电子凸轮实现自动包装机的传控系统的优化研究.doc

摘 要摘要本文以电子凸轮机构为研究对象，进行了理论和应用研究。本文介绍了自动包装机的发展趋势、分类及工作原理；阐述了电子凸轮机构的定义、优点、构成及其研究现状。并根据对机械凸轮机构的运动规律和电子凸轮执行机构的分析和研究，建立了电子凸轮机构的运动控制函数。采用单片机控制步进电机或伺服马达作为电子凸轮的执行机构，并根据步进电机的控制方式，推导出了单片机控制步进电机变速运动的方法定步法，在此基础上，编制了电子凸轮运动控制程序，使电子凸轮系统应用到分度机构中时，可以自由的选择输出曲线的形式、分度数、运行转速，从而实现输出运动的可控性。根据电子凸轮机构的运动控制原理和自动包装机的控制原理，简要介绍了电子凸轮设计的内容和步骤。为了克服机械凸轮的不足和凸显电子凸轮的优越性，从而明确电子凸轮实现对自动包装机传控系统进行优化的可行性。本文还详细介绍了电子凸轮取代机械凸轮在自动包装机上的四种具体应用。从而了解到可以一套电子凸轮系统输出多种凸轮运动曲线，实现输出运动的柔性化，大大提高了包装的生产效率，使得包装机械得到了空前的发展。关键词 单片机；步进电机；伺服马达；电子凸轮；凸轮曲线；自动包装机abstractabstracttheorical and applied research on electronic cam mechanism is conducted in this thesis.this thesis introduces the development trend of automatic packaging machine, and describes the classification and working principle of automatic packaging machine too. in this thesis, the definition, advantages, constitution and studying status of the electronic cam mechanism are given. and in accordance with the analysis and studying about the movement discipline of mechanical cam and electronic cam actuator, electronic cam control function is also established. a stepping motor or a servo motor controlled by the single-chip microcomputer works as implementation mechanism of the electronic cam. according to the stepping motor control mode, i deduce the method of the single-chip microcomputer how to control the step-motor, which is called “given-step method”. on this basis, the control software of the electronic cam mechanism is programmed, which enables the electronic cam free to choose the form, number of divisions and running rpm and then enables the electronic cam to achieve the control of output movement, when the electronic cam be applied to dividing mechanism.according to motion control principle of electronic cam and control principle of automatic packaging machine, this thesis briefly introduces the content and steps of electronic cam design. to overcome the defaults of mechanical cam and to stood out the advantages of electronic cam, and then to clear that the feasibility of electronic cam realizes to optimize the control system of automatic packaging machine. additionally, this thesis also introduces four specific applications of electronic cam which replaces mechanical cam working on automatic packaging machine in detail. thus learned that a variety of cam curves can be acquired from a set of electronic cam system and flexible output motion can be also realized, at the same time, it greatly improves the production efficiency of packaging and makes a unprecedented development to packaging machinery.keywords single-chip microcomputer step-motor servo motor electronic cam cam curves automatic packaging 目 录目录摘要iabstractii1绪论11.1引言11.2自动包装机概况21.2.1自动包装机的发展趋势21.2.2自动包装机的分类31.2.3自动包装机的工作原理31.3电子凸轮简介51.3.1电子凸轮的概念51.3.2电子凸轮的构成61.3.3电子凸轮的优点71.3.4电子凸轮的研究现状和发展趋势81.4课题的研究内容92电子凸轮机构的运动分析102.1引言102.2凸轮机构的运动规律102.2.1运动参数无因次化112.3步进电机的控制方式142.4电子凸轮运动控制函数152.4.1电机运动控制函数152.4.2电子凸轮运动控制函数172.5电子凸轮机构的控制原理182.5.1步进电机的定步法控制182.6程序设计解析192.7本章小结223电子凸轮的设计233.1引言233.2电子凸轮系统的设计233.2.1电子凸轮控制器硬件设计233.2.2电子凸轮控制程序编制243.2.3电子凸轮执行机构选择253.3电子凸轮设计实例263.3.1轨迹形成分析263.3.2焊缝位置控制的数学模型263.3.3焊缝位置电子凸轮控制方案的实现283.4本章小结304电子凸轮实现自动包装机传控系统的优化的实际应用314.1引言314.2电子伺服供料机314.3电子配时系统334.4电子伺服分料器344.5电子拨瓶机364.6本章小结375结论与展望385.1 全文总结385.2 展望38参考文献39致谢411绪论1绪论1.1 引言随着包装和印刷业的迅猛发展，对包装及印刷产品的品质和规模的要求也越来越高，使得包装和印刷工业的设备日渐趋向自动化。无论是大幅度降低成本，或是增加产量，建立灵活、快捷、完善的开发、生产和销售体系是企业面临的直接挑战。而拥有一个运动定位控制、自动过程控制、在线和离线的故障检测、以及灵活便利的网络通讯等功能的开放式传动控制系统的设备，无论对包装和印刷企业或是设备供应商来说都是非常重要的。因为只要稍稍提高一下设备的传动控制系统的自动化程度便可大大提高产品的品质和产量。而各种形式的机械凸轮机构是许多自动包装机中的常用传控机构，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。机械凸轮机构从理论上讲，只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使从动件得到各种预期的运动规律。但是机械凸轮机构在实际中存在着很大的局限性：(1)机械凸轮机构各部件的制造和装配误差的调整比较困难，费时、费力。(2)机械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。(3)机械凸轮机构还存在压力角过大的问题，为获得较好的传力特性，只能增大凸轮的基圆半径，使凸轮体积增大，但这又将造成机构的紧凑性下降。(4)一个机械凸轮机构只能固定实现一种预定的运动规律。若从动件的运动规律随工作对象的变化需要改变时，那么凸轮的生产工艺、类型和尺寸就需要重新调整或者彻底更换。(5)机械凸轮的数量也受到机器尺寸及复杂程度的限制。如果要求在进行多工位机械传动的同时，还要在相应的位置驱动执行元件产生动作并进行监控，比如我们要求机器在高速运转过程中，每当它转过某一角度时，既要使相应的机械结构按预定的运动规律产生动作，同时还要驱动若干汽缸动作，而且在从这一角度开始的某个区间内还要检测某个光电开关的信号是否存在，这样的功能单靠机械凸轮来实现将非常困难甚至根本无法实现。为了解决这些问题，本研究决定采用电子凸轮代替机械凸轮在自动包装机中的传动控制作用，从而达到优化自动包装机的传控系统的目的。在这种应用情况下，事先将不同的凸轮运动曲线存储在控制器的内存中，根据不同的工况需求随时调用所需要的运动曲线而得到最佳的运动控制，其具体框图如图1。凸轮曲线存储器prom带有i/o的微处理器和凸轮程序d/a转换装置执行机构控制器执行机构图1 电子凸轮机构系统框图1.2 自动包装机概况1.2.1自动包装机的发展趋势当今自动包装机，尤其是调料品、休闲食品和医药自动包装机，自动完成计量、制袋、充填、封合、打印批号、切断及计数等全部工作，具有高速、成套、自动化程度高和可靠性好等特点，也是目前自动包装机发展趋势走向。也就是说多功能，技术含量高、可靠性强，成套供应能力强这三个方面仍为自动包装机的发展趋势，也就是所谓的“铁三角”。(1) 多功能同一台颗粒类自动包装机设备，可进行颗粒类：冲剂类及水丸类药品、糖、咖啡、果珍、茶、味精、盐、干燥剂、种子等细颗粒物。包装材料选材多种，比如：纸/聚乙烯，玻璃纸/聚乙烯，聚丙烯/聚乙烯，聚酯/铝箔/聚乙烯，聚酯/镀铝/聚乙烯，尼龙/聚乙烯，聚酯/聚乙烯等复合材料。速度、高产量颗粒自动包装机的包装速度最高达100袋分，郑州星火包装机械公司、江苏群杰、广州澳特，其颗粒自动包装机的包装速度分别达到每小时3900包、4200包、4000包。其计量范围在250ml、20100ml等等。(2) 技术含量高、可靠性强全线的自控水平和全线效率高。在线检测装置和计量装置配套完备，能自动检测各项参数，计量精确。集机、电、气、光、磁为一体，相关领域技术相结合的高新技术产品不断涌现。(3) 成套供应能力强如一条颗粒调料品包装线，由微电脑件、控制软件、包装封口配套组合，现实生产力与理论科技相结合。供货商可以为用户提供工程设计、安装、调试，最后交用户验收。比如：郑州星火包装机械设计是将普遍使用仿真设计技术把各种机器单元以数据库形式存入计算机，把图纸数字化后输入计算机，再把实际生产的指标和数据、可能发生的故障等输入计算机，再由工程师依照实际工作情况进行操作，演示出生产能力、废品率、生产环节匹配、生产线包装材料在何处等，还可根据用户意见进行修改模型直到用户满意。当前自动包装机技术在食品、医药包装上的开发、设计和制造过程中广泛应用。自动包装机的发展趋势是不断提高单机的自动化程度，改善整条包装生产线的自动化控制水平、生产能力，可以大大改善食品医药包装生产设备产品的质量，提高其市场竞争能力。1.2.2自动包装机的分类自动包装机的种类繁多，分类方法很多。从不同的观点出发可有多种，按产品状态分，有液体、块状、散粒体自动包装机；按包装作用分，有内包装、外包装自动包装机；按包装行业分，有食品、日用化工、纺织品等自动包装机；按包装工位分，有单工位、多工位自动包装机等。1.2.3自动包装机的工作原理如图2所示为安瓿瓶注射液的定量装料灌注装置系统。定量装料灌注用柱塞泵缸体11通过止逆阀13分别由进液管连通贮液箱，由排注管连通灌注嘴12。柱塞泵作装料灌注工作时，柱塞10的工作运动是由等速运转的凸轮1推动摆杆2作摆转，位于摆杆2弧形槽中的滚子4带动主动杆5，主动杆5通过箱体6内电磁铁操控的离合垫块7驱动推动杆8，使杠杆9推动而实现。装着电磁铁的箱体6与推动杆8是固联接，柱塞泵柱塞的回程运动由弹簧的压缩蓄能反力，以及受推动杆8、电磁1凸轮 2摆杆 3调节螺栓 4滚子 5主动杆 6箱体 7离合体 8推动杆 9杠杆 10柱塞 11缸体 12灌注嘴 13止逆阀图2 液体强制灌注装置原理图铁离合块7和箱体6等零部件在重力作用下的牵拉而实现。电磁铁受控于设置在装料工位处用于检测有无安瓿瓶送达的检测装置。检测装置可用如图3所示的机电式检测装置。齿槽式直线步进输送机接受从安瓿瓶贮存盘中送出的安瓿瓶4，并沿固定槽板5上的齿槽向前送进，检测装置对其上装料灌注工位有无安瓿瓶作检测。检测装置为凸轮控制的机械杠杆机构，杠杆2上装有检测杆3和电开关触点6。当凸轮作用于杠杆2时，检测杆3向外摆，离开步进输送机的固定槽板5，输送机作步进输送，将安瓿瓶从固定槽板5上的原有位置依次向前输送一个步距。凸轮转过之后，在弹簧作用下，杠杆2往回摆，检测杆3向固定槽板方向运动作检测。若固定槽板5上装料工位有安瓿瓶送达，检测杆受瓶阻挡，电触点开关不会闭合。图2中电磁铁线圈电路未被接通，离合垫块处在图示位置，凸轮1推动杠杆2，主动杆5通过离合垫块7驱动推动杆8运动，使柱塞作压料灌注运行，压注液料装入瓶中。若装料工位上没有瓶送达，则检测杆将继续向前行进，电触点开关6闭合，接通图2中电磁铁线圈电路，电磁铁吸着离合垫块7向左移，撤离开主动杆和推动杆之间，凸轮1推动摆杆2时，主动杆5作空运行，柱塞10不作压料灌注运动，即不排出液料。调整调节螺栓3的位置能改变摆杆2的摆动量，从而可改变灌注量。1凸轮 2杠杆 3检测杆 4安瓿瓶 5固定槽板 6电触点图3 机电式检测传感装置1.3电子凸轮简介1.3.1电子凸轮的概念文献1,2,22简要地提出了电子凸轮的概念，即一套数字控制系统在没有传统机械凸轮存在的情况下，通过编制控制程序，让该数控系统精密的模拟凸轮工作曲线，而完成相应的机械动作,即由一套数字控制系统实现了凸轮机构的运动规律。电子凸轮与机械凸轮的比较示意图可如图4所示，在b中，所示的数控系统可以实现a所示的机械凸轮的从动件的运动规律，b中从动件通过驱动装置(如步进电机、伺服电机等)直接驱动而实现上下运动，而驱动装置是由plc控制系统控制的，由plc控制的驱动装置的输出运动曲线是某一凸轮运动曲线，所以该数控系统中的从动件可以与a中的从动件一样实现凸轮从动件的预期运动。由于不存在机械凸轮，各种机械运动可协调工作在最理想的状态，作用力方向与运动方向一致，因而也就不存在压力角的问题，使效率大大提高。采用计算机或plc控制使输出运动的轨迹、速度及加速度可随意控制，如要改变运动规律，只需改变相应的控制数据。在特殊的情图4(a) 机械凸轮机构示意图图4(b) 电子凸轮机构示意图图4 电子凸轮系统和机械凸轮系统况下，甚至可以根据当前被加工物体的运动规律来修改数控凸轮的运动轨迹3。1.3.2电子凸轮的构成电子凸轮由硬件和软件两部分组成。硬件由微机、轴位置编码器、d/a转换器和执行机构组成。微机采用单片机、plc或者pmac等作为凸轮控制器，轴位置编码器用于检测输出轴的角度，如果采用伺服电机作为执行部件，则编码器将检测到的转角反馈回控制器，对转角进行校正，由此达到高精度的转角输出，而执行机构则采用伺服电机或者步进电机，软件产生凸轮从动件运动规律的算法。电子凸轮机构根据应用场合的不同，其系统组成也可以分为以下三种1：(1)慢速高精度这种机构可采用步进电机带动精密丝杆，使步进电机的转动转变为直线运动，适合于控制自动机一类的刀具自动进给，由于进给运动功率很小，小型步进电机足以胜任工作。(2)高速低精度这种机构对行程的精度要求不高，但在速度上有一定要求。可采用齿轮齿条传动方式，适合于像数控切纸机一类的机械。由于速度较高，又有一定的作用力，故需采用较大功率的步进电机，同时要注意消除齿侧间隙，以免在反向时造成较大的冲击。(3)分度凸轮机构模拟步进电机与减速器相结合，可模拟分度凸轮运动规律，该机构可在360度的平面上实现任意角度的位移、任意角速度及角加速度的运行，成为具有数控功能的分度工作台，其功能也超出了机械凸轮机构的应用范围。1.3.3电子凸轮的优点在自动包装机中，用图4(b)所示的电子凸轮机构替代图4(a)所示的机械凸轮机构，可使自动包装机的传控系统得到优化。因为电子凸轮较机械凸轮而言,具有如下优点：(1)凸轮轮廓曲线是存储在计算机中，电子凸轮系统不存在磨损，因而从动件重复实现预期运动的精度高、稳定性好。(2)电子凸轮系统可按不同从动件的运动规律选择存储器中的凸轮轮廓曲线，当输出运动改变时只需简单地改变一下数值或设定，而不需要重新加工制作新凸轮，机构的输出柔性好。(3)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。(4)生产效率高电子系统中有更多的部件可能失效而导致系统终止。尽管这样，电子系统没有机械系统那么容易损坏。即便是损坏了，电子系统修复的时间要比机械系统短得多。模块化的电子部分加速了更换时间，因为是可编程的，所以可以从计算机上下载指令，可以轻松的配置。电子凸轮系统的更换时间在分钟这一级，而相比之下，机械凸轮在小时、天这一级。电子凸轮的特点是不管是在伸展还是在收缩时，能全面控制驱动器运动，在机械凸轮系统中，从动件的回归速度受到系统的回复弹簧和动态特性的限制，巨大的弹簧能保证快速回复，但由于压缩过程中要克服弹簧力，需要较大的功率，比较会产生问题。如果凸轮在主轴的下部，扭转变形的可能性需要很大的主轴来维持同步。(5)安全电子凸轮系统结合了保护机械免于失效的机制。伺服传动部分的失效能够用监督的微处理器检测出来，然后顺序关闭；如果微处理器失效，预置的信号不能发送到监视计时器电路，系统也将会关闭。电子系统中，使马达停止的应急方法是动态制动。在伺服系统中，马达在急停时停止速度更快。在这种情况下，伺服系统提供一个负力矩，一般伺服系统终止马达需50毫秒，而动态制动仅需1秒左右。鉴于上述电子凸轮的诸多优点，对于机械凸轮机构占有很大分量的自动包装机机来说，采用电子凸轮来对传统的机械凸轮结构进行改造和优化无疑对提自动包装机的性能带来很大的帮助。1.3.4电子凸轮的研究现状和发展趋势电子凸轮的研究可追溯到20世纪50年代中后期，当时有学者提出采用控制系统取代凸轮机构，因为数字控制系统有良好的可调节性，在需要柔性生产的场合，这一优势尤为重要。例如，在驱动分度工作台时，如果需要改变分度角，用传统的凸轮分度机构是不能实现的，而利用伺服马达的所谓“电子凸轮”，只需要改变控制软件即可。又如以伺服系统控制的机器手取代凸轮式固定程序型机器手，以数控机床取代应用凸轮分配轴的自动机床等，均是这种例子。国外在电子凸轮的研究与应用方面，mike woelfel3给出了电子凸轮在包装切纸机上的一个应用实例，并分析了电子凸轮在解决机械凸轮所带来的速度、加速度的冲击方面的优点。makino4提出将智能凸轮运用于机器人机械手臂的控制，从而提高了机械手臂的速度和柔性。lesile langnu5对电子凸轮的运动控制进行了简要的论述，并且给出了电子凸轮在传送控制上的优点，电子凸轮可以根据传送的距离要求自动编程精确实现，而在传送过程中的加速、恒速、减速段，电子凸轮可以采用最合适的曲线来实现，从而改善了机构的运动性能。同时文献6也论述了电子凸轮和电子齿轮之间的关系及它们各自的应用场合。与此同时，国外一些厂家已经生产出了采用plc或者单片机作为凸轮运动控制器，用伺服电机或者步进电机为执行元件，通过编程模拟凸轮运动曲线，从而代替机械凸轮的电子凸轮机构。美国、德国、日本的一些公司已经生产出了一些型号的电子凸轮控制器，比如德国伦茨(lenze)公司生产的9300凸轮型伺服控制器(evs9300-ek)，内置电子凸轮发生器，可同时编程8条凸轮曲线，能实现复杂轮廓曲线的加工和工艺的快速改变7。电子凸轮的研究和应用在国内不是很深入。文献1,22对于电子凸轮这一概念做了一般性的表述，而对电子凸轮的设计及实际应用研究没有进行深入具体的论述。李瑞琴、邹慧君在文献8中将电子凸轮归为可控机构一类，对电子凸轮的优点做了总结。文献9针对船舶和港口自动化设备，研制了一种基于可编程序控制器的电子凸轮。该电子凸轮的控制是用omr0n的c40p可编程逻辑控制器中的高速计数器来实现的。文献10以nsd 公司生产的vs-5e 系列为例介绍电子凸轮的硬件组成、功能和主要性能参数，并给出了它在生产应用中的实例及相关的plc程序。文献11对虚拟凸轮机构的实现作了一般论述，并对该机构的应用前景进行了展望。1.4课题的研究内容基于国内对电子凸轮机构的研究现状，本文以电子凸轮机构为研究对象，设计一套电子凸轮系统，使其能够输出所期望的凸轮运动曲线，具体研究内容为：(1)建立电子凸轮机构的运动控制函数方程，根据控制原理编制控制程序。(2)建立一套电子凸轮系统。控制电子凸轮输出多种凸轮运动曲线，实现对自动包装机的传控系统的优化。对其在自动包装机中的应用进行分析与研究，进一步明确电子凸轮实现对自动包装机的传控系统进行优化的可行性。(3)对全文作总结，提出展望。2电子凸轮机构的运动分析2电子凸轮机构的运动分析2.1引言本章建立了电子凸轮机构的运动控制函数。根据控制函数，采用步进电机作为电子凸轮机构的执行机构，通过编程控制电机的运动使机构的输出具有可控性。作为一种数字伺服执行元件，步进电机具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点，广泛应用于数控机床、机器人、自动化仪表等机械中。不仅在开环伺服系统，而且在强调速度控制、位置控制的闭环以及半闭环的伺服控制系统中步进电机的应用也越来越广泛。为了实现步进电机的运动控制，较多采用的一种方案是以单片机作为控制系统的微处理器，通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出个数，实现步进电机的速度和位置定位。本文也是采用这一方案，以单片机作为控制器，实现步进电机的控制。本章将建立电子凸轮系统的运动控制函数方程。2.2凸轮机构的运动规律凸轮机构的运动规律是指凸轮机构中的从动件的运动曲线，它是由所设计的凸轮轮廓决定的。根据各种不同的工况要求，长期以来发展了几种常用的从动件曲线，从形式上分为不连续曲线和双停留对称曲线12。不连续曲线有等速度曲线、等加速度曲线和简谐运动曲线。双停留对称曲线有等跃动曲线、5次曲线、修正梯形曲线、修正正弦曲线、修正等速度曲线等。所有凸轮运动曲线都是使凸轮机构从动件产生往复、间歇性运动，只是在凸轮机构的动力学和运动学性能方面，有各自的优缺点。1969年，neklutin提出了三种在实际应用中被广泛使用的凸轮曲线，即：修正梯形曲线(mt)、修正正弦曲线(ms)、修正等速度曲线(mcv)。mt和ms曲线已被广泛应用于自动机械中的高速分度凸轮曲线设计。mt曲线具有较低的加速度峰值，适合于高速轻负荷；ms曲线由于均衡性较好，适合用于负载未知的场合，特别是重负载场合；mcv曲线适合于某些要求较小的特殊场合。作为三种常用的凸轮曲线，它们是影响凸轮机构动力学性能的因素之一，特别是在分度运动系统中，直接影响步进系统的动力学和运动学性能。在从动件运动规律研究方面，文献13建立了通用简谐梯形组合曲线方程利用该方程不仅可构造出如ms、mt、mcv等多种常用的凸轮运动曲线，且通过变换组合段长度值，可以构造出多种加速度连续、跃度连续以及在跨越点处理论碰撞速度为零的运动曲线。如图5所示，图中实线表示曲线的加速度，虚线表示越度。为升程（或分度加速）期的加速度最大值，为回程（或分度减速）期的加速度最大值。该曲线由11段组成，第3、6、9三段为恒加速度段其余八段均为不同相位正弦函数的一部分。第6段可设计为等速段，即令也可不设此段，设置此段可使组合曲线越度连续，且更具通用性与一般性。通过对每段曲线进行选取，可以组成常用的ms、mt、mcv曲线。图5 通用简谐梯形组合曲线2.2.1运动参数无因次化在凸轮机构设计中，为了衡量各种不同运动规律的运动特性，通常将运动规律采用无量纲的形式进行表达，并选取某些运动学和动力学参数作为运动规律的特性值，对不同运动规律进行分析和比较。参见图6，设由凸轮所驱动的从动件位移为， (21)设从动件从时刻开始运动，位移逐渐增大，当的时刻达到最大位移，这时无因次时间及无因次位移可定义为 (22) (23)式中 是实际时间（单位：s）为达到最大位移的时间(单位：s)无因次时间从动件无因次位移图6 凸轮运动规律无因次化表示则式(21)可改写成下式 (24)式(24)称为无因次化的从动件位移曲线。且有时 时 (25)将式(24)对微分可得无因次速度为 (26) (27)上述值与实际位移、速度、加速度关系如下 (28) (29) (210)对于凸轮机构的实际最大速度，最大加速度可由下式计算， (211)根据式(21)(210)可将任意凸轮运动规律转化为无因次方程形式。凸轮机构常用运动规律无因次化方程推导参见文献14。无因次化最大速度、加速度、跃度称为凸轮运动规律的特性参数。常用运动规律特性参数参见表1。表1 常用运动规律特性参数曲线名称摆 线2.006.2839.58.16修正梯形2.004.8961.48.09修正梯形1.765.5369.523.25.46修正等速度1.288.01201.467.15.73梯形摆线2.186.1777.510.84非对称修正梯形2.006.114.0796.010.116.74备 注非对称修正梯形曲线非对称度为2/32.3步进电机的控制方式在电子凸轮系统中，步进电机作为电子凸轮系统的执行机构，它的输出精度直接影响电子凸轮系统的运动精度。步进电动机又称为脉冲控制电动机，其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲信号，电动机将转动一个角度，如图7所示。脉冲分配器和功放步进电动机输出轴控制电脉冲控制电脉冲转角图7 步进电机的控制方式2电子凸轮机构的运动分析图8 步进电机的控制特性s0k0vf(a)(b)步进电动机的角位移量或线位移量与脉冲数成正比，如图8(a)所示。它的转速或线速度与脉冲频率成正比，如图8(b)所示。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小，环境条件的波动而变化，因而可适用于开环系统中做执行元件，使控制系统大为简化。步进电机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速，能够快速启动、反转和制动。它不需要变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用计算机控制。特别是近十几年来，数字技术和电子计算的迅速发展为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。由于步进电机具有高精度，没有累积误差等优点，同时它与伺服电机相比，价格更低廉，易于控制，所以可以利用步进电机作为电子凸轮系统的执行机构，由它带动从动机构实现机械凸轮机构的运动。2.4电子凸轮运动控制函数本文通过机械偏心圆盘凸轮机构的运动规律来反求出电机的运动控制函数,进而推导出电子凸轮运动控制函数。2.4.1电机运动控制函数颜鸿森等15,16发现，用微机控制的直流伺服马达使凸轮变速运动，可以改变从动件的运动学特性。在此基础上，颜鸿森提出了盘形凸轮标准化的技术设想，即在有相同升程和基圆的前提下，设计与制造出标准的盘形凸轮，再利用适当的凸轮转速变化，来改变从动件的运动特性，以符合不同的从动件的运动要求。即如果采用偏心圆盘凸轮机构，通过控制其输入运动，可以得到所期望的输出运动。可由图9表示，若已知从动件的期望运动规律，通过偏心圆盘凸轮机构的结构位置关系可以反求出电机的控制运动方程，从而得到所期望的输出运动。控制系统步进电机偏心圆盘凸轮期望运动规律图9 变速输入凸轮机构示意图设凸轮机构从动件运动规律(采用无因次化表示)为 (212) (213) (214)通过偏心圆盘凸轮机构的机构位置关系建立凸轮输入轴与从动件期望运动规律的函数关系如下 (215) (216)(217)式中 为偏心圆盘凸轮输入轴转角为偏心圆盘凸轮输入轴的角速度为偏心圆盘凸轮输入轴的角加速度偏心圆盘凸轮由步进电机驱动，其控制量为脉冲量，所以应将凸轮输入轴运动函数方程转化为电机的控制脉冲频率方程，假定步进电机与凸轮输入轴的传动比=1，由于式(215)(217)均为无因次化表示，所以只要将凸轮输入轴方程乘以一个常数量(如脉冲当量)就可得到电机的控制函数方程。步进电机每收到一个脉冲转过一个步距角，而每一步距角对应于偏心圆盘凸轮机构的一输入转角，将凸轮输入轴位移方程式(215)乘以位移当量(单位：脉冲个数/度)即可确定步进电机的位移控制函数方程。若对步进电机采用速度控制，则将凸轮输入轴的转速函数方程式(216)乘以脉冲当量即可得到电机的速度控制方程，如下 (218)式中脉冲当量由所给定的步进电机的最高运行的频率和启动频率及所期望的凸轮运动曲线形式所确定，为步进电机的启动频率。因为是一无因次化的凸轮速度曲线，而是一常量，所以，式(218)确定的曲线与凸轮机构的速度曲线是一致的，故式(218)即是凸轮机构的速度控制函数。假如已知凸轮机构从动件达到最大位移运行时间，根据式（22)可得实际运行时间与电机控制频率之间的函数方程为 (219) 2.4.2电子凸轮运动控制函数电子凸轮系统直接由控制系统控制步进电机输出凸轮曲线。它是在不使用机械凸轮机构的工况下，直接由电机驱动从动件得到凸轮运动规律，可由图10表示。由于由电机直接输出凸轮运动曲线，所以将从动件的速度运动函数方程乘以脉冲当量即可以得到步进电机的速度控制运动函数 (220)式中 为步进电机的启动频率 为脉冲当量，由所给定的步进电机的最高运行频率和启动频率及所期望的凸轮运动曲线形式所确定即为所期望的从动件速度函数 实际运行时间与电机控制频率之间的函数方程为 (221)凸轮曲线存储器控制系统步进电机凸轮运动曲线图10 电子凸轮示意图2.5电子凸轮机构的控制原理电子凸轮机构的运动控制核心是由单片机控制步进电机实现式(218)或(220)所确定的运动规律，若上式确定的运动是一变速运动，则可由步进电机的变频控制来实现电子凸轮机构的变速输入运动，从而使该机构的从动件输出运动达到所期望的运动特性。2.5.1步进电机的定步法控制该控制系统采用单片机作为控制器，其控制方法可采用定步法，具体实现如下：若式(218)所确定的曲线如图11所示，假定升速段步进电机运行的总步数为，等分总步数得，可得个无因次时间点，然后求取每个时间点所对应的值，将其转化为单片机定时器的时间常数，则形成了一个关于总步数、频率、等分数的数据表，存入单片机内存中形成控制表格，当步进电机在升降频过程中每走过步后，改变一次时间常数，输出进给脉冲，以实现定步升降频。由于在相邻的两个脉冲处，频率突跳是根据由升频曲线得到的表格查取的，因而这种频率突跳能为步进电机所接受，故定步法能较好的使步进电机不丢步运行。用定步法控制时，要求每个脉冲之间必须有一定的脉冲宽度(一般不小于5s)。图11 定步法升、降速曲线2.6程序设计解析程序设计介绍电子凸轮的控制程序编制，其程序结构如图12所示。分为在微机上进行的运算程序和单片机控制程序两部分。由于单片机对复杂函数的运算能力较差，所以单片机的控制数据表格在微机上用高级语言编写程序形成，然后写入到单片机的控制程序中。程序设计高级语言编制的运算程序单片机控制程序曲线离散运算子程序牛顿迭代子程序键盘子程序中断控制子程序图12 程序结构图运算程序包括：主程序、曲线离散运算子程序、牛顿迭代子程序、显示子程序。根据运算程序流程图13，对运算主程序做如下几点说明：1运动参数的输入包括：凸轮曲线形式；电子凸轮系统从动件的运行位移、步进电机与从动件之间的减速比，并由此转化为步进电机的运行位移(单位：步数)；步进电机的最高运行频率和启动频率；2运动参数的计算：调用曲线离散运算子程序和牛顿迭代子程序，根据2.5节所述的原理计算出单片机控制步进电机的数据表；3显示预运行曲线：将电子凸轮预运行的凸轮曲线显示出来；4将计算得到的数据表格转化为单片机定时器的定时初值表。单片机控制程序包括主程序、中断控制输出程序、键盘输入程序，报警急停子程序。键盘输入程序是在控制程序写入到单片机存储器后，可由键盘选择要求电子凸轮系统运行的凸轮运动曲线。报警急停子程序是在电子凸轮出现运行故障时使电机停止运行。开始输入运动参数调用运算子程序，得到运行总步数、数据表调用显示子程序，显示运行参数与预运行曲线将控制数据表写入到单片机中断子程序中结束图13 运算程序流程图根据图14单片机控制主程序框图，对单片机控制主程序做如下说明：主程序处于中断响应等待状态，按键中断优先级高于定时中断，在有按键时，响应按键中断，判断按下键值，如果是停机键则电子凸轮停止运行，并重新初始化系统，如果是参数输入键则等待参数输入，确认运行。单片机根据输入的凸轮曲线形式，自动调用相应的凸轮曲线定时中断程序，启动电机运行。在电机运行过程中，为保证电子凸轮运动的连续性，如果没有按键输入，则电机在完成一个分度行程后，自动进行下一个分度运动。如果要求电子凸轮运行程序存储器存储的常用凸轮曲线之外的其他曲线，则只需将单片机的控制数据表重新改写即可。开始系统初始化，等待按键是否有键按下是否为急停键调用按键显示子程序，显示电子凸轮运动曲线形式停机nyny开中断子程序输出是否走完运行步数停机ny图14 单片机控制主程序框图根据图15电子凸轮机构变速中断子程序，对定时中断子程序做如下说明：单片机每响应定时中断一次发一驱动脉冲使步进电机转过一个角度，而每次中断定时器的定时初值都是通过查表子程序在控制数据表格中查取。电子凸轮在一个行程中一般包括加速，恒速，减速三个阶段，但是对于ms、mt曲线，没有恒速过程，则在完成加速后自动转入减速阶段。每次中断过程中都判断运行总步数是否为零，如果为零则电子凸轮完成一次行程，如果没有停机键按下，程序则转入主程序重新开始下一次运动行程。中断服务程序改变p1.0状态保护现场位移越界停机报警y加速过程总加速步数减一级步数减一级步数=0？加速一级，计算该级步数y加速步数=0？y指针指向恒速段重新装定时常数返回主程序nnny恒速过程总恒速步数减一恒速步数=0？指针指向减速段减速一级，计算级步数nnyy总的减速步数减一级步数减一级步数=0？减速一级，计算该级步数减步数=0？进入下一运动行程nynyn图15电子凸轮机构变速中断子程序2.7本章小结本章首先介绍了凸轮机构从动件常用运动曲线的形式，提出凸轮运动曲线是电子凸轮机构研究的基础。建立了电子凸轮系统的控制函数方程。并根据步进电机的控制方式，推导出了单片机控制步进电机变速运动的方法定步法，在此基础上编制了电子凸轮的运动控制程序，使电子凸轮应用到分度机构中时，可以自由的选择输出曲线的形式、分度数、运行转速，从而实现输出运动的可控性。3电子凸轮的设计3电子凸轮的设计3.1引言基于第2章提出的电子凸轮机构控制原理，本章建立了一套电子凸轮系统，可以通过改变电机的控制程序，输出多种凸轮运动曲线。将电子凸轮应用到分度机构中时，可以自由的选择运动曲线的形式、分度数、运动转速。3.2电子凸轮系统的设计电子凸轮系统的设计包括控制器硬件电路的设计、控制程序的编制和执行机构的选择三部分。3.2.1电子凸轮控制器硬件设计采用80c196kb型单片机作为电子凸轮的控制芯片，它运行速度快，拥有16位的定时器/计数器。高速输入hsi口，适合电机的实时速度检测，高速输出hso口，适合于步进电机的脉冲控制。该单片机自身程序存储容量较大，同时为了得到更大的存储容量，单片机外围扩展两片eprom27512程序存储芯片，可以存储多种常用凸轮曲线的数据控制表。同时由可编程芯片8255扩展16个按键和4个led显示器。键盘用于电子凸轮运动曲线形式的输入和启动或停止电机。led显示器用于显示运动参数。由单片机组成的电子凸轮控制器电路原理图如图16所示。驱动器u4 2751280c196kb74hc979译码器p2时钟电路复位电路p2825555555012345689abcde7f驱动器u4 2751280c