基于DSP三伺服包裝機(jī)電子凸輪控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

1 引言

凸輪機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)機(jī)械和自動(dòng)控制裝置中,它能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為預(yù)期的間歇直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或往復(fù)擺動(dòng)等。從理論上講,只要適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)出凸輪的輪廓曲 線, 就可以使推桿得到各種預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。但凸輪機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中也存在著很多局限性:

（1）凸輪機(jī)構(gòu)屬于高副點(diǎn)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(yùn)行，所以凸輪磨損快，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)使從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)失真，因而不能用在那些有高的重復(fù)精度要求的場(chǎng)合。

（2）一個(gè)凸輪只能實(shí)現(xiàn)一種預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 輸出運(yùn)動(dòng)缺乏柔性,當(dāng)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律改變時(shí),凸輪的生產(chǎn)工藝就需要重新調(diào)整或徹底更換^[1]。

（3）機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)機(jī)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(jī)構(gòu)傳動(dòng)過程中存在較大噪音。

2 電子凸輪含義及優(yōu)點(diǎn)

2.1電子凸輪含義

隨著科技進(jìn)步和數(shù)字伺服技術(shù)的出現(xiàn)，在傳動(dòng)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(jī)械凸輪實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。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(shí)現(xiàn)模擬機(jī)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(tǒng)沒有機(jī)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(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。

（2）電子凸輪不存在磨損, 凸輪曲線形狀不會(huì)改變, 因而從動(dòng)件重復(fù)實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)的精度高、穩(wěn)定性好^[3]。

（3）可以方便的更改運(yùn)動(dòng)曲線，只要更改相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)曲線，大大降低生產(chǎn)安裝成本。

（4）傳動(dòng)平穩(wěn)，機(jī)械振動(dòng)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(hào)處理） 56F807芯片為處理器協(xié)調(diào)伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)電子凸輪的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；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(cè)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(cè)模塊不斷讀取主軸伺服電機(jī)的位置，根據(jù)主軸位置計(jì)算出從軸相對(duì)應(yīng)的速度和位置實(shí)現(xiàn)主從軸凸輪曲線對(duì)應(yīng)關(guān)系。伺服電機(jī) 的功能是將電脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移，即給1個(gè)電脈沖信號(hào)，電機(jī)將轉(zhuǎn)過1個(gè)固定的角度(可通過設(shè)置伺服電機(jī)軸分辨率來實(shí)現(xiàn)固定角度)。由于伺服電機(jī)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(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)速^[4]。

3.2電子凸輪的實(shí)現(xiàn)步驟

（1）確定主從軸的速度曲線對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（2）將一個(gè)周期內(nèi)從動(dòng)軸的位移分段，根據(jù)主從軸速度曲線對(duì)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(jī)的脈沖數(shù)。

（4）根據(jù)從軸的速度要求計(jì)算出DSP所需要的電脈沖頻率。

（5）將上面計(jì)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(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)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(dòng)包裝機(jī)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(dòng)包裝機(jī)工作原理圖。

從圖中看到，該機(jī)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(dú)的伺服電機(jī)作為動(dòng)力該機(jī)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(xù)式的包裝機(jī)。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(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。位置同步是：橫封的切割點(diǎn)必須在塑料膜的色標(biāo)點(diǎn)內(nèi)，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(yùn)動(dòng)是：由于包裝的袋長(zhǎng)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(zhǎng)，這就要求橫封在一定時(shí)間內(nèi)要完成由同步速度到變速再到同步速度的凸輪運(yùn)動(dòng)過程。



圖1三伺服自動(dòng)包裝機(jī)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(zhǎng)與橫封刀的周長(zhǎng)有三種關(guān)系：

（1）橫封刀周長(zhǎng)大于一個(gè)袋長(zhǎng)

（2）橫封刀周長(zhǎng)小于一個(gè)袋長(zhǎng)

（3）橫封刀周長(zhǎng)等于于一個(gè)袋長(zhǎng)

下面以橫封刀周長(zhǎng)大于一個(gè)袋長(zhǎng)為例進(jìn)行計(jì)算。橫封刀周長(zhǎng)大于一個(gè)袋長(zhǎng)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(shí)刻。



圖2 橫封刀周長(zhǎng)大于一個(gè)袋長(zhǎng)時(shí)速度時(shí)間圖



將上面計(jì)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(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，實(shí)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(shí)現(xiàn)方法，以三伺服自動(dòng)包裝機(jī)為例說明電子凸輪算法的具體實(shí)現(xiàn)。三伺服自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)使用電子凸輪后有一下優(yōu)勢(shì)：

（1）使包裝機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jī)械凸輪結(jié)構(gòu)，減輕機(jī)器的重量，減小機(jī)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(shí)現(xiàn)防空包、防切料、不停機(jī)功能。

（4）包裝機(jī)的操作更方便，用戶只需設(shè)定袋長(zhǎng)、切斷偏移位置和停刀角度就可以起動(dòng)調(diào)速運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]王程,賀煒.基于單片機(jī)的電子凸輪系統(tǒng)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2006(11): 4-6.

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[4]于鐳,常軍,黃存柱.基于DSP的自動(dòng)裝機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[J].微型計(jì)算機(jī)與應(yīng)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(dǎo)師，研究方向?yàn)橐曈X機(jī)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?yàn)檫\(yùn)動(dòng)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