基于DSP三伺服包装机电子凸轮控制系统的研究与应用

1 引言

      凸轮机构广泛应用在各种自动机械和自动控制装置中,它能将旋转运动转换为预期的间歇直线往复运动或往复摆动等。从理论上讲,只要适当的设计出凸轮的轮廓曲 线, 就可以使推杆得到各种预期的运动规律,而且结构简单紧凑。但凸轮机构在实际应用中也存在着很多局限性:

（1）凸轮机构属于高副点线接触，存在较大的接触应力，无法传递较大的功率；加之凸轮在工作过程中高速运行，所以凸轮磨损快，长时间使用会使从动件的运动失真，因而不能用在那些有高的重复精度要求的场合。

（2）一个凸轮只能实现一种预定的运动规律, 输出运动缺乏柔性,当从动件运动规律改变时,凸轮的生产工艺就需要重新调整或彻底更换^[1]。

（3）机械结构复杂，对机械安装人员的要求高，生产成本高，维修调试不方便。

（4）凸轮机构传动过程中存在较大噪音。

2 电子凸轮含义及优点

2.1电子凸轮含义

      随着科技进步和数字伺服技术的出现，在传动及控制系统中我们可以利用电子凸轮代替传统的机械凸轮实现各种复杂的往复运动。电子凸轮是以伺服控制技术为基础，并结合先进的微处理器，通过数字化系统实现模拟机械凸轮的功能^[2]。

2.2电子凸轮的优点

（1）电子凸轮系统没有机械凸轮的惯性力、弹性变形、刚性冲击等因素，故响应速度快，能适合高速运动的传动装置。

（2）电子凸轮不存在磨损, 凸轮曲线形状不会改变, 因而从动件重复实现预期运动的精度高、稳定性好^[3]。

（3）可以方便的更改运动曲线，只要更改相应的运动参数就可以实现不同的运动曲线，大大降低生产安装成本。

（4）传动平稳，机械振动小，噪音低。

3 基于DSP的电子凸轮控制系统

      本文中使用Motorola DSP（Digital Singal Processing 数字信号处理） 56F807芯片为处理器协调伺服驱动器和伺服电机实现电子凸轮的控制系统设计；此DSP芯片在80MHz时钟频率下，每秒可处理40×106 条指令，有定时器模块、相位检测模块、PWM输出等功能模块，并具有丰富的外围接口，足够满足电子凸轮的各种曲线需求。

3.1电子凸轮的DSP控制

      本文的电子凸轮是通过DSP的相位检测模块不断读取主轴伺服电机的位置，根据主轴位置计算出从轴相对应的速度和位置实现主从轴凸轮曲线对应关系。伺服电机 的功能是将电脉冲信号变换成相应的角位移，即给1个电脉冲信号，电机将转过1个固定的角度(可通过设置伺服电机轴分辨率来实现固定角度)。由于伺服电机的 角位移与输入脉冲成比例，调整DSP发出的电脉冲频率，就可以对伺服电机进行调速^[4]。

3.2电子凸轮的实现步骤

（1）确定主从轴的速度曲线对应关系。

（2）将一个周期内从动轴的位移分段，根据主从轴速度曲线对应关系确定每段位移内从轴的速度。

（3）将每段位移量转化为伺服电机的脉冲数。

（4）根据从轴的速度要求计算出DSP所需要的电脉冲频率。

（5）将上面计算得到的电脉冲频率作为DSP的PWM模块的模值输出即可控制伺服电机的转速，实现电子凸轮功能。

4 基于DSP的电子凸轮控制系统的应用

本文以三伺服自动包装机为例介绍基于DSP的电子凸轮的具体应用。如图1所示为新型三伺服自动包装机工作原理图。

      从图中看到，该机横封切断辊刀、包装膜轴和卸料传送带、送料拨叉轴分别由单独的伺服电机作为动力该机集自动送料、包装物品、封口、切断于一体，是一种高效 率的连续式的包装机。其控制的重点和难点在于三轴的位置及速度同步以及凸轮运动的实现。位置同步是：横封的切割点必须在塑料膜的色标点内，且保证横封不能 切到物料；速度同步：是横封刀切割时的速度与此时塑料膜的速度以及物料速度要相等；凸轮运动是：由于包装的袋长在一定范围内是可变的，横封刀旋转1周所经 过的距离一般不等于袋长，这就要求横封在一定时间内要完成由同步速度到变速再到同步速度的凸轮运动过程。



图1三伺服自动包装机工作原理图

      以包装膜轴为主轴，横封刀轴为从轴，它们的速度曲线根据袋长与横封刀的周长有三种关系：

（1）横封刀周长大于一个袋长

（2）横封刀周长小于一个袋长

（3）横封刀周长等于于一个袋长

下面以横封刀周长大于一个袋长为例进行计算。横封刀周长大于一个袋长的

速度曲线如图2：其中t1与t2之间为速度同步段；t3为横封刀切割时刻。



图2 横封刀周长大于一个袋长时速度时间图



      将上面计算得到的电脉冲频率作为DSP的PWM模块的模值，通过控制模值数来对伺服电机进行调速，实现横封刀轴与膜轴的速度曲线。

5结束语
      本文介绍了基于DSP的电子凸轮控制系统及其实现方法，以三伺服自动包装机为例说明电子凸轮算法的具体实现。三伺服自动包装机控制系统使用电子凸轮后有一下优势：

（1）使包装机的机械结构大大简化，传动部分直接链条或同步带传动，省

去了机械凸轮结构，减轻机器的重量，减小机装部分。
（2）刀膜速度比例可以用电子比例方式设定，以满足不同需要。

（3）可以实现防空包、防切料、不停机功能。

（4）包装机的操作更方便，用户只需设定袋长、切断偏移位置和停刀角度就可以起动调速运行。

参考文献

[1]王程,贺炜.基于单片机的电子凸轮系统研究[J].机械设计与制造,2006(11): 4-6.

[2]张阁,邹蕙君,姚燕安,郭为忠.电子凸轮的概念与设计[J].机械设计与研究,2000年增刊 89-91.

[3]王安敏,鹿虎基于C8051 单片机的电子凸轮实现[J].机械传动,2010(10):85-87.

[4]于镭,常军,黄存柱.基于DSP的自动装机控制系统的软件设计[J].微型计算机与应用,2010,(1).

作者简介：

于镭（1969-），男，汉，副教授，青岛科技大学，硕士生导师，研究方向为视觉机器人，数字伺服系统

卫光（1983-），男，汉，青岛科技大学,硕士研究生，研究方向为运动控制系统，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