电子凸轮的设计与工程应用研究范文

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摘要：本文通过作者主导的项目实践，讲述了通过德国力士乐IndraWorksEngineering7.166软件开发平台，针对哈尔滨东安某军工企业定购的一台LG60高精度回转送进冷轧管机设备提出的要求，设计的一种可由客户灵活在线改变回转、送进工作模式的柔性电子凸轮以及为其配套设计的运动控制系统的应用案例。对有类似方面的工程应用需求，希望能起到很好的指导作用。

关键词：运动控制系统设计；柔性电子凸轮设计与运动轨迹的实现

1前言

由于传统的机械式凸轮，不仅仅设计打样、符合性实验占用的周期长，耗费的物力财力人力多，而且对于复杂的凸轮曲线更是加工制造困难，精度不能保证，体积庞大笨重，后期维护成本也很高。随着电子凸轮技术的出现和应用，传统的机械式凸轮已基本被淘汰。但对于可由操作人员在线修改参数就可改变的凸轮曲线的应用，由于每个具体应用的场合和要求都不相同，千差万别，因此，只能是根据具体的应用需求，针对性的利用其软件平台去进行二次开发。本文通过具体的工程项目实践，介绍了在LG60高精度冷轧管机上开发的一种柔性电子凸轮的应用成果。

2设备组成与性能参数要求：

该设备机械部分包括上料系统、回转送进装置、芯棒卡紧机构、中间床身、送进小车、机架、基座，入口卡盘、偏心齿轮箱，主传动机构，芯棒装置、出料系统，管坯内润滑装置、成品快速拉出装置等组成。设备流体部分包括液压站、工艺润滑站等部分。主传动机构带动机架做往复运动，机架速度要求达到85次/min。设备要求送进量的大小、回转角度的大小不仅可无极调整，而且每次的回转角度、送进量要精确。机架往复一次总的送进量在0~12mm/次无极可调，回转角度在0°~60°/次无极可调。同时，客户提出了希望能自己根据材料的不同，可灵活在线改变前、后回转角度值、送进量值这一特殊要求。

3运动控制系统的硬件方案设计：

为了满足设备最大的轧制次数以及最大送进量、最大回转角度等参数要求，我们选用了德国力士乐CML40.2-SP-330-NA-NNNN-NW运动控制器，配置同步控制固件FWA-CML402-MLC-04VRS-D0作为本系统的自动化控制单元。该MLC40运动控制器除了兼具普通PLC的功能外，更具有强大的Motion运动控制功能和支持多协议的通信功能。由于主传动采用的是国产Z4系列直流电机，为了保证调速精度和增加设备的可靠性，我们采用ABBDCS550-S2-450-05（带DP通信附件）直流调速器来实现对轧机主传动的无极调速。由于MLC40运动控制器自带DP串口，所以与ABBDCS550我们采用PROFIBUS-DP现场总线进行数据通信。管坯回转机构、管坯送进机构的传动选用了两台力士乐的同步电机MSK131B-0200-NN-S1-AG0-NNNN，该电机惯量小，抗冲击性能好，瞬时过载力矩达500%，非常适合这种快速、频繁启停的工况。同时，伺服电机驱动器采用力士乐多轴共直流母线方案，既保证了频繁快启快停的要求，也省掉了制动单元和制动电阻等硬件，减少了电柜空间的占用。两台伺服控制器逆变单元HMS01.1N-W0150-A-07-NNNN，回转电机驱动器控制单元为CSB01.1C-SE-ENS-EN2-NN-S-NN-FW，送进电机驱动控制单元为CSB01.1N-SE-ENS-NNN-NN-S-FW。MLC40运动控制器通过自带的SERCOS光纤接口与回转、送进两台伺服控制器通过光纤进行通信，确保实时数据快速交换。在轧机主传动轴上，我们配置了德国海德汉的单圈绝对值编码器GDS02.1-2048-014V-H12。由于在回转伺服控制单元的选型上，我们选用了带外部编码器接口功能的组件，该外部编码器采集的数据可以很方便的通过专用接口采集到MLC40运动控制器中。同时，为了实现人机交互，选用了台湾研华PPC3120-12吋带触摸的平板工控机作为人机界面。MLC40运动控制器通过自带的以太网口与工控机通过OPC协议进行数据通信。因此，从硬件的方案配置设计方面，为运动控制系统的响应性、稳定性和可靠性提供了保障。如图示。

4柔性电子凸轮的设计方法与实例：

通常情况，我们只需要设计一条固定的凸轮曲线，就可以满足回转角度、送进量无极可调的要求。但为了满足客户提出的能自己根据材料不同，可在线改变前、后回转的角度、送进量的值这一特殊要求，我们只能利用力士乐提供的IndraWorksEngineering7.166软件平台进行二次开发，按照预定的凸轮曲线轨迹，设计一种可在线改变的柔性电子凸轮。首先，我们定义外部绝对值编码器为MASTER轴，即下面程序中的EA1轴。定义送进伺服电机为SLAVE1轴，即下面程序调用中的RA1轴；定义回转伺服电机为SLAVE2轴，即下面程序调用中的RA3轴。如图示。其次，明确运动轨迹，可以利用凸轮设计工具设计出需要的固定运动凸轮曲线。然后，参照上面需要达到的运动轨迹，作为我们设计的参考依据，改编成带有多个变量输入的柔性凸轮曲线的程序块FB。为此，我们先定义块名称为Z-test。再定义必要的输入输出变量，利用经过反复的设计、调试、修改，完成了符合上述运动曲线的柔性电子凸轮的设计工作。Z-test块程序设计是本项目的难点和特色。

5运动轨迹的实现技巧：

在我们编写好柔性凸轮程序文件块Z-test以后，我们就可以在MLC40中调用该FB块，从而生成所需要的凸轮曲线文件，这里定义的曲线名称为CAM0。送进轴与回转轴：其次，从IndraWorksEngineering软件提供的运动控制库中，针对送进轴和回转轴，分别调用运动控制指令块ML-FlexProfile，建立凸轮同步，来驱动回转和送进两台伺服电机，使其按照生成的柔性凸轮曲线，与主轴同步，去实现所需的运动。例如，送进轴RA1，主轴EA1，如下图。当系统投入生产时或在生产过程中，我们可以直接在系统配置的工控机界面中通过输入前、后回转角度与送进量等参数值，灵活改变回转、送进的工作区间，得到希望的回转、送进工作模式。两台伺服电机跟随EA1轴，按照编写的凸轮曲线，实现所需的运动，非常方便适用。最后强调一点，如果需要停止跟随运动，在这里，我们使用运动控制指令MC-GearOut和MC-Stop指令一起来实现解耦和快停。以上这些使用技巧，与固定凸轮曲线的运用实现方法是有所不同的。需要注意。

6结束语

本项目是作者设计过的高精度回转送进伺服冷轧管机中，满足客户需求，实现难度较大的一个项目。该项目经过五年多的生产实际运行，证明控制系统稳定可靠，柔性凸轮设计有效可行。同时，通过该项目的实施小结，举一反三，在类似有这方面要求的其他项目的应用中，对如何去设计柔性电子凸轮，并去实现其运动轨迹。相信会给同行们提供一定的技术参考。当然，可能还有很多没有注意到的细节，需要我们去进一步挖掘、开发和完善。

作者：彭泽丰 孙志刚 a单位：广东冠邦科技有限公司