电子凸轮摇床头运动轨迹控制系统设计与研究.pdf

8 2 有色金属 选矿部分2 0 1 8 年第6 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 8 ．0 6 ．0 1 6 电子凸轮摇床头运动轨迹控制系统设计与研究 李洪锋1 ，魏镜搜1 ，陈天骏1 ，许维维2 ，付亚伟3 1 ．昆明理工大学机电工程学院，昆明6 5 0 0 9 3 ；2 ．云南华联锌铟股份有限公司，云南文山6 6 3 7 0 1 ； 3 ．中国铁建高新装备股份有限公司，昆明6 5 0 0 9 3 摘要针对传统选矿摇床效率低、噪声大、摇床头内部结构复杂以及加工困难等问题，设计出一种由电子凸轮 摇床头运动轨迹控制系统。通过对传统摇床头的运动特性、运动曲线规律和伺服控制等方面进行分析，提出了一种运 用电子凸轮作为动力输出的控制系统。首先，选用P L C 作为控制器，采用半闭环控制模式的伺服驱动器进行控制伺 服电机；其次，以普拉特一奥运动曲线作为凸轮曲线加入到控制器内；最后，伺服电机连接滚珠丝杠来带动摇床床面实 现不对称往复直线运动。结果表明，相对于传统的选矿摇床，电子凸轮摇床由P L C 自动控制，更容易实现其运动轨迹 的控制，有利于提高摇床的品位及回收率，且易于实现生产自动控制。 关键词选矿摇床；电子凸轮；运动轨迹；伺服系统；P L C 中图分类号T D 4 5 5 ．2 文献标志码A 文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 8 0 6 - 0 0 8 2 - 0 5 D e s i g na n dR e s e a r c ho nM o t i o nT r a j e c t o r yC o n t r o lS y s t e m o fE l e c t r o n i cC a mS h a k e rH e a d L IH o n g f e n g l 。W E IJ i n g t a o l ，C H E NT a n j u n 。，X UW e i w e i z ，F UY a w e i ‘ 1 ．C o l l e g eo f E l e c t r i c a la n dM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ， K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，K u n m i n g6 5 0 0 9 3 ，C h i n a ； 2 ．Y u n n a nH u a l i a nZ i n ca n dl n d i u m vS t o c kC o ．，L t d ．，W e n s h a nY u n n a n6 6 3 7 0 1 ，C h i n a ； 3 ．C r c cH i g h t e c hE q u i p m e n tC o r p o r a t i o nL i m i t e d ，K u n m i n g6 5 0 0 9 3 ，C h i n a A b s t r a c t r I 1 1 et r a d i t i o n a lb e n e f i c i a t i o ns h a k i n gt a b l eh a st h ep r o b l e m so fl o we f f i c i e n c y ，h i g hn o i s e ， c o m p l i c a t e di n t e r n a ls t r u c t u r eo ft h es h a k i n gt a b l eh e a d ，a n dd i f f i c u l tp r o c e s s i n g ．T os o l v et h e s ep r o b l e m s ，a m o t i o nt r a j e c t o r yc o n t r o l s y s t e mf o ra ne l e c t r o n i c c a ms w i n gh e a dw a sd e s i g n e d ．B ya n a l y z i n gt h em o t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，m o t i o nc u r v ea n ds e r v oc o n t r o lo ft h et r a d i t i o n a ls h a k i n gt a b l eh e a d ，t h i sp a p e rp r o p o s e sac o n t r o l s y s t e mu s i n ge l e c t r o n i cc a ma sp o w e ro u t p u t ．F i r s t l y ，t h eP L Ci s u s e da sac o n t r o l l e r ，a n das e m i c l o s e dl o o p c o n t r o ls e r v od r i v ei su s e dt od r i v et h es e r v om o t o r ．S e c o n d l y ，t h eP l a t Om o t i o nc u r v ei sa d d e dt ot h ec o n t r o l l e ra s ac a mc u r v e ．F i n a l l y ，t h es e r v om o t o ri sc o n n e c t e dw i t hab a l ls c r e wt od r i v et h eb e do ft h es h a k i n gt a b l et or e a l i z e a na s y m m e t r i cr e c i p r o c a t i n gl i n e a rm o t i o n ．T h er e s u l t ss h o wt h a t ．c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lb e n e f i c i a t i o n s h a k i n gt a b l e ，t h ee l e c t r o n i cc a ms h a k e ri sa u t o m a t i c a l l yc o n t r o l l e db yt h eP L C ，w h i c hi se a s i e rt oa c h i e v et h e c o n t r o lo fi t st r a j e c t o r y ，w h i c hi sb e n e f i c i a lt oi m p r o v et h eg r a d ea n dr e c o v e r yr a t eo ft h es h a k e r ，a n di se a s yt o i m p l e m e n ta u t o m a t i cp r o d u c t i o nc o n t r 0 1 ． K e yw o r d s o r es h a k i n gt a b l e ；e l e c t r o n i cc a m ；t r a c ko fm o t i o n ；s e r v os y s t e m ；P L C 摇床属于流膜选矿类设备，它是在1 9 世纪末由 早期平面溜槽发展而来的[ 1 | 。到了2 0 世纪5 0 年 代，摇床的应用越来越广泛‘2 | 。于是摇床便以其不 对称往复运动为特征而自成体系，并广泛应用于选 别锡、钨、煤、有色和稀有金属矿石‘3 1 。选矿摇床是 收稿日期2 0 1 8 - 0 5 - 0 2修回日期2 0 1 8 - 1 0 ．1 4 作者简介李洪锋 1 9 9 0 一 ，男，山东菏泽人，硕士研究生。 通讯作者魏镜搜 1 9 6 4 - ，男，四川三台人，博士，副教授。 在分选细粒矿石时经常会使用到的装备。筛选金属 矿石时，选别粒度的有效范围是0 ．0 1 9 。3m m [ 4 | 。 摇床的优点在于其分选精确度非常高。经过一次选 别，不仅可以得到品质高的精矿，并且可以同时分选 出多种其它产品。平面摇床的另一个优势在于其使 万方数据 2 0 1 8 年第6 期李洪锋等电子凸轮摇床头运动轨迹控制系统设计与研究 8 3 用的过程中便于调节与管理。然而，平面摇床也存 在一些劣势。比如设备占用面积大、噪声剧烈，以及 单位厂房面积处理能力低效。 在我国现有的技术发展水平条件下，最广泛使 用的摇床设备主要分为三种。一是6 ．S 摇床。6 ．S 摇床的传动机构为偏心连杆式床头，其优点在于冲 程范围大，松散能力强，缺点是结构复杂、易磨损零 件多；二是云锡 式 摇床。云锡 式 摇床的连杆机 构采用的是凸轮杠杆式，摇床头机构的运转可靠，不 易磨损零件，其劣势为弹簧安装在床面底部，不便于 调节冲程；三是弹簧摇床。弹簧摇床虽然造价成本 较低，但其冲程会随负荷改变而改变【5J 。事实上， 选矿摇床的应用实践历经了1 0 0 多年的历史。长期 以来，选矿摇床显然已经形成了固定的、单一的模 式【6J 。电子凸轮控制系统在以上摇床的应用发展 不成熟，本文提出的控制系统通过控制不同运动曲 线适用于以上选矿摇床。 电子凸轮刮是根据机械凸轮的原理设计的， 它是通过编程，然后把相应的程序输人控制器，随后 控制输出实际凸轮的运动轨迹。国外对电子凸轮的 理论与应用作了较多研究一J 。丹麦的D a n f o s s 丹佛 斯 的M C 0 3 0 5 运动控制器具有电子凸轮的功能， 但只能对四种运动曲线插补。美国D e l t aT a uD a t a S y s t e m 公司推出P M A C P r o g r a m m a b l eM u l t i ．A x i s C o n t r o l l e r 可编程多轴运动控制器，是一个完全开放 的系统，是世界上功能最强大的运动控制器之一。 P M A C 提供了基于时基控制的电子凸轮功能。国内在 电子凸轮方面的研究相对还是比较落后，其中大部分 仍以应用为重点，而具很少有自主知识产权的研发。 因此，进一步研究电子凸轮具有重要的现实意义。 因此，本文将凸轮曲线加入电子凸轮中，致力于 电子凸轮摇床头的创新研究。该电子凸轮的控制器 采用西门子可编程逻辑控制器，摇床的执行电机选 用l T F 7 永磁同步伺服电机，随之选用S I N A M I C S S 1 2 0 作为伺服电机驱动器。重点在于运动轨迹的 实现，它是由运动曲线方程和差动性判据优化后得 出来的凸轮曲线，通过编程实现相应的运动轨迹。 电子凸轮摇床头的设计在一定程度上可以为后期选 矿摇床的发展提供技术支撑。 控制器，把普拉特．奥运动曲线方程作为凸轮曲线加 入到控制器内[ 2 1 ；采用半闭环控制模式的伺服驱动 器驱动伺服电机，使伺服电机连接滚珠丝杠来带动 摇床床面实现不对称往复直线运动。电子凸轮的控 制系统运用半闭环结构式位置伺服系统，永磁同步 伺服电机轴的转角位移作为被控制量，采用轴编码 器作为位置检测元件。目前，半闭环结构式系统是 运动控制系统领域当中应用最为广泛的0 。。其主 要原因在于它的电气自动控制部分与机械部分是相 对独立的，这样的设计方式能够实现驱动器的通用 化。图1 所示的是半闭环位置伺服系统框图。 丝杠 位置速度检测兀件 位置反馈速度反馈 图1 半闭环位置伺服系统框图 F i g ．1 B l o c kg r a p ho fs e m i c l o s e dl o o p p o s i t i o ns e r v os y s t e m 本论文的设计采用可编程控制器P L C 来实现 对电子凸轮的控制。系统结构框图如图2 所示。 f 谰 图2 电子凸轮系统结构框图 F i g ．2 S t r u c t u r eg r a p ho fe l e c t r o n i cC A Ms y s t e m 电子凸轮系统是由P L C 控制器通过普拉特- 奥 运动曲线控制伺服电机的方式来实现选矿摇床的不 对称性往复直线运动。轴编码器将速度和位移反馈 给控制器和伺服驱动器，从而形成半闭环控制1 l 。 系统根据摇床差动性判据条件改变输入运动曲线， 这可以改变传统选矿摇床参数可调范围小的问题， 该系统能够实现参数可调节，适用于更广的选矿 领域。 1 系统结构与总体方案2电子凸轮系统的设计研究 本文主要介绍电子凸轮摇床头运动轨迹的设计 研究。摇床头由P L C 、伺服驱动器、伺服电机、联轴 器、滚珠丝杠等组成。选用S I M A T I Cs 7 - 1 2 0 0 作为 电子凸轮包括硬件和控制软件两个部分m 1 。硬 件部分主要由P I E 控制器、伺服驱动器、伺服电机、滚 珠丝杠组成；软件部分主要由凸轮曲线的编制和系统 万方数据 8 4 有色金属 选矿部分2 0 1 8 年第6 期 运行程序的编制构成。本节涵括电子凸轮的两个硬 件设计研究，即电子凸轮的控制器与执行机构3 | 。 2 ．1电子凸轮控制器的设计研究 运动控制器是整个运动控制系统中至关重要的 部分4 | 。一般来说，电子凸轮的控制器常选用可编 程逻辑控制器、运动控制卡，以及数字信号处理。本 研究的设计主要采用S I M A T I CS 7 ．1 2 0 0 控制器，它 将微处理器、高速运动控制、输入和输出电路、板载 模拟量输入、l f O 以及集成电源组合而成一个功能 强大的控制器。因而，S 7 ．1 2 0 0 控制器能够方便地 执行位置控制、速度控制等基本运动控制功能，从而 被广泛运用于各行各业的自动化解决方案中。 2 ．2 电子凸轮执行机构的设计理论 本设计选择伺服电机作为执行机构，因为伺服 电机具有能够实现半闭环控制和闭环控制的优势。 在运动控制系统中，伺服电机的主要功能是作为执 行元件和检测元件5 I 。执行元件用于驱动被控对 象，即摇床的工作台；检测元件的作用是将输出量变 换成与输入量相同的物理量，有利于与输入量进行 比6 | 。执行机构的主要功能是将控制对象的信号转 换成被控对象的位移和速度信号。将伺服电机作为 执行机构具有以下优点响应速度快，高效和高可靠 性等。根据特定工况下从动件所承受的负载以及转 速来设计伺服电机，以此选定电子凸轮的执行机构。 因此，根据电子凸轮的负载要求，并且经过严密 地计算，计算过程不再阐述。本次研究选择了lm 永磁同步伺服电机作为电子凸轮的执行机构。 2 ．3 电子凸轮的软件设计研究 电子凸轮的软件设计主要包括整个运动控制的 编程与凸轮曲线的编制。本设计主要使用到的软件 有w i n d o w s 7 、S T E P 7 以及S I M O T I O NS C O U T 。首先， 建立S I M O T I O N 项目；随后，在进行程序编写和调试 之前，需要进行一些准备工作。例如，项目的组态、 配置S I N A M I C SS 1 2 0 驱动器、配置S I M O T I O N 位置 轴，以及调试等。本次编制的重点是凸轮曲线的设 定，S C O U T 软件包中的凸轮文本编辑器恰好可以满 足对凸轮曲线的编制；C a mT o o l 工具包能够提供全 图形化的凸轮编辑与优化工具，并且可以集成在 S C O U T 的图形化用户接口ⅢJ 。 S I M O T I O N 设备所支持的编程语言种类包含 D C C 、S T 、L A D ／F B D 、M C C 。本次设计运用了S T 、 M C C 和L A D ／F B D 三种语言进行编程。这三种编程 语言各具优势。M C C 语言易于编写运动控制程序； L A D ／F B D 语言容易实现逻辑控制功能；S T 语言便 于实现复杂的运动、工艺和逻辑控制功能8 | 。那 么，在编程时可以依据工艺的要求，将不同的功能进 行分解，然后编写成多个独立的程序，以便于将这些 程序能够分门别类加以分配到执行系统当中。具体 而言，在本次设计过程中，运用s T 语言来编写数据 初始化和H M I 的数据交换两段程序；使用M C C 语 言编写运动控制程序，以及运用L A D ／F B D 语言编 写逻辑控制程序。显然，对以上三种编程语言合理 分配有利于清晰读取，且便于后期修改。程序编辑 的流程图如下图3 所示。 图3 程序编辑流程图 F i g ．3P r o g r a me d i t i n gf l o w c h a r t 3 运动轨迹的设计研究 以云锡 式 摇床为例，简述电子凸轮 式 摇床 头运动轨迹实现的过程。 在上述硬件电路基础之上，编写逻辑程序、控制 程序以及编制凸轮曲线。本设计中，以普拉特一奥运 动曲线作为凸轮曲线。下文主要介绍普拉特- 奥运 动曲线的编制，并且根据差动性判据适当地修改运 动曲线加以操作，由此来实现更好的差动性。 云锡 式 摇床凸轮杠杆运动曲线，即普拉特一 奥运动曲线方程 S 八￡ A o ∑A k c o s k t o t ∑B k s i n k t o t 1 当k 4 时，摇床的精确度足够满足要求。对于 上式微分运算，可得速度和加速度的方程式如下 秽 i d S ∑ 一A 。鼬 s i n k t o t ∑ B k k t o c o s k t o t 2 k 1 万方数据 2 0 1 8 年第6 期 李洪锋等电子凸轮摇床头运动轨迹控制系统设计与研究 8 5 口 害 砉 - A k k 2 础2 0 s ‰ ∑ 一B k k 2 ∞2 s i n k t o t 3 k l 运用实测法对云锡 式 摇床的转角 t o t 与床 表1 T a b l el 面为位移 S ，得出的数值见表1 。 利用表1 实例值确定出公式中A 。、A 。、B 。的值 见表2 ，运用M A T L A B 可以绘制出摇床一个周期的 运动特性曲线，如图4 所示。 云锡摇床转角和位移测量数值 M e a s u r e m e n tv a l u e so fa n g l ea n dd i s p l a c e m e n to fY u n x is h a k e r 图4 凸轮杠杆机构床头运动特性曲线 F i g ．4 T h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo ft h e h e a do fs h a k e ro ft h ec a ml e v e rm e c h a n i s m 在正、负加速度上的差别是摇床差动性的重要 表现，因而可以通过时间比对差动性进行评定。常 用的判据方法有E 。、E 及c 法。它们的定义分别是 E 一废亘煎选煎坐嬖蜃逞蜃坐壁逝旦盟间 叫一床面前进后半段 后退前半段所用时间 4 F 一鏖亘煎鲎匮旦盟间，r , 2 一床面后退所用时间 7 r 一鱼囱地逵廑量太值r m 。一正向加速度最大值 7 由于床面前进到后半段时，总是要有急回运动， 所以E ， 1 。E 可以大于1 ，也可以小于1 。当既大 于1 时，床面前进的时间增长，后退时间缩短；颗粒 向后滑动的可能性减小，有利于颗粒向前运动。E ， 与E 相比较，E 。表示床面急回运动的强弱，故比E 更为重要。参数c 虽然可直接表示出差动性的大 小，但对加速度值的测量和推到存在很大误差，很少 使用。云锡摇床差动性判据值见下表3 。 表3我国云锡摇床的差动性判据值 T a b l e3D i f f e r e n t i a lc r i t e r i o nv a l u e so fY u ns h a k e r ／％ 在计算时可以取E ． 1 ．8 8 ，E 1 ．2 4 ，经过计 算和调整，最后通过软件S I M O T I O NS C O U T 中的凸 轮文本编辑器画出凸轮曲线如图5 。 00 ．20 ．40 ．60 ．8l1 ．2 时I b l ／s 图5 凸轮曲线的编辑图 F i g ．5 E d i t o rg r a p ho ft h eC A Mc u r v e 本次设计研究选用的选矿摇床的冲次为 3 0 0 次／m i n ，横坐标总的时间为1S ，因此可编制出5 个周期。纵坐标表示位移。凸轮曲线编制完成之后 还需编制转角的大小，本次参数设置主动轴的角度 范围为3 6 0 0 ，从动轴的角度范围为2 0 。，这样就将电 机轴与工作台的位置对应起来，在电机轴转动1 8 0 7 6 5 4 3 2 l O O O O 0 O O O gⅢ，渣迥 万方数据 8 6 有色金属 选矿部分2 0 1 8 年第6 期 0 ．1 时，工作台移动1m m 0 ．1 位置，此时即已建 立同步，实现相应的运动轨迹。 4结论 从动件运动规律会随着机械凸轮外轮廓的形成 而确定9 | 。然而在本设计研究中，选矿摇床所运用 到的电子凸轮是通过编制普拉特一奥运动曲线实现 其运动轨迹的，且在很大成度上减少了机械部件在 可靠性上对系统带来的影响，满足了高速、高稳定性 以及高精度的要求。 本设计研究采用电子凸轮控制系统作为摇床 头，由S I N A M I C SS 7 1 2 0 0 控制器、S I N A M I C SS 1 2 0 伺服驱动器与1 T F v 7 永磁同步伺服电机组成。这项 设计可达到两个目的。第一，本设计研究突破传统 选矿摇床参数可调范围小的不足，通过改变凸轮曲 线达到所需要的运动轨迹。第二，电子凸轮系统不 存在机械凸轮，无机械部件的磨损，具有运行精度 高、节约空间的优势。诚然，本设计在生产实践中还 存在不足，那就是仍需在工厂内进行广泛实践应用。 通过不断地运用，对运动曲线进行适当地调整，才能 在实际生产活动中进一步提高摇床的差动性。 参考文献 [ 1 ] 陶有俊，刘炯天，高敏．流膜分选技术研究与应用进 展[ J ] ．选矿技术，2 0 0 6 5 4 2 - 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