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摘要：本文通過作者主導的項目實踐，講述了通過德國力士樂IndraWorksEngineering7.166軟件開發平臺，針對哈爾濱東安某軍工企業定購的一臺LG60高精度回轉送進冷軋管機設備提出的要求，設計的一種可由客戶靈活在線改變回轉、送進工作模式的柔性電子凸輪以及為其配套設計的運動控制系統的應用案例。對有類似方面的工程應用需求，希望能起到很好的指導作用。

關鍵詞：運動控制系統設計；柔性電子凸輪設計與運動軌跡的實現

1前言

由于傳統的機械式凸輪，不僅僅設計打樣、符合性實驗占用的周期長，耗費的物力財力人力多，而且對于復雜的凸輪曲線更是加工制造困難，精度不能保證，體積龐大笨重，后期維護成本也很高。隨著電子凸輪技術的出現和應用，傳統的機械式凸輪已基本被淘汰。但對于可由操作人員在線修改參數就可改變的凸輪曲線的應用，由于每個具體應用的場合和要求都不相同，千差萬別，因此，只能是根據具體的應用需求，針對性的利用其軟件平臺去進行二次開發。本文通過具體的工程項目實踐，介紹了在LG60高精度冷軋管機上開發的一種柔性電子凸輪的應用成果。

2設備組成與性能參數要求：

該設備機械部分包括上料系統、回轉送進裝置、芯棒卡緊機構、中間床身、送進小車、機架、基座，入口卡盤、偏心齒輪箱，主傳動機構，芯棒裝置、出料系統，管坯內潤滑裝置、成品快速拉出裝置等組成。設備流體部分包括液壓站、工藝潤滑站等部分。主傳動機構帶動機架做往復運動，機架速度要求達到85次/min。設備要求送進量的大小、回轉角度的大小不僅可無極調整，而且每次的回轉角度、送進量要精確。機架往復一次總的送進量在0~12mm/次無極可調，回轉角度在0°~60°/次無極可調。同時，客戶提出了希望能自己根據材料的不同，可靈活在線改變前、后回轉角度值、送進量值這一特殊要求。

3運動控制系統的硬件方案設計：

為了滿足設備最大的軋制次數以及最大送進量、最大回轉角度等參數要求，我們選用了德國力士樂CML40.2-SP-330-NA-NNNN-NW運動控制器，配置同步控制固件FWA-CML402-MLC-04VRS-D0作為本系統的自動化控制單元。該MLC40運動控制器除了兼具普通PLC的功能外，更具有強大的Motion運動控制功能和支持多協議的通信功能。由于主傳動采用的是國產Z4系列直流電機，為了保證調速精度和增加設備的可靠性，我們采用ABBDCS550-S2-450-05（帶DP通信附件）直流調速器來實現對軋機主傳動的無極調速。由于MLC40運動控制器自帶DP串口，所以與ABBDCS550我們采用PROFIBUS-DP現場總線進行數據通信。管坯回轉機構、管坯送進機構的傳動選用了兩臺力士樂的同步電機MSK131B-0200-NN-S1-AG0-NNNN，該電機慣量小，抗沖擊性能好，瞬時過載力矩達500%，非常適合這種快速、頻繁啟停的工況。同時，伺服電機驅動器采用力士樂多軸共直流母線方案，既保證了頻繁快啟快停的要求，也省掉了制動單元和制動電阻等硬件，減少了電柜空間的占用。兩臺伺服控制器逆變單元HMS01.1N-W0150-A-07-NNNN，回轉電機驅動器控制單元為CSB01.1C-SE-ENS-EN2-NN-S-NN-FW，送進電機驅動控制單元為CSB01.1N-SE-ENS-NNN-NN-S-FW。MLC40運動控制器通過自帶的SERCOS光纖接口與回轉、送進兩臺伺服控制器通過光纖進行通信，確保實時數據快速交換。在軋機主傳動軸上，我們配置了德國海德漢的單圈絕對值編碼器GDS02.1-2048-014V-H12。由于在回轉伺服控制單元的選型上，我們選用了帶外部編碼器接口功能的組件，該外部編碼器采集的數據可以很方便的通過專用接口采集到MLC40運動控制器中。同時，為了實現人機交互，選用了臺灣研華PPC3120-12吋帶觸摸的平板工控機作為人機界面。MLC40運動控制器通過自帶的以太網口與工控機通過OPC協議進行數據通信。因此，從硬件的方案配置設計方面，為運動控制系統的響應性、穩定性和可靠性提供了保障。如圖示。

4柔性電子凸輪的設計方法與實例：

通常情況，我們只需要設計一條固定的凸輪曲線，就可以滿足回轉角度、送進量無極可調的要求。但為了滿足客戶提出的能自己根據材料不同，可在線改變前、后回轉的角度、送進量的值這一特殊要求，我們只能利用力士樂提供的IndraWorksEngineering7.166軟件平臺進行二次開發，按照預定的凸輪曲線軌跡，設計一種可在線改變的柔性電子凸輪。首先，我們定義外部絕對值編碼器為MASTER軸，即下面程序中的EA1軸。定義送進伺服電機為SLAVE1軸，即下面程序調用中的RA1軸；定義回轉伺服電機為SLAVE2軸，即下面程序調用中的RA3軸。如圖示。其次，明確運動軌跡，可以利用凸輪設計工具設計出需要的固定運動凸輪曲線。然后，參照上面需要達到的運動軌跡，作為我們設計的參考依據，改編成帶有多個變量輸入的柔性凸輪曲線的程序塊FB。為此，我們先定義塊名稱為Z-test。再定義必要的輸入輸出變量，利用經過反復的設計、調試、修改，完成了符合上述運動曲線的柔性電子凸輪的設計工作。Z-test塊程序設計是本項目的難點和特色。

5運動軌跡的實現技巧：

在我們編寫好柔性凸輪程序文件塊Z-test以后，我們就可以在MLC40中調用該FB塊，從而生成所需要的凸輪曲線文件，這里定義的曲線名稱為CAM0。送進軸與回轉軸：其次，從IndraWorksEngineering軟件提供的運動控制庫中，針對送進軸和回轉軸，分別調用運動控制指令塊ML-FlexProfile，建立凸輪同步，來驅動回轉和送進兩臺伺服電機，使其按照生成的柔性凸輪曲線，與主軸同步，去實現所需的運動。例如，送進軸RA1，主軸EA1，如下圖。當系統投入生產時或在生產過程中，我們可以直接在系統配置的工控機界面中通過輸入前、后回轉角度與送進量等參數值，靈活改變回轉、送進的工作區間，得到希望的回轉、送進工作模式。兩臺伺服電機跟隨EA1軸，按照編寫的凸輪曲線，實現所需的運動，非常方便適用。最后強調一點，如果需要停止跟隨運動，在這里，我們使用運動控制指令MC-GearOut和MC-Stop指令一起來實現解耦和快停。以上這些使用技巧，與固定凸輪曲線的運用實現方法是有所不同的。需要注意。

6結束語

本項目是作者設計過的高精度回轉送進伺服冷軋管機中，滿足客戶需求，實現難度較大的一個項目。該項目經過五年多的生產實際運行，證明控制系統穩定可靠，柔性凸輪設計有效可行。同時，通過該項目的實施小結，舉一反三，在類似有這方面要求的其他項目的應用中，對如何去設計柔性電子凸輪，并去實現其運動軌跡。相信會給同行們提供一定的技術參考。當然，可能還有很多沒有注意到的細節，需要我們去進一步挖掘、開發和完善。

作者：彭澤豐 孫志剛 a單位：廣東冠邦科技有限公司