基于DSP三伺服包裝機電子凸輪控制系統的研究與應用

1 引言

凸輪機構廣泛應用在各種自動(dòng)機械和自動(dòng)控制裝置中,它能將旋轉運動(dòng)轉換為預期的間歇直線(xiàn)往復運動(dòng)或往復擺動(dòng)等。從理論上講,只要適當的設計出凸輪的輪廓曲 線(xiàn), 就可以使推桿得到各種預期的運動(dòng)規律,而且結構簡(jiǎn)單緊湊。但凸輪機構在實(shí)際應用中也存在著(zhù)很多局限性:

（1）凸輪機構屬于高副點(diǎn)線(xiàn)接觸，存在較大的接觸應力，無(wú)法傳遞較大的功率；加之凸輪在工作過(guò)程中高速運行，所以凸輪磨損快，長(cháng)時(shí)間使用會(huì )使從動(dòng)件的運動(dòng)失真，因而不能用在那些有高的重復精度要求的場(chǎng)合。

（2）一個(gè)凸輪只能實(shí)現一種預定的運動(dòng)規律, 輸出運動(dòng)缺乏柔性,當從動(dòng)件運動(dòng)規律改變時(shí),凸輪的生產(chǎn)工藝就需要重新調整或徹底更換^[1]。

（3）機械結構復雜，對機械安裝人員的要求高，生產(chǎn)成本高，維修調試不方便。

（4）凸輪機構傳動(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(zhù)科技進(jìn)步和數字伺服技術(shù)的出現，在傳動(dòng)及控制系統中我們可以利用電子凸輪代替傳統的機械凸輪實(shí)現各種復雜的往復運動(dòng)。電子凸輪是以伺服控制技術(shù)為基礎，并結合先進(jìn)的微處理器，通過(guò)數字化系統實(shí)現模擬機械凸輪的功能^[2]。

2.2電子凸輪的優(yōu)點(diǎn)

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

（2）電子凸輪不存在磨損, 凸輪曲線(xiàn)形狀不會(huì )改變, 因而從動(dòng)件重復實(shí)現預期運動(dòng)的精度高、穩定性好^[3]。

（3）可以方便的更改運動(dòng)曲線(xiàn)，只要更改相應的運動(dòng)參數就可以實(shí)現不同的運動(dòng)曲線(xiàn)，大大降低生產(chǎn)安裝成本。

（4）傳動(dòng)平穩，機械振動(dòng)小，噪音低。

3 基于DSP的電子凸輪控制系統

本文中使用Motorola DSP（Digital Singal Processing 數字信號處理） 56F807芯片為處理器協(xié)調伺服驅動(dòng)器和伺服電機實(shí)現電子凸輪的控制系統設計；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、相位檢測模塊、PWM輸出等功能模塊，并具有豐富的外圍接口，足夠滿(mǎn)足電子凸輪的各種曲線(xiàn)需求。

3.1電子凸輪的DSP控制

本文的電子凸輪是通過(guò)DSP的相位檢測模塊不斷讀取主軸伺服電機的位置，根據主軸位置計算出從軸相對應的速度和位置實(shí)現主從軸凸輪曲線(xiàn)對應關(guān)系。伺服電機 的功能是將電脈沖信號變換成相應的角位移，即給1個(gè)電脈沖信號，電機將轉過(guò)1個(gè)固定的角度(可通過(guò)設置伺服電機軸分辨率來(lái)實(shí)現固定角度)。由于伺服電機的 角位移與輸入脈沖成比例，調整DSP發(fā)出的電脈沖頻率，就可以對伺服電機進(jìn)行調速^[4]。

3.2電子凸輪的實(shí)現步驟

（1）確定主從軸的速度曲線(xiàn)對應關(guān)系。

（2）將一個(gè)周期內從動(dòng)軸的位移分段，根據主從軸速度曲線(xiàn)對應關(guān)系確定每段位移內從軸的速度。

（3）將每段位移量轉化為伺服電機的脈沖數。

（4）根據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速，實(shí)現電子凸輪功能。

4 基于DSP的電子凸輪控制系統的應用

本文以三伺服自動(dòng)包裝機為例介紹基于DSP的電子凸輪的具體應用。如圖1所示為新型三伺服自動(dòng)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(dòng)力該機集自動(dòng)送料、包裝物品、封口、切斷于一體，是一種高效 率的連續式的包裝機。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動(dòng)的實(shí)現。位置同步是：橫封的切割點(diǎn)必須在塑料膜的色標點(diǎn)內，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；凸輪運動(dòng)是：由于包裝的袋長(cháng)在一定范圍內是可變的，橫封刀旋轉1周所經(jīng) 過(guò)的距離一般不等于袋長(cháng)，這就要求橫封在一定時(shí)間內要完成由同步速度到變速再到同步速度的凸輪運動(dòng)過(guò)程。



圖1三伺服自動(dòng)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(xiàn)根據袋長(cháng)與橫封刀的周長(cháng)有三種關(guān)系：

（1）橫封刀周長(cháng)大于一個(gè)袋長(cháng)

（2）橫封刀周長(cháng)小于一個(gè)袋長(cháng)

（3）橫封刀周長(cháng)等于于一個(gè)袋長(cháng)

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

速度曲線(xiàn)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(cháng)大于一個(gè)袋長(cháng)時(shí)速度時(shí)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(guò)控制模值數來(lái)對伺服電機進(jìn)行調速，實(shí)現橫封刀軸與膜軸的速度曲線(xiàn)。

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

（1）使包裝機的機械結構大大簡(jiǎn)化，傳動(dòng)部分直接鏈條或同步帶傳動(dòng)，省

去了機械凸輪結構，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定，以滿(mǎn)足不同需要。

（3）可以實(shí)現防空包、防切料、不停機功能。

（4）包裝機的操作更方便，用戶(hù)只需設定袋長(cháng)、切斷偏移位置和停刀角度就可以起動(dòng)調速運行。

參考文獻

[1]王程,賀煒.基于單片機的電子凸輪系統研究[J].機械設計與制造,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計[J].機械設計與研究,2000年增刊 89-91.

[3]王安敏,鹿虎基于C8051 單片機的電子凸輪實(shí)現[J].機械傳動(dòng),2010(10):85-87.

[4]于鐳,常軍,黃存柱.基于DSP的自動(dòng)裝機控制系統的軟件設計[J].微型計算機與應用,2010,(1).

作者簡(jiǎn)介：

于鐳（1969-），男，漢，副教授，青島科技大學(xué)，碩士生導師，研究方向為視覺(jué)機器人，數字伺服系統

衛光（1983-），男，漢，青島科技大學(xué),碩士研究生，研究方向為運動(dòng)控制系統，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