自动化生产线驱动系统中电子凸轮的研究.doc

自动化生产线驱动系统中电子凸轮的研究.doc

《自动化生产线驱动系统中电子凸轮的研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动化生产线驱动系统中电子凸轮的研究.doc（8页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

生产线自动化驱动系统中电子凸轮的研究

摘要：

以往一般简单的运动需求要通过复杂的机械组合来完成，这在机械设计及零组件的保养及维修上都有相当的不便。

而且传统的机械凸轮机构存在一些机械性质的缺点，致使其在应用上有所限制，特别是针对现今高速加工及高弹性的生产需求，将导致其缺点显得更加严重。

于是我们应用了电子凸轮，它不仅具备机械凸轮机构的优点，而且电子凸轮的使用使机器的控制精度提高，控制距离加远，故障率降低，可靠性提高；使机构更加灵活，使调试和维修变得简便。

关键词:

机械凸轮机构电子凸轮运动控制

一、电子凸轮研究的背景

在生产实际中，特别是在自动机、半自动机以及生产自动线中，往往要求机构实现某种特殊的或复杂的运动规律，或要求从动件的位移、速度和加速度按照预定的规律变化。

对于这种运动规律。

通常多采用凸轮机构，若采用连杆机构或其他机构来实现就很困难，或使得设计方法特别烦琐。

凸轮机构是由凸轮、从动件和机架所组成的高副机构。

凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽

的主动件，一般做等速连续转动，或往复移动。

从动件则做往复直线运动或摆动。

当凸轮连续运动时，由于其轮廓曲线上各点具有不同大小的向径，通过其曲线轮廓与从动件之间的高副接触，推动从动件按所规定的运动规律进行往复运动。

如图1所示为内燃机配气机构。

盘形凸轮1做等速转动，通过其向径的变化可使从动件2按预期规律做上、下往复移动，从而达到控制气阀开闭的目的。

如图2所示为靠模车削机构，工件l回转时，移动凸轮（靠模板）3和工件1一起往右移动，刀架2在靠模板曲线轮廓的推动下做横向移动，从而切削出与靠模板曲线一致的工件。

如图3所示为自动送料机构，带凹槽的圆柱凸轮l做等速转动，槽中的滚子带动从动件2做往复移动，将工件推至指定的位置，从而完成自动送料任务；如图4所示为分度转位机构，蜗杆凸轮l转动时，推动从动件2做间歇转动，从而完成高速、高精度的分度动作。

由以上实例可知：

凸轮机构主要用于转换运动形式。

它可将凸轮的转动，变成从动件的连续或间歇的往复移动或摆动；或者将凸轮的移动转变为从动件的移动或摆动。

凸轮机构的主要优点是：

只要适当地设计凸轮轮廓，就可使从动件实现生产所要求的运动规律，且结构简单紧凑、易于设计，因此，在工程中得到广泛应用。

图1内燃机配气机构图2靠模车削机构图3自动送料机构图4分度转位机构

由于以往一般简单的运动需求要通过复杂的机械组合来完成，这在机械设计及零组件的保养及维修上都有相当的不便。

而且传统的凸轮机构存在一些机械性质的缺点，致使其在应用上有所限制，特别是针对现今高速加工及高弹性的生产需求，将导致其缺点显得更加严重。

其缺点如下：

1.凸轮机构在高速运转时，其动能行为不再如同低速旋转时可设定为一定，且机构的刚性、传动件的弹力系数更需要注意。

甚至在较苛刻的使用环境下，凸轮与从动件会发生所谓的“弹跳”现象。

这都将严重影响运动曲线的特性及精度。

2.传统的凸轮机构中，从动件所产生的惯性力与惯性力矩会使得凸轮运转速度不易维持为定制。

尤其是在高速时从动件与惯性力矩的影响将更大。

因此从动件的实际运动特性会和原来设计的将有所不同，如此便会丧失轨迹精度。

虽然可利用伺服控制的方法，控制凸轮的转速使相同的凸轮机构产生较佳的从动件运动特性，但效果都不是十分显著。

3.传统凸轮系统的运动曲线（凸轮曲线）对整个机械系统的运动特性及动态特性有相当大的影响。

因此，特伦在告诉运转或承受高负载的使用场合下，其凸轮曲线的设计与选用会有很大的限制。

4.凸轮机构是借助凸轮元件的轮廓形式以直接接触使其输出元件（从动件）产生指定的运动。

若从动件运动曲线需求改变，或因磨损，振动等因素使得从动件运动不符合原来需求时，一般需重新设计与制造。

但凸轮成本不低，替换时费时费力，设计与制造程序繁杂，需要考虑许多因素如撕裂效应，弹簧回复力与压力角等，且需借助专门技术与经验，所以相当不便。

5.从动件的行程不能太大，否则将使凸轮元件显得笨重。

6.所以我们为了改进机械凸轮机构的这些缺点，发明了由控制系统和凸轮机构组合而成的电子凸轮。

这是一种创造性的构思,控制系统和普通马达结合产生伺服电机,伺服电机兼具驱动与控制的双重功能,因此,通过运动控制,可以在不改变凸轮轮廓线的前提下,根据要求改变输出的动作及运动性能,从而使凸轮具有一定程度的通用性,并赋予一定程度的自适应性和智能性。

二、电子凸轮

电子凸轮是通过控制器控制伺服电机来模拟机械凸轮的功能（图5、图6）。

按其控制模式一般可分为传送凸轮（也称作进给凸轮）和往复凸轮两大类。

往复凸轮是进行推出或复位动作，即上下动作或者左右动作，而传送凸轮则一般为传送带传送或搬运机传送。

电子凸轮利用SW3RN-CAMP制作的凸轮行程和凸轮曲线数据作为基本的凸轮输出，驱动模块转移量与传动模块齿轮比相乘得出的移动量，以此进行输出，最后输出为往复凸轮控制或传送凸轮控制的情况下使用。

图5电子凸轮结构一

图6电子凸轮结构二

电子凸轮的结构，注定了其具有很多比机械凸轮优越的特点。

电子凸轮的使用使机器的控制精度提高，控制距离加远，故障率降低，可靠性提高；简化了机构，使机构更加灵活，使调试和维修变得简便。

电子凸轮用软件来控制信号，改变程序就能改变控制信号的输出规律，继而改变工艺过程。

如果对电子凸轮的控制器进行一定的改进和采用精度更高的传感器，能够增加其开关数，任意设置输出点的接通关断时间，使其变成能够满足多种场合通用性很强的电子凸轮。

所有电子凸轮产品都有以下共同的特性：

1．紧凑的设计和极少的接线

电子凸轮由控制器、位置传感器、旋转编码器以及连接电缆组成。

使用时将控制器安装

在电气控制柜内，位置传感器安装在旋转轴上，传感器和控制器用一根电缆线连，使用方便迅速。

2．简单的角度设置过程

ON/OFF位置的设置值既可以通过直接输入角度值来确定，也可以通过手动功能来指定；而机械凸轮中的角度调整比较困难的。

3．持久耐用的传感器

传感器能经受震动、冲击、恶劣的温度、油、灰尘等工厂环境。

三、运动控制系统概述

运动控制通常是指在复杂条件下，将预定的控制目标转变为期望的机械运动。

运动控制系统使被控制机械实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。

运动控制技术综合了微电子技术、计算机技术、检测技术、控制技术、伺服驱动技术等学科的最新成果，是自动化技术的重要组成部分。

1．什么是运动控制

通常指的是对机械系统中称之为轴（Axis）的一个或多个坐标上的运动以及这些运动之间的协调，涉及各轴上运动速度的调节，以一定的加减速曲线来进行运动，以及形成准确的定位或遵循特定的轨迹等诸如此类的问题。

通过对多轴的控制使机械部件在空间的运动轨迹符合控制的要求，或者在被加工零件的表面形成复杂的曲线。

2．运动控制系统的分类

运动控制系统按照被控量的性质和运动控制方式可以分成以下几类：

位置控制、速度控制、加速度控制、同步控制、力和力矩控制。

3．运动控制系统的结构

典型的运动控制系统示意图如图7所示：

图7典型的运动控制系统示意图

四、运动控制系统的总体性能要求

1．系统稳定性好

稳定性就是指系统在给定外界输入或干扰作用下，能在暂短的调节过程后达到新的或者恢复到原有的平衡状态的能力。

稳定是控制系统正常工作的前提。

输出响应的状态由控制系统的结构和参数所决定。

当增益高、控制延迟大时，系统的输出响应就容易发生振荡。

在最坏的情况下，振荡将发展到发散状态。

一般要求输出响应经过短暂的小幅度振荡很快就衰减下来，并准确地跟踪目标值进入稳态运行。

2．快速响应性好

快速响应是运动控制动态品质的标志之一，即要求系统跟踪指令信号的响应要快。

一方面要求过渡过程的时问短；另一方面，为了满足超调要求，希望过渡过程的前沿陡，即上升斜率要大。

一般地说，当系统的响应很快时，系统的稳定性将变坏，甚至可能产生振荡。

在设计AC伺服系统时，应该特别注意。

3．控制精度高

控制精度是度量系统输出量能否控制在目标值所允许的误差范围内的一个标准。

它反映动态过程后期的稳态性能，指的是输出量跟踪输入量的能力。

针对以上性能要求，运动控制在系统控制工程中的任务可以概括为以下几点：

（1）根据系统总体性能要求，选择合适的组成系统的各子系统部件；

（2）协调各子系统成为一个完整的系统并使其能够合理地工作；

（3）选择系统最佳工作条件；

（4）使系统获得尽可能高的控制性能，采用必要的控制方法消除总体系统存在的不足；

（5）设计出友好的人一机接口软件及控制软件，使系统完成期望的控制任务。

所以，对于一个运动控制系统的设计者，不仅需要掌握对现有的系统进行性能分析及其控制的能力，还必须了解和熟悉组成先进运动控制系统部件的工作原理及其性能与市场价格之间的情况，学会如何从现有的市场所有的产品中选择出性价比优良的产品，并通过合适的接口、软件以及控制策略组合成达到系统性能指标的集成系统

五、凸轮曲线的设定

从动件运动规律全面地反映了从动件的运动特性及其变化的规律性。

在设计凸轮机构时，一个重要的问题就是根据工作要求和条件选择从动件的运动规律。

下面为从动件常用的运动规律及其选择。

1．平面凸轮的基本尺寸和运动参数

现以如图8所示的凸轮机构为例阐述常用的名词术语。

图8凸轮机构的运动过程

基圆——以凸轮轮廓的最小向径为半径、凸轮转动中心为圆心所作的圆称为基圆，为基圆半径。

推程与推程运动角δ0——随着凸轮的转动，凸轮轮廓线上各点的向径逐渐增大，从动件从起始位置A开始，逐渐被凸轮推到离凸轮转动中心最远的位置B的运动过程称为推程。

与从动件推程相对应的凸轮的转角δ0称为推程运动角。

远停程与远停程角δ1——凸轮转动而从动件在远离凸轮转动中心出停止不动过程称为远停程。

与从动件远停程相对应的凸轮的转角δ1称为远停程角。

回程与回程运动角δ2——经过轮廓的CD段，从动件由最高位置回到最低位置，这个行程称为回程。

与从动件回程相对应的凸轮的转角δ2称为回程运动角。

近停程与近停程角δ3——从动件在离凸轮转动中心最近处停止不动的过程称为近停程。

与从动件近停程相对应的凸轮的转角δ3称为近停程角。

位移——在推程或回程中，从动件运动的最大距离称为位移，通常以h表示。

2．从动件的运动线图

对于凸轮机构，从动件在一个运动循环中位移、速度、加速度的变化规律可以函数的形式表示，称为从动件的运动方程；也可以图像表示，以凸轮的转角δ（或者对应的时间）为横坐标，以从动件的位移s、速度v、加速度a为纵坐标绘制出的表示从动件的位移、速度、加速度随凸轮转角的变化关系的曲线称为从动件的运动线图。

采用作图法绘制凸轮轮廓曲线以及在分析研究凸轮机构的运动过程和动力性能时，都需要利用从动件的运动线图。

3．从动件常用的运动规律

A.等速运动（如图9）

它只适用于低速轻载或特殊需要的凸轮机构中。

B.等加速等减速运动规律（如图10）

这种运动规律也不适用于高速凸轮机构，

而多用于中、低速及轻载的场合。

图9等速运动规律

图10等加速、等减速运动规律

C.余弦加速度运动规律（简谐运动规律）（如图11）

它只适用于中、低速工作的场合。

图11简谐运动

D.正弦加速度运动规律（摆线运动规律）（如图12）

既无刚性冲击，也无柔性冲击，在中间部分加速度变化平缓，故机构传动平稳，振动、噪声和磨损较小，适用于高速场合。

图12摆线运动

所以我们首先要根据生产线工艺要求对凸轮的曲线进行设定。

4．执行电机的选择

当我们将凸轮曲线设定完毕之后，要对所用电机进行选择，主要是通过负载惯量的计算，然后利用MOTSZ111E计算软件选择伺服电机的容量，并绘制曲线。

5．电子齿轮计算

在电子凸轮的伺服系统中，伺服电机以指令脉冲和反馈脉冲相平衡的速度运转。

因而需要确认：

定位的最小指令单位和每个脉冲的机械进给量（）是否取得了一致性；机械最高转速时的脉冲频率是否相互满足定位指令装置和伺服放大器。

三菱伺服系统通过电子齿轮功能和机械系统相配合来实现上述要求。

6．电子凸轮曲线的制作

电子凸轮的运动主要是通过电子凸轮的曲线完成的，可以利用三菱电子凸轮软件包SW3RN-CAMP对“虚拟机械模式”中“凸轮模块”进行凸轮曲线设计。

在此不在累述。

参考文献

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社.1991

[2]黄纯颖.机械创新设计[M].高等教育出版社.2000

[3]黄义萍,魏军会.电子凸轮及其自动化生产中的应用[J].淮北煤师学报.2001,22

（1）46-48

[4]娜极,尹旭峰,刘常玉数控机械及其控制系统[J].机制工业自动化.1999,（6）15-18

[5]姚燕安,张策含.凸轮机构的机械系统的振动控制研究综述[J].机械设计.1997,14（8）:

1-4

[6]三菱公司.三菱产品中文手册.三菱公司培训文件.2007