服控制系統(tǒng)和電子凸輪控制工藝的綜合應(yīng)用。人機(jī)界面完成對(duì)主軸送料進(jìn)給軸和電子凸輪刀輥軸的復(fù)位、啟動(dòng)和停止，并通過(guò)輸入相應(yīng)的剪切長(zhǎng)度來(lái)控制和觀察電子凸輪刀輥軸以及主軸送料進(jìn)給軸的響應(yīng)曲線、時(shí)間。操作按鈕完成的是對(duì)該控制系統(tǒng)的啟?？刂?。運(yùn)動(dòng)控制器完成對(duì)電子凸輪的同步區(qū)和非同步區(qū)的轉(zhuǎn)速計(jì)算與調(diào)節(jié)，并根據(jù)不同的剪切長(zhǎng)度，及時(shí)調(diào)整刀頭的位置，為下一次剪切做準(zhǔn)備。刀輥軸以及送料主軸均有伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)通信的方式，通過(guò)網(wǎng)線連接伺服驅(qū)動(dòng)器，并通過(guò)EtherCAT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器控制電子凸輪刀輥軸和主軸送料進(jìn)給軸轉(zhuǎn)動(dòng)。主軸及刀輥軸的位置檢測(cè)均由伺服電機(jī)自帶的高精度編碼器實(shí)現(xiàn)，高速傳感器是一種色標(biāo)傳感器，檢測(cè)輪切運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)信號(hào)。輪切運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

2.1? 運(yùn)動(dòng)控制器

本研究選用匯川AM600運(yùn)動(dòng)控制PLC作為運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)輪切凸輪曲線的計(jì)算與生成。AM600系列PLC是一款采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的中型可編程控制器。本地?cái)U(kuò)展模塊通過(guò)內(nèi)部總線協(xié)議進(jìn)行輸入/輸出（Input/Output，IO）擴(kuò)展，支持?jǐn)?shù)字輸入/輸出模塊、模擬輸入/輸出模塊;支持通過(guò)EtherCAT總線實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制功能，最大支持32軸的運(yùn)動(dòng)控制，具有單軸加減速控制、電子齒輪、電子凸輪等功能。

其凸輪運(yùn)動(dòng)特性如下：

（1）凸輪形狀制作容易：采用凸輪表、凸輪曲線描述。

（2）凸輪形狀容易多樣：支持多個(gè)凸輪表選擇、動(dòng)態(tài)切換。

（3）凸輪形狀修改容易：允許凸輪表關(guān)鍵點(diǎn)動(dòng)態(tài)修改。

（4）多個(gè)凸輪從軸：允許有多個(gè)凸輪從軸。

（5）凸輪挺桿：允許有多個(gè)凸輪挺桿、多個(gè)設(shè)置區(qū)間。

（6）凸輪離合器：可快捷實(shí)現(xiàn)凸輪運(yùn)行的進(jìn)入與退出。

（7）電子凸輪特有功能：支持虛擬主軸、相位偏移、輸出疊加功能。

2.2? 伺服驅(qū)動(dòng)器

伺服驅(qū)動(dòng)器選用匯川IS620N系列伺服系統(tǒng)，該驅(qū)動(dòng)器采用以太網(wǎng)通訊接口，支持EtherCAT通信協(xié)議，可配合控制器實(shí)現(xiàn)多臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。伺服系統(tǒng)配有中小慣量的帶有20位增量編碼器的高響應(yīng)伺服電機(jī)，可精確快速地實(shí)現(xiàn)多電機(jī)協(xié)同控制運(yùn)行。

2.3? 高速傳感器

選用松下LX-101高速傳感器實(shí)現(xiàn)色標(biāo)檢測(cè)功能，該傳感器具有45 ?s的超高速反映色標(biāo)模式。具有“最佳LED自動(dòng)選擇功能”，將色標(biāo)和底色反射量差距進(jìn)行對(duì)比來(lái)自動(dòng)辨別LED，能進(jìn)行更為可靠的檢測(cè)，運(yùn)行更加穩(wěn)定。

3? ? 輪切運(yùn)動(dòng)控制軟件實(shí)現(xiàn)

AM600的凸輪運(yùn)算采用純軟件方式執(zhí)行，相比硬件凸輪運(yùn)算，具有更好的功能靈活性。電子凸輪的基本指令功能塊包括凸輪表選擇功能塊、凸輪進(jìn)入控制功能塊、凸輪退出控制功能塊。

3.1? MC_CamTableSelect凸輪表選擇功能塊

本指令的功能是關(guān)聯(lián)主軸、從軸、凸輪表三者關(guān)系、指定凸輪曲線的適用周期性等，凸輪運(yùn)行中，每次EtherCAT中斷都會(huì)掃描該功能塊，解析CAM凸輪表，計(jì)算從軸的下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。

3.2? MC_CamIn凸輪進(jìn)入控制功能塊

本指令的功能是使凸輪從軸進(jìn)入與凸輪主軸同步運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)凸輪表的位置關(guān)系，控制凸輪從軸調(diào)整到對(duì)應(yīng)的目標(biāo)點(diǎn)。

3.3? MC_CamOut凸輪退出控制功能塊

本指令的功能是使凸輪從軸脫離凸輪運(yùn)行狀態(tài)。

電子凸輪功能塊的執(zhí)行原理如下：

控制器每次進(jìn)入EtherCAT中斷，進(jìn)行凸輪運(yùn)算，按照以下步驟運(yùn)行。

（1）凸輪主軸根據(jù)其運(yùn)動(dòng)控制指令、當(dāng)前位置、速度、加減速設(shè)置，計(jì)算得到主軸的下一目標(biāo)位置、運(yùn)行速度。

（2）演算一次凸輪相關(guān)功能塊，根據(jù)主軸的下一目標(biāo)位置、凸輪曲線關(guān)系，參考從軸的當(dāng)前位置等，計(jì)算得到從軸的下一目標(biāo)位置、運(yùn)行速度。

（3）將下一目標(biāo)位置及速度分別發(fā)送給主軸、從軸，令其運(yùn)行。

4? ? 輪切運(yùn)動(dòng)控制裝置應(yīng)用效果

該套輪切運(yùn)動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)裝置在運(yùn)動(dòng)控制課程實(shí)踐教學(xué)上的提升主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）所用設(shè)備豐富，包含了現(xiàn)階段的主要工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備，應(yīng)用了先進(jìn)的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可進(jìn)行伺服控制技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)，在教學(xué)中可以進(jìn)行有機(jī)的模塊分解，提升教學(xué)效果，提高設(shè)備利用率。

（2）設(shè)備可用于單個(gè)模塊教學(xué)也可以用于系統(tǒng)教學(xué)，可實(shí)現(xiàn)不同課程的實(shí)訓(xùn)任務(wù)，實(shí)訓(xùn)形式多樣。

（3）該實(shí)訓(xùn)裝置通過(guò)設(shè)計(jì)基于5次多項(xiàng)式的電子凸輪曲線的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)剪切過(guò)程中的加速與減速的求解過(guò)程，解決運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在典型裝備中的應(yīng)用問題。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

該套實(shí)訓(xùn)裝置教學(xué)設(shè)計(jì)理念領(lǐng)先、技術(shù)可靠，具有一定的前瞻性，設(shè)備在教學(xué)、師資培訓(xùn)、企業(yè)培訓(xùn)方面均可使用，在職業(yè)院校具有很強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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