畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-包裝機(jī)三軸同步控制算法研究

1、好文檔1 緒 論1.1課題研究的背景和意義 隨著社會(huì)的發(fā)展、生活水平的提高，人民對(duì)商品包裝提出了更高的要求。與人民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)的生活日用品、營(yíng)養(yǎng)食品、藥品，種子、化肥、農(nóng)藥、化工原料等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用品，都需要精確的定量包裝。這些物料如果用手工進(jìn)行包裝，其勞動(dòng)強(qiáng)度大，速度慢，效益和質(zhì)量差;而食品、藥品類若采用手工包裝不能滿足衛(wèi)生要求。因此，需采用自動(dòng)包裝機(jī)來(lái)完成這些工作。包裝機(jī)械是現(xiàn)代包裝工業(yè)的基本設(shè)備，是商品生產(chǎn)中必不可少的關(guān)鍵性技術(shù)設(shè)備。隨著人類社會(huì)的進(jìn)步，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越重視包裝的質(zhì)量、品種類型，包裝機(jī)械在包裝領(lǐng)域中起著重要的作用。包裝機(jī)械是使產(chǎn)品包

2、裝實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化的根本保證。它能夠大幅度地提高生產(chǎn)效率;降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件;保護(hù)環(huán)境，節(jié)約原材料，降低產(chǎn)品成本;有利于被包裝產(chǎn)品的衛(wèi)生，提高產(chǎn)品包裝質(zhì)量，增強(qiáng)市場(chǎng)銷售的競(jìng)爭(zhēng)力;由于包裝機(jī)械的計(jì)量精度高，產(chǎn)品包裝的外形美觀、整齊、一、封口嚴(yán)密，提高了產(chǎn)品包裝的質(zhì)量，增強(qiáng)了產(chǎn)品銷售的競(jìng)爭(zhēng)力，可獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益;延長(zhǎng)產(chǎn)品的保質(zhì)期，方便產(chǎn)品的流通。包裝機(jī)械保證包裝產(chǎn)品質(zhì)量高、生產(chǎn)效率高、品種多、生產(chǎn)環(huán)境好、生產(chǎn)成本低、環(huán)境污染小，因而獲得較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，帶來(lái)巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。自動(dòng)包裝機(jī)被堪稱為擁有漫長(zhǎng)發(fā)展歷史和富有強(qiáng)大生命力的主導(dǎo)機(jī)型。現(xiàn)已被各國(guó)視為前景較好的包裝機(jī)械。由于現(xiàn)

3、有國(guó)產(chǎn)袋成型自動(dòng)包裝機(jī)存在的軟硬件問(wèn)題，并且缺少相應(yīng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)理論，所以對(duì)其進(jìn)行研究改進(jìn)是非常有意義的。包裝容器的制袋一充填一封口，是包裝工藝中必須的工序。充填的精確影響到廠家經(jīng)濟(jì)效益;封口的好壞則影響包裝產(chǎn)品的外觀質(zhì)量和保質(zhì)期。因此，包裝質(zhì)量在很大程度上取決于袋長(zhǎng)的精確控制以及封口質(zhì)量，所以封口機(jī)構(gòu)及其控制的研究改進(jìn)對(duì)提高制袋質(zhì)量有著重要的意義，本研究對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)了解的基礎(chǔ)上，針對(duì)縱封、橫封的封口形式完成了對(duì)薄膜輸送系統(tǒng)等關(guān)鍵部分軟硬件設(shè)計(jì)，其在實(shí)際生產(chǎn)中也具有十分重要的指導(dǎo)意義.1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀為滿足現(xiàn)代商品包裝多樣化的要求，目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)始不斷發(fā)展適應(yīng)多品種、小批量的通用包裝機(jī)械和設(shè)備，

4、從而使得包裝機(jī)械的形式日趨增多。袋成型自動(dòng)包裝機(jī)是將具有熱塑特性的塑料復(fù)合膜經(jīng)加熱軟化制成包裝容器，在一臺(tái)設(shè)備上自動(dòng)完成制袋成型、計(jì)量充填、封合剪切等全過(guò)程的自動(dòng)包裝設(shè)備。按包裝物料的不同，可分為如下的幾類:(1)粉粒料包裝設(shè)備。如小袋奶粉、咖啡等物料的包裝。(2)流體、半流體粘稠類包裝設(shè)備。如調(diào)味品、醬類、油脂類等物料的包裝。(3)定型類包裝設(shè)備。由于固體定型類物料的大小及形狀差異頗大，所以需根據(jù)不同的物料，采用不同的充填形式，或采用電子稱量機(jī)計(jì)量。1.2.1國(guó)外袋成型包裝機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外袋成型包裝機(jī)發(fā)展全面，優(yōu)勢(shì)明顯，主要特點(diǎn)有:l、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、模組化。用一臺(tái)包裝機(jī)完成對(duì)不同物料的包裝時(shí)

5、，利用原有機(jī)型的模組化設(shè)計(jì)可在短時(shí)間內(nèi)迅速進(jìn)行規(guī)格更換或轉(zhuǎn)換為其它包裝形式的機(jī)型，并為不同的計(jì)量系統(tǒng)提供了足夠的空間。如利用枕型包裝機(jī)稍加調(diào)整就可實(shí)現(xiàn)三角袋的包裝。2、包裝速度高速化。目前，國(guó)外的小袋包裝機(jī)單列包裝速度一般為3080袋/分，近些年來(lái)很多公司推出的多列式包裝機(jī)(從2列到10列)可使包裝速度大大提高。如意大利ILAPAK公司的300和400系列枕型包裝機(jī)，計(jì)量范圍1504509，包裝速度120袋/分;日本橫濱電機(jī)制作所的YDE一70型四邊封合包裝機(jī)，計(jì)量范圍:0.530ml，可以210列，最高速度為800袋/分;日本三光機(jī)械的FC一1000型小袋枕型包裝機(jī)，最高可達(dá)12列，速度可達(dá)

6、1000袋/分。3、結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)高精度化。由于采用各種新技術(shù)，如通過(guò)伺服電機(jī)、編碼器及數(shù)字控制(NC)動(dòng)力負(fù)載控制PLC等高精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制各種動(dòng)作，使整機(jī)的充填計(jì)量精度和制袋精度都有所提高。如日本東京自動(dòng)機(jī)械的SIGMA3型粉末計(jì)量機(jī)，配有可調(diào)速驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，采用螺桿下料充填，最大充填為每次1.ZKg，充填精度60.25%;日本，丫少社的臺(tái)式液體充填機(jī)，根據(jù)不同機(jī)型充填量可做到0.1600ml，充填精度為0.5%。4、控制智能化、彈性化。國(guó)外大多機(jī)器都通過(guò)智能型控制儀表和觸摸屏上的菜單式應(yīng)用軟件對(duì)機(jī)器的各種參數(shù)進(jìn)行跟蹤調(diào)整。電子顯示屏顯示切袋長(zhǎng)度、包裝速度、充填物的凈含量以及包裝產(chǎn)量等，一目了然。標(biāo)

7、準(zhǔn)的色標(biāo)跟蹤光電系統(tǒng)能絕對(duì)保證包裝產(chǎn)品的印刷圖案正確。另外，機(jī)器可對(duì)工作過(guò)程進(jìn)行在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷分析，一旦發(fā)生問(wèn)題，自動(dòng)停機(jī)，并顯示故障原因及解決方法。5、包裝形式多樣化。國(guó)外的袋包裝目前既有三邊封合袋、四邊封合袋、枕形袋，還有風(fēng)琴式、自立袋等。用戶可以根據(jù)市場(chǎng)的需要，具有更大的選擇空間。國(guó)外的袋包裝機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)趨于簡(jiǎn)單，橫封、縱封等動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)元件，包裝動(dòng)作簡(jiǎn)捷快速，整機(jī)噪聲小;采用變頻調(diào)速裝置，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，不僅調(diào)速范圍大、平滑性好、低速特性，而且可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，節(jié)電效果也十分明顯。1.2.2國(guó)內(nèi)袋成型包裝機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)包裝機(jī)械發(fā)展較晚，目前正處于起步應(yīng)用階段。

8、而且由于用戶的技術(shù)水平和各種環(huán)境因素的限制，我國(guó)包裝機(jī)械的需要就像一座“金字塔”。對(duì)高、精、尖設(shè)備的需求就是塔尖，越尖端的設(shè)備需求越小;對(duì)中、低檔設(shè)備的需求就像“金字塔”底部，量大面廣，商機(jī)無(wú)限。隨著市場(chǎng)需求的不斷增加，九十年代后，我國(guó)袋成型自動(dòng)包裝機(jī)有了較快的發(fā)展。通過(guò)參考國(guó)外產(chǎn)品，進(jìn)行消化、吸收及自主開(kāi)發(fā)、研制，技術(shù)上有了很大的提高，計(jì)量范圍從lg到1000g不等，特別是產(chǎn)品功能和自動(dòng)化方面也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。我國(guó)通過(guò)參考國(guó)外同類型產(chǎn)品，進(jìn)行消化、吸收及自行開(kāi)發(fā)研制，技術(shù)上有了很大的發(fā)展和提高。我國(guó)現(xiàn)有的袋成型自動(dòng)包裝機(jī)應(yīng)用廣泛，機(jī)型分為立式和臥式兩種，可包裝液體、糊狀物料、粉狀物料、顆粒和

9、固體物料，包裝形式有枕形袋、三封袋、四封袋、磚形袋、屋形袋、角形自立袋等多種類型。通過(guò)PLC和PC控制技術(shù)的不斷推廣和應(yīng)用，使袋成型自動(dòng)包裝機(jī)的自動(dòng)化程度得到了很大的提高。我國(guó)生產(chǎn)的袋成型自動(dòng)包裝機(jī)以普通型、通用型為主，即在同一臺(tái)設(shè)備上，同一豎直方向上自動(dòng)完成包裝袋成型、計(jì)量、打印日期、充填、封口、切斷、輸出等工序。包裝物料一般為:液體、粘稠體、顆粒物料、粉料、膏體、片劑、膨化食品等。充填計(jì)量方式一般為:容積式、稱重式。容積式又可分為量杯式、旋轉(zhuǎn)閥式、柱塞式:稱重式又可分為電子秤、杠桿秤兩種。有些包裝機(jī)還采用組合式，如粗供料采用容積式，精供料采用稱重式等。所用包裝材料主要是具有可熱封的塑料單膜

10、和各種復(fù)合膜(如:紙一塑復(fù)合、塑一塑復(fù)合、鋁一塑復(fù)合等)。包裝成形袋以扁平袋為多(如:枕形袋、三邊封口袋、四邊封口袋)。熱封方式主要有:往復(fù)式、L型閉合式、旋轉(zhuǎn)式。國(guó)產(chǎn)中型袋包裝機(jī)多采用的橫封裝置是連續(xù)對(duì)輥式，其缺點(diǎn)是開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)時(shí)，在輥輪中間都要夾持部分包裝材料，既難于清洗，又浪費(fèi)材料。小型袋包裝機(jī)，橫封裝置采用的是扇形開(kāi)合的封口方式，當(dāng)包裝袋的尺寸擴(kuò)大后，其封口質(zhì)量難以保證?？陀^地說(shuō)，我國(guó)生產(chǎn)的袋成型自動(dòng)包裝機(jī)綜合性能指標(biāo)與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的產(chǎn)品相比還存在著很大差距。比較突出的問(wèn)題是;機(jī)械加工工藝技術(shù)水平低;機(jī)構(gòu)動(dòng)作的同步、協(xié)調(diào)性差;關(guān)鍵零部件、易損件、電氣元件壽命短、可靠性差;生產(chǎn)速度一般都比

11、較慢，自動(dòng)化水平不高，自動(dòng)化調(diào)節(jié)、自動(dòng)化控制水平低;設(shè)備的可操控性差，維護(hù)保養(yǎng)較麻煩;充填精度低、速度慢;外觀造型和表面質(zhì)量差。1.2.3自動(dòng)包裝機(jī)存在的問(wèn)題據(jù)調(diào)查，現(xiàn)有自動(dòng)包裝機(jī)存在以下問(wèn)題:1.包裝機(jī)長(zhǎng)期存在著包裝材料(薄膜)輸送速度難以控制的問(wèn)題，薄膜輸送速度不穩(wěn)，對(duì)袋長(zhǎng)精度和袋形質(zhì)量的影響很大:工作初期和末期，帶膜卷的直徑變化很大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化，造成包裝材料輸送時(shí)拉力不均勻，使得封袋長(zhǎng)度變化，袋長(zhǎng)控制精度不高。2.包裝精度(充填精度)低且工作時(shí)不穩(wěn)定。3.包裝速度低:目前國(guó)產(chǎn)包裝機(jī)的包裝速度，小袋包裝在60120袋/分之間，包裝速度超過(guò)80袋/分時(shí)包裝質(zhì)量將下降;中袋包裝為3560袋/

12、分。國(guó)外設(shè)備的包裝速度已達(dá)到小袋包裝為1200袋/分，中袋包裝為160袋/分。3.封口質(zhì)量難以保證。(l)外觀質(zhì)量。國(guó)家規(guī)定，包裝袋的封口處應(yīng)平整、網(wǎng)紋清晰，不得有灼化和壓穿現(xiàn)象。而現(xiàn)有的包裝機(jī)不能很好的達(dá)到國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn);(2)包裝成品的封口強(qiáng)度低;(3)由于塑料包裝材料與被包裝物之間的靜電作用，在塑料袋內(nèi)壁上會(huì)吸附細(xì)小的被包裝物粉粒，若不除去會(huì)造成橫封口處封口不牢，嚴(yán)重影響包裝袋封口質(zhì)量。(4)自動(dòng)包裝機(jī)的橫封機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式的不合理，將導(dǎo)致封口質(zhì)量問(wèn)題。傳統(tǒng)的包裝機(jī)的封口機(jī)構(gòu)，其左右封塊是扇形開(kāi)合，封口部位熱封時(shí)間不同，導(dǎo)致封口處不平滑，部分灼化或者部分強(qiáng)度不夠。兩橫封塊機(jī)構(gòu)采用左橫封塊運(yùn)動(dòng)時(shí)，

13、兩橫封塊對(duì)包裝袋的作用力不同，會(huì)造成其封口不勻。而且封口周期長(zhǎng)，包裝速度慢。自動(dòng)包裝機(jī)的功能多樣、種類繁多，如枕式自動(dòng)包裝機(jī)、立式自動(dòng)包裝機(jī)等，其中本課題是以新型三伺服枕式自動(dòng)包裝機(jī)為研究平臺(tái)展開(kāi)的。1.3 自動(dòng)包裝機(jī)基本結(jié)構(gòu)概述枕式自動(dòng)包裝機(jī)普遍采用的流程如圖1-1所示，根據(jù)不同的機(jī)型，包裝流程及其機(jī)構(gòu)會(huì)有所不同，但包裝原理大同小異。圖1-1 自動(dòng)包裝工藝流程Fig.1-1 The flowchart of automatic packaging新型三伺服枕式自動(dòng)包裝機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由自動(dòng)接膜裝置、物料輸送機(jī)構(gòu)、制袋成型器、牽引輥輪、縱封輥輪、橫封切斷裝置和卸料傳送裝置等組成，圖1-2所示是新型

14、三伺服枕式自動(dòng)包裝機(jī)工作原理圖。圖1-2 三伺服自動(dòng)包裝機(jī)工作原理圖Fig.1-2 Working principle of thr-servo automatic packing machine從圖中看到，該機(jī)橫封切斷輥刀、包裝膜軸和卸料傳送帶、送料撥叉軸分別由單獨(dú)的伺服電機(jī)作為動(dòng)力。該機(jī)集自動(dòng)送料、包裝物品、封口、切斷于一體，是一種高效率的連續(xù)式的包裝機(jī)，廣泛應(yīng)用于食品、肥皂、藥品等的自動(dòng)包裝上。其包裝材料為復(fù)合材料，采用卷筒薄膜供料，由牽引輥輪經(jīng)導(dǎo)向輥進(jìn)入制袋成型器，由于受成型器作用，薄膜自然形成卷包的形式。同時(shí)待包裝物品由供料鏈撥叉推動(dòng)至薄膜卷包的空間。卷包的薄膜在牽引輥輪的作用下向前

15、運(yùn)行并被縱封輥輪實(shí)施縱封熱融封合。包裝物品在最后由橫封輥刀封合切斷，形成一個(gè)包裝成品，由卸料傳送帶輸出。由于其包裝形式為枕狀，故稱其為枕式包裝機(jī)。1.4 本文的研究?jī)?nèi)容為滿足客戶對(duì)新型三伺服自動(dòng)包裝機(jī)功能和性能的需求，以自主研發(fā)的多軸（四軸）通用運(yùn)動(dòng)控制器為平臺(tái)，在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，本課題通過(guò)軟件算法進(jìn)行新功能的開(kāi)發(fā)，提高包裝機(jī)的整體性能，完善之前的研究成果。主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作：（1）根據(jù)用戶對(duì)包裝機(jī)性能的特殊需求，對(duì)控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行改進(jìn)，且驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性及研究包裝機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性（2）用UML建模語(yǔ)言，針對(duì)新型三伺服自動(dòng)包裝機(jī)新功能的開(kāi)發(fā)，給出了基于UML模型的軟件

16、設(shè)計(jì)方法。（3）采用三臺(tái)伺服電機(jī)分別控制橫封刀軸、包膜軸和送料軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，采用基于電機(jī)編碼器位置的控制方式，實(shí)現(xiàn)了包裝過(guò)程中定長(zhǎng)與追蹤兩種包裝模式。將追蹤量與PID補(bǔ)償算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了合理的位置偏差補(bǔ)償，提高了包裝精度。（4）為了滿足用戶防止切料、保護(hù)橫封刀的要求，開(kāi)發(fā)了電子防切功能，在橫封之前提前檢測(cè)到是否切料，并作出相應(yīng)的處理，提高了生產(chǎn)效率。 枕式包裝機(jī)采用三伺服方案，使得控制更加方便，機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，速度快，效率高，便于操作。具有電子防切斷功能，在物料進(jìn)入成型器后，如果物料檢測(cè)傳感器檢測(cè)到物料錯(cuò)位時(shí)，即實(shí)現(xiàn)橫封輥刀停止，送膜軸與送料軸繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，將錯(cuò)位的物料送出橫封輥刀，然后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)

17、開(kāi)車正常加工。這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橫封輥刀的保護(hù)作用，同時(shí)不影響生產(chǎn)的繼續(xù)進(jìn)行。對(duì)于撥叉中有空料的情況，通過(guò)空包檢測(cè)傳感器檢測(cè)到撥叉中缺料時(shí)，橫封輥刀和送膜軸停止，讓送料撥叉繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)把空包讓過(guò)去之后，包裝機(jī)自動(dòng)開(kāi)車，減少了廢品率，提高了工作效率。該機(jī)還裝有自動(dòng)接膜裝置，在全自動(dòng)的生產(chǎn)線不停機(jī)狀態(tài)下，自動(dòng)接膜，減少人工接膜的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。通過(guò)以上新功能的介紹，可以看出三伺服包裝機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于以下幾個(gè)方面：（1）簡(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)，較之傳統(tǒng)的機(jī)械凸輪，新型電子凸輪方式有效降低了機(jī)械磨損，控制精度高、柔性好、機(jī)械噪音小等優(yōu)點(diǎn)。提高機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性，降低機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的噪音，大大延長(zhǎng)了使用壽命和最大限

18、度的降低故障率，減小企業(yè)維護(hù)的費(fèi)用。（2）增加產(chǎn)量、降低成本。可以提高生產(chǎn)技術(shù)，使產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)都得到提高，并能有效節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化。（3）實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)的高效、低損耗、自動(dòng)檢測(cè)等多功能，使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、效率提高。2 電子凸輪簡(jiǎn)介2.1電子凸輪的概念圖2-1電子凸輪Fig.2-1 Electronic cam文獻(xiàn)簡(jiǎn)要地提出了電子凸輪的概念，即一套數(shù)字控制系統(tǒng)在沒(méi)有傳統(tǒng)機(jī)械凸輪存在的情況下，通過(guò)編制控制程序，讓該數(shù)控系統(tǒng)精密的模擬凸輪工作曲線，而完成相應(yīng)的機(jī)械動(dòng)作,即由一套數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。電子凸輪與機(jī)械凸輪的比較示意圖可如圖2-1所示，在圖中，所示的數(shù)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)圖所

19、示的機(jī)械凸輪的從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，中從動(dòng)件通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置(如伺服電機(jī)、伺服電機(jī)等)直接驅(qū)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)裝置是由PLC控制系統(tǒng)控制的，由PLC控制的驅(qū)動(dòng)裝置的輸出運(yùn)動(dòng)曲線是某一凸輪運(yùn)動(dòng)曲線，所以該數(shù)控系統(tǒng)中的從動(dòng)件可以與圖中的從動(dòng)件一樣實(shí)現(xiàn)凸輪從動(dòng)件的預(yù)期運(yùn)動(dòng)。由于不存在機(jī)械凸輪，各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)可協(xié)調(diào)工作在最理想的狀態(tài)，作用力方向與運(yùn)動(dòng)方向一致，因而也就不存在壓力角的問(wèn)題，使效率大大提高。采用計(jì)算機(jī)或PLC控制使輸出運(yùn)動(dòng)的軌跡、速度及加速度可隨意控制，如要改變運(yùn)動(dòng)規(guī)律，只需改變相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)。在特殊的情況下，甚至可以根據(jù)當(dāng)前被加工物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)修改數(shù)控凸輪的運(yùn)動(dòng)軌跡。2.2電子凸輪的構(gòu)成電

20、子凸輪由硬件和軟件兩部分組成。硬件由微機(jī)、軸位置編碼器、D/A轉(zhuǎn)換器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。微機(jī)采用單片機(jī)、PLC或者PMAC等作為凸輪控制器，軸位置編碼器用于檢測(cè)輸出軸的角度，如果采用伺服電機(jī)作為執(zhí)行部件，則編碼器將檢測(cè)到的轉(zhuǎn)角反饋回控制器，對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行校正，由此達(dá)到高精度的轉(zhuǎn)角輸出，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)則采用伺服電機(jī)或者伺服電機(jī)，軟件產(chǎn)生凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的算法。電子凸輪機(jī)構(gòu)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，其系統(tǒng)組成也可以分為以下三種：(1)慢速高精度這種機(jī)構(gòu)可采用伺服電機(jī)帶動(dòng)精密絲桿，使伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，適合于控制自動(dòng)機(jī)一類的刀具自動(dòng)進(jìn)給，由于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)功率很小，小型伺服電機(jī)足以勝任工作。(2)高速低精度這種

21、機(jī)構(gòu)對(duì)行程的精度要求不高，但在速度上有一定要求?？刹捎谬X輪齒條傳動(dòng)方式，適合于像數(shù)控切紙機(jī)一類的機(jī)械。由于速度較高，又有一定的作用力，故需采用較大功率的伺服電機(jī)，同時(shí)要注意消除齒側(cè)間隙，以免在反向時(shí)造成較大的沖擊。(3)分度凸輪機(jī)構(gòu)模擬伺服電機(jī)與減速器相結(jié)合，可模擬分度凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律，該機(jī)構(gòu)可在360度的平面上實(shí)現(xiàn)任意角度的位移、任意角速度及角加速度的運(yùn)行，成為具有數(shù)控功能的分度工作臺(tái)，其功能也超出了機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍。2.2.3電子凸輪的優(yōu)點(diǎn)在自動(dòng)包裝機(jī)中，用圖2-1所示的電子凸輪機(jī)構(gòu)替代圖2-1所示的機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)，可使自動(dòng)包裝機(jī)的傳控系統(tǒng)得到優(yōu)化。因?yàn)殡娮油馆嗇^機(jī)械凸輪而言,具有如下優(yōu)點(diǎn)

22、：(1)凸輪輪廓曲線是存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，電子凸輪系統(tǒng)不存在磨損，因而從動(dòng)件重復(fù)實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)的精度高、穩(wěn)定性好。(2)電子凸輪系統(tǒng)可按不同從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律選擇存儲(chǔ)器中的凸輪輪廓曲線，當(dāng)輸出運(yùn)動(dòng)改變時(shí)只需簡(jiǎn)單地改變一下數(shù)值或設(shè)定，而不需要重新加工制作新凸輪，機(jī)構(gòu)的輸出柔性好。(3)電子凸輪系統(tǒng)沒(méi)有機(jī)械凸輪的慣性力、彈性變形、剛性沖擊等因素，故響應(yīng)速度快，能適合高速運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。(4)生產(chǎn)效率高電子系統(tǒng)中有更多的部件可能失效而導(dǎo)致系統(tǒng)終止。盡管這樣，電子系統(tǒng)沒(méi)有機(jī)械系統(tǒng)那么容易損壞。即便是損壞了，電子系統(tǒng)修復(fù)的時(shí)間要比機(jī)械系統(tǒng)短得多。模塊化的電子部分加速了更換時(shí)間，因?yàn)槭强删幊痰模钥梢詮挠?jì)算機(jī)上

23、下載指令，可以輕松的配置。電子凸輪系統(tǒng)的更換時(shí)間在分鐘這一級(jí)，而相比之下，機(jī)械凸輪在小時(shí)、天這一級(jí)。電子凸輪的特點(diǎn)是不管是在伸展還是在收縮時(shí)，能全面控制驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)，在機(jī)械凸輪系統(tǒng)中，從動(dòng)件的回歸速度受到系統(tǒng)的回復(fù)彈簧和動(dòng)態(tài)特性的限制，巨大的彈簧能保證快速回復(fù)，但由于壓縮過(guò)程中要克服彈簧力，需要較大的功率，比較會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。如果凸輪在主軸的下部，扭轉(zhuǎn)變形的可能性需要很大的主軸來(lái)維持同步。(5)安全電子凸輪系統(tǒng)結(jié)合了保護(hù)機(jī)械免于失效的機(jī)制。伺服傳動(dòng)部分的失效能夠用監(jiān)督的微處理器檢測(cè)出來(lái)，然后順序關(guān)閉；如果微處理器失效，預(yù)置的信號(hào)不能發(fā)送到監(jiān)視計(jì)時(shí)器電路，系統(tǒng)也將會(huì)關(guān)閉。電子系統(tǒng)中，使馬達(dá)停止的應(yīng)急方

24、法是動(dòng)態(tài)制動(dòng)。在伺服系統(tǒng)中，馬達(dá)在急停時(shí)停止速度更快。在這種情況下，伺服系統(tǒng)提供一個(gè)負(fù)力矩，一般伺服系統(tǒng)終止馬達(dá)需50毫秒，而動(dòng)態(tài)制動(dòng)僅需1秒左右。鑒于上述電子凸輪的諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)占有很大分量的自動(dòng)包裝機(jī)機(jī)來(lái)說(shuō)，采用電子凸輪來(lái)對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械凸輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造和優(yōu)化無(wú)疑對(duì)提自動(dòng)包裝機(jī)的性能帶來(lái)很大的幫助。2.3電子凸輪的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 電子凸輪的研究可追溯到20世紀(jì)50年代中后期，當(dāng)時(shí)有學(xué)者提出采用控制系統(tǒng)取代凸輪機(jī)構(gòu)，因?yàn)閿?shù)字控制系統(tǒng)有良好的可調(diào)節(jié)性，在需要柔性生產(chǎn)的場(chǎng)合，這一優(yōu)勢(shì)尤為重要。例如，在驅(qū)動(dòng)分度工作臺(tái)時(shí)，如果需要改變分度角，用傳統(tǒng)的凸輪分度機(jī)構(gòu)是不能實(shí)現(xiàn)的，而利用伺服馬

25、達(dá)的所謂“電子凸輪”，只需要改變控制軟件即可。又如以伺服系統(tǒng)控制的機(jī)器手取代凸輪式固定程序型機(jī)器手，以數(shù)控機(jī)床取代應(yīng)用凸輪分配軸的自動(dòng)機(jī)床等，均是這種例子。國(guó)外在電子凸輪的研究與應(yīng)用方面，Mike Woelfel給出了電子凸輪在包裝切紙機(jī)上的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，并分析了電子凸輪在解決機(jī)械凸輪所帶來(lái)的速度、加速度的沖擊方面的優(yōu)點(diǎn)。Makino提出將智能凸輪運(yùn)用于機(jī)器人機(jī)械手臂的控制，從而提高了機(jī)械手臂的速度和柔性。Lesile Langnu對(duì)電子凸輪的運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行了簡(jiǎn)要的論述，并且給出了電子凸輪在傳送控制上的優(yōu)點(diǎn)，電子凸輪可以根據(jù)傳送的距離要求自動(dòng)編程精確實(shí)現(xiàn)，而在傳送過(guò)程中的加速、恒速、減速段，電子

26、凸輪可以采用最合適的曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而改善了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能。同時(shí)文獻(xiàn)也論述了電子凸輪和電子齒輪之間的關(guān)系及它們各自的應(yīng)用場(chǎng)合。與此同時(shí)，國(guó)外一些廠家已經(jīng)生產(chǎn)出了采用PLC或者單片機(jī)作為凸輪運(yùn)動(dòng)控制器，用伺服電機(jī)或者伺服電機(jī)為執(zhí)行元件，通過(guò)編程模擬凸輪運(yùn)動(dòng)曲線，從而代替機(jī)械凸輪的電子凸輪機(jī)構(gòu)。美國(guó)、德國(guó)、日本的一些公司已經(jīng)生產(chǎn)出了一些型號(hào)的電子凸輪控制器，比如德國(guó)倫茨(Lenze)公司生產(chǎn)的9300凸輪型伺服控制器(EVS9300-EK)，內(nèi)置電子凸輪發(fā)生器，可同時(shí)編程8條凸輪曲線，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜輪廓曲線的加工和工藝的快速改變。電子凸輪的研究和應(yīng)用在國(guó)內(nèi)不是很深入。文獻(xiàn)對(duì)于電子凸輪這一概念做了一般性的

27、表述，而對(duì)電子凸輪的設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用研究沒(méi)有進(jìn)行深入具體的論述。李瑞琴、鄒慧君在文獻(xiàn)中將電子凸輪歸為可控機(jī)構(gòu)一類，對(duì)電子凸輪的優(yōu)點(diǎn)做了總結(jié)。文獻(xiàn)針對(duì)船舶和港口自動(dòng)化設(shè)備，研制了一種基于可編程序控制器的電子凸輪。該電子凸輪的控制是用OMR0N的C40P可編程邏輯控制器中的高速計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。文獻(xiàn)以NSD 公司生產(chǎn)的VS-5E 系列為例介紹電子凸輪的硬件組成、功能和主要性能參數(shù)，并給出了它在生產(chǎn)應(yīng)用中的實(shí)例及相關(guān)的PLC程序。文獻(xiàn)對(duì)虛擬凸輪機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)作了一般論述，并對(duì)該機(jī)構(gòu)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。3 電子凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析3.1引言本章建立了電子凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)。根據(jù)控制函數(shù)，采用伺服電機(jī)作為電

28、子凸輪機(jī)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)編程控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)使機(jī)構(gòu)的輸出具有可控性。作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行元件，伺服電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)化儀表等機(jī)械中。不僅在開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)，而且在強(qiáng)調(diào)速度控制、位置控制的閉環(huán)以及半閉環(huán)的伺服控制系統(tǒng)中伺服電機(jī)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。為了實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，較多采用的一種方案是以單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的微處理器，通過(guò)一些大規(guī)模集成電路來(lái)控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的速度和位置定位。本文也是采用這一方案，以單片機(jī)作為控制器，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的控制。本章將建立電子凸輪系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)方程。3.2凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)

29、動(dòng)規(guī)律凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是指凸輪機(jī)構(gòu)中的從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)曲線，它是由所設(shè)計(jì)的凸輪輪廓決定的。根據(jù)各種不同的工況要求，長(zhǎng)期以來(lái)發(fā)展了幾種常用的從動(dòng)件曲線，從形式上分為不連續(xù)曲線和雙停留對(duì)稱曲線。不連續(xù)曲線有等速度曲線、等加速度曲線和簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)曲線。雙停留對(duì)稱曲線有等躍動(dòng)曲線、5次曲線、修正梯形曲線、修正正弦曲線、修正等速度曲線等。所有凸輪運(yùn)動(dòng)曲線都是使凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件產(chǎn)生往復(fù)、間歇性運(yùn)動(dòng)，只是在凸輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)性能方面，有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。1969年，Neklutin提出了三種在實(shí)際應(yīng)用中被廣泛使用的凸輪曲線，即：修正梯形曲線(MT)、修正正弦曲線(MS)、修正等速度曲線(MCV)。MT和MS曲線已

30、被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)機(jī)械中的高速分度凸輪曲線設(shè)計(jì)。MT曲線具有較低的加速度峰值，適合于高速輕負(fù)荷；MS曲線由于均衡性較好，適合用于負(fù)載未知的場(chǎng)合，特別是重負(fù)載場(chǎng)合；MCV曲線適合于某些要求較小的特殊場(chǎng)合。作為三種常用的凸輪曲線，它們是影響凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的因素之一，特別是在分度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，直接影響步進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)性能。在從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究方面，文獻(xiàn)建立了通用簡(jiǎn)諧梯形組合曲線方程利用該方程不僅可構(gòu)造出如MS、MT、MCV等多種常用的凸輪運(yùn)動(dòng)曲線，且通過(guò)變換組合段長(zhǎng)度值，可以構(gòu)造出多種加速度連續(xù)、躍度連續(xù)以及在跨越點(diǎn)處理論碰撞速度為零的運(yùn)動(dòng)曲線。如圖3-1所示，圖中實(shí)線表示曲線的加速度，虛線

31、表示越度。為升程（或分度加速）期的加速度最大值，為回程（或分度減速）期的加速度最大值。該曲線由11段組成，第3、6、9三段為恒加速度段其余八段均為不同相位正弦函數(shù)的一部分。第6段可設(shè)計(jì)為等速段，即令也可不設(shè)此段，設(shè)置此段可使組合曲線越度連續(xù)，且更具通用性與一般性。通過(guò)對(duì)每段曲線進(jìn)行選取，可以組成常用的MS、MT、MCV曲線。圖3-1 通用簡(jiǎn)諧梯形組合曲線Fig .3-1 General harmonic trapezoid curve3.2.1運(yùn)動(dòng)參數(shù)無(wú)因次化在凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了衡量各種不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)特性，通常將運(yùn)動(dòng)規(guī)律采用無(wú)量綱的形式進(jìn)行表達(dá)，并選取某些運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)作為運(yùn)動(dòng)規(guī)律的

32、特性值，對(duì)不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析和比較。參見(jiàn)圖3-2，設(shè)由凸輪所驅(qū)動(dòng)的從動(dòng)件位移為， (3-1)設(shè)從動(dòng)件從時(shí)刻開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，位移逐漸增大，當(dāng)?shù)臅r(shí)刻達(dá)到最大位移，這時(shí)無(wú)因次時(shí)間及無(wú)因次位移可定義為 (3-2) (3-3)式中 是實(shí)際時(shí)間（單位：s）為達(dá)到最大位移的時(shí)間(單位：s)無(wú)因次時(shí)間從動(dòng)件無(wú)因次位移圖3-2 凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律無(wú)因次化表Fig.3-2 The dimensionless form of cam motion law則式(3-1)可改寫(xiě)成下式 (3-4)式(3-4)稱為無(wú)因次化的從動(dòng)件位移曲線。且有時(shí) 時(shí) (3-5)將式(3-4)對(duì)微分可得無(wú)因次速度為 (3-6) (3-7)上述值與實(shí)際

33、位移、速度、加速度關(guān)系如下 (3-8) (3-9) (3-10)對(duì)于凸輪機(jī)構(gòu)的實(shí)際最大速度，最大加速度可由下式計(jì)算， (3-11)根據(jù)式(31)(310)可將任意凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律轉(zhuǎn)化為無(wú)因次方程形式。凸輪機(jī)構(gòu)常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律無(wú)因次化方程推導(dǎo)參見(jiàn)文獻(xiàn)。無(wú)因次化最大速度、加速度、躍度稱為凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特性參數(shù)。常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性參數(shù)參見(jiàn)表1。表1 常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性參數(shù)Table 1 Common motion characteristic parameters曲線名稱VmAmJmAx擺線2.00±6.28±39.5±8.16梯形2.00±4.89±61.4&

34、#177;8.09修正等加速度1.28±8.01201.4±5.463.3伺服電機(jī)的控制方式在電子凸輪系統(tǒng)中，伺服電機(jī)作為電子凸輪系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的輸出精度直接影響電子凸輪系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度。伺服電機(jī)又稱為脈沖控制電動(dòng)機(jī)，其功能是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或直線位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)將轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，如圖3-3所示。脈沖分配器和功放伺服電動(dòng)機(jī)輸出軸控制電脈沖控制電脈沖轉(zhuǎn)角圖3-3 伺服電機(jī)的控制Fig.3-3 Servo motor control圖3-4 伺服電機(jī)的控制特性s0k0vf(a)(b)Fig.3-4 Servo motor control charac

35、teristics伺服電機(jī)的角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，如圖3-4(a)所示。它的轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖頻率成正比，如圖3-4(b)所示。在負(fù)載能力范圍內(nèi)這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小，環(huán)境條件的波動(dòng)而變化，因而可適用于閉環(huán)環(huán)系統(tǒng)中做執(zhí)行元件，使控制系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。伺服電機(jī)可以在很寬的范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)調(diào)速，能夠快速啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。它不需要變換能直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移，很適合采用計(jì)算機(jī)控制。特別是近十幾年來(lái)，數(shù)字技術(shù)和電子計(jì)算的迅速發(fā)展為伺服電機(jī)的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。由于伺服電機(jī)具有高精度，沒(méi)有累積誤差等優(yōu)點(diǎn)，易于控制，所以可以利用伺服電機(jī)作為電子凸輪系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由它帶動(dòng)

36、從動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。3.4電子凸輪運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)本文通過(guò)機(jī)械偏心圓盤(pán)凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)反求出電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù),進(jìn)而推導(dǎo)出電子凸輪運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)。3.4.1電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)顏鴻森等發(fā)現(xiàn)，用微機(jī)控制的直流伺服馬達(dá)使凸輪變速運(yùn)動(dòng)，可以改變從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。在此基礎(chǔ)上，顏鴻森提出了盤(pán)形凸輪標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)設(shè)想，即在有相同升程和基圓的前提下，設(shè)計(jì)與制造出標(biāo)準(zhǔn)的盤(pán)形凸輪，再利用適當(dāng)?shù)耐馆嗈D(zhuǎn)速變化，來(lái)改變從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)特性，以符合不同的從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)要求。即如果采用偏心圓盤(pán)凸輪機(jī)構(gòu)，通過(guò)控制其輸入運(yùn)動(dòng)，可以得到所期望的輸出運(yùn)動(dòng)?？捎蓤D3-5表示，若已知從動(dòng)件的期望運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過(guò)偏心圓盤(pán)凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)位

37、置關(guān)系可以反求出電機(jī)的控制運(yùn)動(dòng)方程，從而得到所期望的輸出運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)伺服電機(jī)偏心圓盤(pán)凸輪期望運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖3-5變速輸入凸輪機(jī)構(gòu)示意圖Fig 3-5 Schematic diagram of the transmission input cam mechanism設(shè)凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律(采用無(wú)因次化表示)為 (3-12) (3-13) (3-14)通過(guò)偏心圓盤(pán)凸輪機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)位置關(guān)系建立凸輪輸入軸與從動(dòng)件期望運(yùn)動(dòng)規(guī)律的函數(shù)關(guān)系如下 (3-15) (3-16)(3-17)式中 為偏心圓盤(pán)凸輪輸入軸轉(zhuǎn)角為偏心圓盤(pán)凸輪輸入軸的角速度為偏心圓盤(pán)凸輪輸入軸的角加速度偏心圓盤(pán)凸輪由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其控制量為脈

38、沖量，所以應(yīng)將凸輪輸入軸運(yùn)動(dòng)函數(shù)方程轉(zhuǎn)化為電機(jī)的控制脈沖頻率方程，假定伺服電機(jī)與凸輪輸入軸的傳動(dòng)比=1，由于式(3-15)(3-17)均為無(wú)因次化表示，所以只要將凸輪輸入軸方程乘以一個(gè)常數(shù)量(如脈沖當(dāng)量)就可得到電機(jī)的控制函數(shù)方程。伺服電機(jī)每收到一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，而每一步距角對(duì)應(yīng)于偏心圓盤(pán)凸輪機(jī)構(gòu)的一輸入轉(zhuǎn)角，將凸輪輸入軸位移方程式(315)乘以位移當(dāng)量(單位：脈沖個(gè)數(shù)/度)即可確定伺服電機(jī)的位移控制函數(shù)方程。若對(duì)伺服電機(jī)采用速度控制，則將凸輪輸入軸的轉(zhuǎn)速函數(shù)方程式(3-16)乘以脈沖當(dāng)量即可得到電機(jī)的速度控制方程，如下 (3-18)式中脈沖當(dāng)量由所給定的伺服電機(jī)的最高運(yùn)行的頻率和啟動(dòng)頻

39、率及所期望的凸輪運(yùn)動(dòng)曲線形式所確定，為伺服電機(jī)的啟動(dòng)頻率。因?yàn)槭且粺o(wú)因次化的凸輪速度曲線，而是一常量，所以，式(3-18)確定的曲線與凸輪機(jī)構(gòu)的速度曲線是一致的，故式(3-18)即是凸輪機(jī)構(gòu)的速度控制函數(shù)。假如已知凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件達(dá)到最大位移運(yùn)行時(shí)間，根據(jù)式（3-2)可得實(shí)際運(yùn)行時(shí)間與電機(jī)控制頻率之間的函數(shù)方程為 (3-19) 3.4.2電子凸輪運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)電子凸輪系統(tǒng)直接由控制系統(tǒng)控制伺服電機(jī)輸出凸輪曲線。它是在不使用機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)的工況下，直接由電機(jī)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)件得到凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可由圖3-6表示。由于由電機(jī)直接輸出凸輪運(yùn)動(dòng)曲線，所以將從動(dòng)件的速度運(yùn)動(dòng)函數(shù)方程乘以脈沖當(dāng)量即可以得到伺服電機(jī)的速度控

40、制運(yùn)動(dòng)函數(shù) (3-20)式中 為伺服電機(jī)的啟動(dòng)頻率 為脈沖當(dāng)量，由所給定的伺服電機(jī)的最高運(yùn)行頻率和啟動(dòng)頻率及所期望的凸輪運(yùn)動(dòng)曲線形式所確定即為所期望的從動(dòng)件速度函數(shù) 實(shí)際運(yùn)行時(shí)間與電機(jī)控制頻率之間的函數(shù)方程為 (3-21)凸輪曲線存儲(chǔ)器控制系統(tǒng)伺服電機(jī)凸輪運(yùn)動(dòng)曲線圖3-6 電子凸輪示意圖Fig 3-6 Schematic diagram of electronic cam3.5 包裝機(jī)的橫封電子凸輪運(yùn)動(dòng)控制3.5.1 包裝機(jī)的橫封簡(jiǎn)介橫封是枕式自動(dòng)包裝機(jī)的一道重要工序。它通常位于縱封工序的后面，作用是使填充了物料并經(jīng)過(guò)縱封的袋子橫向密封并切斷。橫封通常安裝在一對(duì)對(duì)滾得軸上，如圖3-7所示為橫封

41、加工過(guò)程簡(jiǎn)圖。兩軸對(duì)滾時(shí)，被加熱的熱封頭壓向兩塊包裝物之間的間隙，包裝薄膜被熱封。由于熱封頭的中間裝有切刀，使得包裝薄膜材料被熱封的同時(shí)被切斷，成為包裝成品。圖3-7 橫封加工過(guò)程簡(jiǎn)圖Fig.3-7 The chart of the traverse seal process在封切工作過(guò)程中，切斷動(dòng)作要求勻速或近似勻速運(yùn)動(dòng)，使得橫封圓周上MQN弧線上的任意一點(diǎn)的線速度與包裝袋移動(dòng)的線速度相等，即速度同步。由于封切在一周中占用時(shí)間短，大多數(shù)用于空轉(zhuǎn)，如果讓空轉(zhuǎn)也做勻速運(yùn)動(dòng)，則造成浪費(fèi)，所以橫封處于非勻速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，即對(duì)于短袋長(zhǎng)，熱封與切斷時(shí)間短，空轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)；而對(duì)長(zhǎng)袋長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，熱封與切斷時(shí)間長(zhǎng)，空轉(zhuǎn)

42、時(shí)間短。傳統(tǒng)的枕式包裝機(jī)一般采用機(jī)械凸輪的方式。但機(jī)械凸輪屬于高副點(diǎn)線接觸，加工困難、運(yùn)動(dòng)缺乏柔性、凸輪和輥輪易磨損，從而導(dǎo)致定位精度降低，振動(dòng)和噪聲加劇，加工成本提高；且改變袋長(zhǎng)時(shí)，需要人工調(diào)整偏心量，使得操作較為繁瑣。因此，在本設(shè)計(jì)中采用電子凸輪的控制方式，它不存在磨損、精度高、柔性好，且只需在觸摸屏上改變袋長(zhǎng)參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)偏心自動(dòng)調(diào)整功能。電子凸輪系統(tǒng)具有機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，在包裝機(jī)械上具有廣闊的應(yīng)用前景。在圖3-7中可以看到，對(duì)包裝薄膜的密封是由一對(duì)橫封滾軸上的熱封頭同步轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中完成的。橫封熱封頭在點(diǎn)M處開(kāi)始變速與包裝薄膜的線速度同步，運(yùn)轉(zhuǎn)至點(diǎn)Q處施壓封合，切刀切斷。完成切割

43、之后，當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)至N點(diǎn)時(shí)進(jìn)行變速，為下一次的運(yùn)動(dòng)過(guò)程做準(zhǔn)備。在熱封頭由M點(diǎn)到Q點(diǎn)再由Q點(diǎn)至N點(diǎn)的過(guò)程中橫封的線速度始終與包裝薄膜的速度保持同步，這樣才能保證不會(huì)出現(xiàn)“逮”膜或“蹙”膜現(xiàn)象。根據(jù)橫封包裝的特點(diǎn)，采用同步段長(zhǎng)度固定的電子凸輪算法來(lái)控制，將運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為同步區(qū)和非同步區(qū)，在同步區(qū)上運(yùn)行時(shí)間占袋長(zhǎng)的時(shí)間是一定的。根據(jù)包裝袋長(zhǎng)的不同，電子凸輪的變速點(diǎn)N點(diǎn)不變，M點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整。假設(shè)上下橫封軸之間的中心距為120mm，則熱封頭旋轉(zhuǎn)一周為376.990mm，由于是雙刀，熱封頭轉(zhuǎn)一周包裝兩包產(chǎn)品，所以完成一包的周長(zhǎng)為一半，即188.495mm對(duì)應(yīng)180度。因?yàn)橥絽^(qū)是半個(gè)袋長(zhǎng)的長(zhǎng)度，其大小取決于橫封熱封

44、頭的寬度（本設(shè)計(jì)中橫封熱封頭寬度為25mm），將點(diǎn)M、N作為凸輪的變速點(diǎn)。3.5.2 橫封電子凸輪算法電子凸輪是通用運(yùn)動(dòng)控制器控制伺服電機(jī)由信號(hào)直接輸出轉(zhuǎn)角，伺服電機(jī)兼具驅(qū)動(dòng)與控制的雙重功能。電子凸輪的工作原理如圖3-8所示。通用運(yùn)動(dòng)控制器輸入預(yù)期的參數(shù)，發(fā)出位置指令信號(hào)C(t)，伺服放大器控制伺服電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角(t)，從而控制橫封機(jī)構(gòu)的輸出實(shí)現(xiàn)角位移(t) 。 圖3-8 電子凸輪控制原理圖 Fig.3-8 The principle of Electronic cam control如上所述的電子凸輪原理，下面給出該系統(tǒng)的伺服電機(jī)電脈沖頻率的推導(dǎo)過(guò)程及關(guān)系式。設(shè)自動(dòng)包裝機(jī)包速為包/，袋長(zhǎng)為，橫

45、封刀寬為 ( >)，橫封刀半徑為，機(jī)械傳動(dòng)比為。（1）因橫封刀封合切割時(shí)的線速度與包裝薄膜的速度一致，所以線速度公式為： （3-22）即可得橫封刀角速度的公式為 （3-23）又有，本設(shè)計(jì)采用通用運(yùn)動(dòng)控制器給伺服放大器發(fā)脈沖的形式控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此控制器發(fā)的脈沖頻率公式為 （3-24）其中，為伺服電機(jī)編碼器分辨率。（2）由電子凸輪推程和回程分別做等加速運(yùn)動(dòng)和等減速運(yùn)動(dòng)，加速度的絕對(duì)值相等，且二者用時(shí)相等，即，故可知存在一個(gè)速度最大點(diǎn)，此時(shí)的速度為 （3-25）故推程段線加速度為 （3-26）同時(shí)推程段每時(shí)刻的線速度為 （3-27）其中，故此時(shí)推程對(duì)應(yīng)的電脈沖頻率關(guān)系式為 （3-28）其

46、中 同理，可推導(dǎo)出回程對(duì)應(yīng)的電脈沖頻率關(guān)系式為 （3-29）其中3.6電子凸輪機(jī)構(gòu)的控制原理電子凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制核心是由單片機(jī)控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)式(3-18)或(3-20)所確定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，若上式確定的運(yùn)動(dòng)是一變速運(yùn)動(dòng)，則可由伺服電機(jī)的變頻控制來(lái)實(shí)現(xiàn)電子凸輪機(jī)構(gòu)的變速輸入運(yùn)動(dòng)，從而使該機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件輸出運(yùn)動(dòng)達(dá)到所期望的運(yùn)動(dòng)特性。3.5.1伺服電機(jī)的定步法控制該控制系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制器，其控制方法可采用定步法，具體實(shí)現(xiàn)如下：若式(3-18)所確定的曲線如圖3-9所示，假定升速段伺服電機(jī)運(yùn)行的總步數(shù)為，等分總步數(shù)得，可得個(gè)無(wú)因次時(shí)間點(diǎn)，然后求取每個(gè)時(shí)間點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的值，將其轉(zhuǎn)化為單片機(jī)定時(shí)器的時(shí)間常

47、數(shù)，則形成了一個(gè)關(guān)于總步數(shù)、頻率、等分?jǐn)?shù)的數(shù)據(jù)表，存入單片機(jī)內(nèi)存中形成控制表格，當(dāng)伺服電機(jī)在升降頻過(guò)程中每走過(guò)步后，改變一次時(shí)間常數(shù)，輸出進(jìn)給脈沖，以實(shí)現(xiàn)定步升降頻。由于在相鄰的兩個(gè)脈沖處，頻率突跳是根據(jù)由升頻曲線得到的表格查取的，因而這種頻率突跳能為伺服電機(jī)所接受，故定步法能較好的使伺服電機(jī)不丟步運(yùn)行。用定步法控制時(shí)，要求每個(gè)脈沖之間必須有一定的脈沖寬度(一般不小于5s)。圖3-9 定步法升、降速曲線Fig. 3-9 Step rise, drop speed curve3.7程序設(shè)計(jì)解析程序設(shè)計(jì)介紹電子凸輪的控制程序編制，其程序結(jié)構(gòu)如圖3-10所示。分為在微機(jī)上進(jìn)行的運(yùn)算程序和單片機(jī)控制程

48、序兩部分。由于單片機(jī)對(duì)復(fù)雜函數(shù)的運(yùn)算能力較差，所以單片機(jī)的控制數(shù)據(jù)表格在微機(jī)上用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)程序形成，然后寫(xiě)入到單片機(jī)的控制程序中。運(yùn)算程序包括：主程序、曲線離散運(yùn)算子程序、牛頓迭代子程序、顯示子程序。根據(jù)運(yùn)算程序流程圖3-10，對(duì)運(yùn)算主程序做如下幾點(diǎn)說(shuō)明：1運(yùn)動(dòng)參數(shù)的輸入包括：凸輪曲線形式；電子凸輪系統(tǒng)從動(dòng)件的運(yùn)行位移、伺服電機(jī)與從動(dòng)件之間的減速比，并由此轉(zhuǎn)化為伺服電機(jī)的運(yùn)行位移(單位：步數(shù))；伺服電機(jī)的最高運(yùn)行頻率和啟動(dòng)頻率；2運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算：調(diào)用曲線離散運(yùn)算子程序和牛頓迭代子程序，根據(jù)2.5節(jié)所述的原理計(jì)算出單片機(jī)控制伺服電機(jī)的數(shù)據(jù)表；3顯示預(yù)運(yùn)行曲線：將電子凸輪預(yù)運(yùn)行的凸輪曲線顯示出來(lái)

49、；4將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)表格轉(zhuǎn)化為單片機(jī)定時(shí)器的定時(shí)初值表。程序設(shè)計(jì)高級(jí)語(yǔ)言編制的運(yùn)算程序單片機(jī)控制程序曲線離散運(yùn)算子程序牛頓迭代子程序鍵盤(pán)子程序中斷控制子程序圖3-10 程序結(jié)構(gòu)圖Fig. 3-10 Program structure diagram單片機(jī)控制程序包括主程序、中斷控制輸出程序、鍵盤(pán)輸入程序，報(bào)警急停子程序。鍵盤(pán)輸入程序是在控制程序?qū)懭氲絾纹瑱C(jī)存儲(chǔ)器后，可由鍵盤(pán)選擇要求電子凸輪系統(tǒng)運(yùn)行的凸輪運(yùn)動(dòng)曲線。報(bào)警急停子程序是在電子凸輪出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)使電機(jī)停止運(yùn)行。開(kāi)始輸入運(yùn)動(dòng)參數(shù)調(diào)用運(yùn)算子程序，得到運(yùn)行總步數(shù)、數(shù)據(jù)表調(diào)用顯示子程序，顯示運(yùn)行參數(shù)與預(yù)運(yùn)行曲線將控制數(shù)據(jù)表寫(xiě)入到單片機(jī)中斷子程序

50、中結(jié)束圖3-11 程序結(jié)構(gòu)圖Fig.3-11 Program structure diagram根據(jù)圖3-12單片機(jī)控制主程序框圖，對(duì)單片機(jī)控制主程序做如下說(shuō)明：主程序處于中斷響應(yīng)等待狀態(tài)，按鍵中斷優(yōu)先級(jí)高于定時(shí)中斷，在有按鍵時(shí)，響應(yīng)按鍵中斷，判斷按下鍵值，如果是停機(jī)鍵則電子凸輪停止運(yùn)行，并重新初始化系統(tǒng)，如果是參數(shù)輸入鍵則等待參數(shù)輸入，確認(rèn)運(yùn)行。單片機(jī)根據(jù)輸入的凸輪曲線形式，自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的凸輪曲線定時(shí)中斷程序，啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，為保證電子凸輪運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，如果沒(méi)有按鍵輸入，則電機(jī)在完成一個(gè)分度行程后，自動(dòng)進(jìn)行下一個(gè)分度運(yùn)動(dòng)。 如果要求電子凸輪運(yùn)行程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的常用凸輪曲線之外

51、的其他曲線，則只需將單片機(jī)的控制數(shù)據(jù)表重新改寫(xiě)即可。圖3-12 單片機(jī)控制主程序框圖Fig.3-12 MCU control main program diagram根據(jù)電子凸輪機(jī)構(gòu)變速中斷子程序，對(duì)定時(shí)中斷子程序做如下說(shuō)明：?jiǎn)纹瑱C(jī)每響應(yīng)定時(shí)中斷一次發(fā)一驅(qū)動(dòng)脈沖使伺服電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，而每次中斷定時(shí)器的定時(shí)初值都是通過(guò)查表子程序在控制數(shù)據(jù)表格中查取。電子凸輪在一個(gè)行程中一般包括加速，恒速，減速三個(gè)階段，但是對(duì)于MS、MT曲線，沒(méi)有恒速過(guò)程，則在完成加速后自動(dòng)轉(zhuǎn)入減速階段。每次中斷過(guò)程中都判斷運(yùn)行總步數(shù)是否為零，如果為零則電子凸輪完成一次行程，如果沒(méi)有停機(jī)鍵按下，程序則轉(zhuǎn)入主程序重新開(kāi)始下一次運(yùn)

52、動(dòng)行程。 4 包裝機(jī)的三軸PID同步控制4.1 三軸同步控制原理新型三伺服自動(dòng)包裝機(jī)采用三臺(tái)伺服電機(jī)分別控制橫封軸、包裝膜軸和送料軸的三軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。三軸同步控制是通過(guò)通用運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)橫封刀軸、包裝膜軸及送料軸伺服電機(jī)的控制，使橫封切刀正好切在物料輸送到包裝袋位置之間的間隔上，保證包裝袋的速度與橫封切刀切割點(diǎn)的線速度同步，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精確包裝。 圖4-1 同步控制示意圖Fig.4-1 The schematic diagram of synchronous control 如圖4-1所示為同步控制示意圖。其中，橫封刀伺服電機(jī)主要實(shí)現(xiàn)電子凸輪運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)包裝膜的橫封封合與切斷。包裝膜軸伺服電機(jī)不僅控

53、制薄膜的輸送，還控制縱封輥輪以及輸出機(jī)的運(yùn)動(dòng)。送料軸伺服電機(jī)主要控制送料撥叉將物料送入成型器中，并保證物料輸送到包裝膜的料位位置，實(shí)現(xiàn)橫封刀封合切割在物料的間隙。但是，在實(shí)際的包裝過(guò)程中包裝膜有時(shí)與橫封刀的同步速度不一致，就會(huì)出現(xiàn)“逮”膜或“蹙”膜等現(xiàn)象。如果送料撥叉送料位置不匹配，還會(huì)出現(xiàn)切料的情況。因此，需要對(duì)包裝膜軸和送料軸進(jìn)行補(bǔ)償，采用PID補(bǔ)償算法。4.2 PID補(bǔ)償算法PID控制器就是將偏差的比例(P)積分(I)和微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。模擬(PID)控制原理：模擬PID控制系統(tǒng)原理圖如圖所示。該系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成 圖4-

54、2 PID控制框圖Figure 4-2 PID control block diagram圖4-2中，r(t)為電機(jī)M2給定轉(zhuǎn)速值,y(t)是M2的實(shí)際輸出值，由槽型光藕、碼盤(pán)和霍爾開(kāi)關(guān)測(cè)得，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差 e(t) = r(t) y(t) 。e(t)作為PID控制器的輸入， u(t) 作PID控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入。所以模擬PID控制器的控制規(guī)律為：u(t)=Kpe(t)+1IT0e(t)dt+TDde(t)dt+u(0).其中: KP 比例系數(shù)、IT 積分常數(shù)、TD 微分常數(shù)、u(0)控制常量比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差瞬間做出快速反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用， 使控制量向減少偏差的方向變化?？刂谱饔玫膹?qiáng)KP會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩， 破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分環(huán)節(jié)的作用是把偏差的積累作為輸出。在控制過(guò)程中， 只要有偏差存在，積分環(huán)節(jié)的輸出就會(huì)不斷增大。積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會(huì)消除靜態(tài)誤差，但也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)過(guò)程，但可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化。它是根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)（變化速度） 進(jìn)行控制。偏差變化得越快，微分控制器e的輸出越大，并能在偏差值變大之前進(jìn)行修正。微分作用的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服震，使系統(tǒng)趨