1、收稿日期 : 2012 06 14作者简介 : 卫光(1983 )，男，汉，硕士，研究方向为运动控制系统，智能控制，通信地址:266042 山东青岛市郑州路53 号青岛科技大学(四方校区)自动化学院，E-mail:weiguang1982126 com。应用技术三伺服枕式包装机电子凸轮控制系统的研究与应用卫 光 ， 郭 坤(青岛科技大学自主导航与智能控制研究所，山东青岛266042)摘要 : 介绍了电子凸轮的含义及优点;基于 Motorola DSP 的电子凸轮控制系统及实现步骤，以三伺服枕式包装机为例介绍了电子凸轮控制算法的运用;通过实际应用达到了设计要求，取得了良好效果。关键词 : 电子凸
2、轮;三伺服枕式包装机;控制系统中图分类号 : TB48603;TP302 文献标识码 : B 文章编号 : 1005 1295(2012)06 0057 03doi: 103969/j issn1005 1295201206015The Research and Implementation of Electronic Cam of Three-servo Pillow Packaging MachineWEI Guang， GUO Kun( Autonomous Navigation and Intelligent Control Institute， Qingdao University
3、ofScience and Technology， Qingdao 266042， China)Abstract: The paper introduces the meaning and advantages of the electronic cam and electronic cam con-trol system and implementation steps based on Motorola DSP; Takes three-servo pillow packaging machine forexample to introduce the control algorithm
4、of electronic cam; At last the machine meets the design requirementand achieves good resultKey words: electronic cam; three-servo pillow packaging machine; control system0 引言传统枕式包装机为了实现横封刀轴与膜轴的同步切膜运动 ， 大多运用机械凸轮机构 ， 因为凸轮机构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 。但是凸轮机构在包装机的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
5、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 ， 因而不能用在那些对重复精度要求高的的场合 。( 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 ， 装配精度要求高 ， 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声 。1 电子凸轮含义及优点11 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
6、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 3。75三伺服枕式包装机电子凸轮控制系统的研究与应用 卫光 ， 郭坤12 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 、刚性冲击等缺陷 ， 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 4; ( 3) 可以方便地更改运动曲线 ， 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 ， 噪声低
7、 。2 基于 DSP 的电子凸轮控制系统使用 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 。21 电子凸轮的 DSP 控制电子凸轮通过 DSP 的相位检测模块不断读取主轴伺服电机的位置和速度 ， 根据主轴位置和速度计算出从轴相对应的速度和位置实现主从轴凸轮曲线对
8、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 5 7。22 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
9、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 。3 基于 DSP 的电子凸轮控制系统的应用以三伺服枕式包装机为例介绍基于 DSP 的电子凸轮的具体应用 。如图 1 所示为新型三伺服枕式包装机工作原理图 。图 1 三伺服枕式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 、封口 、切断于一体 ， 是一种高效率的连续式包装机 。其控制的85包装与食品机械 2012 年第 30 卷第 6 期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 : 横封的切
10、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 : 横封刀切割时的速度与此时塑料膜的速度以及送料速度要相等 ; 凸轮运动 : 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 8。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 3 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
11、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的速度 时间图电脉冲频率为 :f = nZ w2=nL2LN60R=nZLN120R式中 N自动包装机速度包 /minL袋长 /mmC横封刀宽度 /mm，( L C )R横封刀半径 /mmn机械传动比w横封刀角速度 w= LN/60RZ伺服电机编码器分辨率根据主从轴速度曲线可知电子凸轮推程和回程分别做等加速运动和等减速运动 ， 加速度的绝对值相等且二者用时相等 ， 故此时推程对应的电脉冲频率关系式为 :f推= nZ Vt2R=nZ2RLN60+( )LN218002( )R L( )L C2
12、( )t同理 ， 可推导出回程对应的电脉冲频率 f 关系式为 :f回= nZ Vt2R=nZ2RLN602( )R C( )L C( )LN218002( )R L( )L C2t 30( )L C( )LN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 。4 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 ， 以三伺服枕式包装机为例说明电子凸轮算法的具体实现 。三伺服枕式包装机控制系统使用电子凸轮后有以下优势 :( 1) 使包装机的机械结构大大简化 ， 传动部分直接使用链条或同步带传动 ，
13、省去了机械凸轮结构 ， 减轻机器的重量 ， 减少机装部分 。( 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) 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， 44( 11) : 4 6 2 张阁 ， 邹蕙君 ， 姚燕安 ， 等 电子凸轮的概念与设计 J 机械设计与研究 ， 2000( S) : 89 91 3 韩占华 ， 郭飞 自动化在包装机械中的应用与展望 J 包装与食品机械 ， 2
14、011， 29( 3) : 49 52 4 王安敏 ， 鹿虎 基于 C8051 单片机的电子凸轮实现 J 机械传动 ， 2010， 34( 10) : 85 87 5 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 微型机与应用 ， 2010， 28( 1) : 3 5 6 刘昌领 ， 陈建议 ， 李清华 ， 等 基于 ANSYS 的六缸压缩机曲轴模态分析及谐响应分析 J 流体机械 ，2012， 40( 8) : 17 21， 26 7 杨益清 ， 董金善 ， 李军花 ， 等 基于 ANSYS 的釜式重沸器斜锥壳的可靠性分析设计 J 压力容器 ， 2012， 29( 9) : 39 42 8 于镭 ， 卫光 三伺服枕式包装机电子防切功能及控制算法实现 J 包装与食品机械 ， 2012， 30( 3) : 63 6595三伺服枕式包装机电子凸轮控制系统的研究与应用 卫光 ， 郭坤
