【正文】 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 1 一種壓力機用凸輪控制器電控系統(tǒng)設(shè)計 摘要： 在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中，多數(shù)自動控制設(shè)備都具有循環(huán)往復運行特點。而電子式凸輪開關(guān)以其角度設(shè)置方便、功能多、體積小、可靠性高等優(yōu)點 ， 在這種循環(huán)性的自動控制中得到了廣泛的應用。電子凸輪是根據(jù)機械凸輪的原理設(shè)計的，在一定程度上克服了機械式開關(guān)的一些缺陷，性能上也有了較明顯的改進。 關(guān)鍵詞：可編程凸輪控制器 方案設(shè)計 電路 硬件 1 引言 隨著科技進步和數(shù)字伺服技術(shù)的出現(xiàn)，在傳動及控制系統(tǒng)中我們可以利用電子凸輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械凸輪實現(xiàn)各種復雜的往復運動。電子凸輪是以伺服控制技術(shù) 為基礎(chǔ)，并結(jié)合先進的微處理器，通過數(shù)字化系統(tǒng)實現(xiàn)模擬機械凸輪的功能 。 本設(shè)計主要研究壓力機上的凸輪控制。壓力機具有用途廣泛，生產(chǎn)效率高等特點。 壓力機的機械原理是由電動機通過摩擦盤帶動飛輪輪緣而使飛輪旋轉(zhuǎn)。 壓力 機上的電子凸輪要和 PLC 配合使用，電子凸輪從 PLC 那里得到壓力機在不同工作模式下的信號，然后判斷如何實現(xiàn)停機。 凸輪控制器亦稱接觸器式控制器。因為它的動、靜觸頭的動作原理與接觸器極其類似。至于二者的不同之處，僅僅有別于凸輪控制器是憑借人工操縱的，并且能換接較多數(shù)目的電器，而接觸器系具有電磁吸引力實現(xiàn) 驅(qū)動的遠距離操作方式，觸頭數(shù)目較少。是一種大型的控制電器，也是多檔位、多觸點，利用手動操作，轉(zhuǎn)動凸輪去接通和分斷通過大電流的觸頭轉(zhuǎn)換開關(guān)。凸輪控制器主要用于起重設(shè)備中控制中小型繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的啟動，停止，調(diào)速，換向和制動，也適用于有相同要求的其它電力拖動場合。凸輪控制器有兩類：一類是機械式；另一類是電子式。 機械凸輪是一種角度感應和控制裝置，通過在金屬盤片上加工出一定形狀的輪廓曲線，使其在某個位置可以有效的使與之接近的微動開關(guān)產(chǎn)生動作－導通或截止 。 機 械凸輪控制器出現(xiàn)較早，但是在應用過程中，發(fā)現(xiàn)了諸多不足： ①效率低，這是因為機械連接的安裝需要的步驟多，復雜程度高，并且完成后還需要一直進行維護；②操作過程噪聲大；③適應性差，無法適應不同的模板；④無論是在安裝設(shè)計階段還是機器最終完成后，機器性能的可量測性很差，無法預測機器的性能；⑤機床運行速度快凸輪輸出響應滯后，不適合沖壓行業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品的要求，因為它很難提供達到工藝要求的各種精確角度；⑥機械凸輪一般安裝在機床頂部，調(diào)整角度非常麻煩，費時費力，還容易誤調(diào)整造成機床不安全。 相對于機械凸輪 ， 電子凸輪對大部分人來說都是比較陌生的，但電子凸輪的優(yōu)點遠遠超過機械凸輪。 電子凸輪完全克服了 上述 缺點，它更能適應現(xiàn)在市場的需求 ，具有十分廣闊的潛在市場。 電子凸輪又稱 Electronic CAM，是模擬機械凸輪的一種智能控制器。電子凸輪是根據(jù)機械凸輪的特點 ,用一個驅(qū)動裝置 （如步進電機） 直接驅(qū)動頂桿運動 ,而驅(qū)動裝置由控制系統(tǒng)控制 ,從而實現(xiàn)機械凸輪系統(tǒng)功能的機電一體化產(chǎn)品。由于該系統(tǒng)采用計算機控制 ,計算機輸出數(shù)字量直接控制或經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量后控制驅(qū)動裝置運動 ,實現(xiàn)頂桿的運動 ,故稱為電子凸輪。 電子凸輪控制器早已廣泛地使用在機械壓力機上。 凸輪控制器應用于鋼鐵、冶金、機械、輕工、礦山 等自動化設(shè)備及各種自動流水線上。 隨著國內(nèi)制造業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)機械壓力機市場對電子凸輪的需求量也日趨增大，目前，在機械壓力機上電子凸輪替代機械凸輪已成為一種趨勢。 凸輪控制器是機械壓力機電氣控制系統(tǒng)的重要組成部分。在機械壓力機的一個工作循環(huán)中，主機和輔機各工作機構(gòu)的動作有嚴格的邏輯關(guān)系，包括動作的順序和動作所占用的時間。處理工作機構(gòu)邏輯關(guān)系是由凸 輪控制器來實現(xiàn)，凸輪控制器對曲軸旋轉(zhuǎn)角度進行分配，發(fā)出相應信號。在壓力機上，編碼器隨曲軸的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，電子凸輪將接受到的編碼器脈沖信號轉(zhuǎn)換成角度或沖程速度在面板上顯示，壓 力機所需的凸輪角度范圍可在凸輪面板上進行任 意的無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 2 設(shè)置。電子凸輪顯示比較直觀，角度和沖程速度用數(shù)碼管直接顯示， 角度設(shè)定也非常方便和安全，直接用按鍵在面板上設(shè)定 。 機械凸輪去掉后，機床上原先設(shè)計的凸輪傳動機構(gòu)去掉了，簡化了機床結(jié)構(gòu)，便于機床日常檢修。電子凸輪可以實時監(jiān)視到離合器制動器的剎車角度、剎車時 的速度、 判斷剎車穩(wěn)定性、判斷剎車性能；系統(tǒng)可以記憶離合器的離合次數(shù)，來判斷離合器的使用頻率高低。電子凸輪的出現(xiàn)最初僅僅是為了取代機械凸輪。隨著電子技術(shù)高速發(fā)展，電子凸輪逐漸集成了很多新功能，這些新功能提高了機床的性能、 自動化水平和安全性。目前，電子凸輪還在向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、冗余控制方向發(fā)展。 2 方案論證 方案一 ： 可編程凸輪控制器主控制器設(shè)計 圖 1 可編程凸輪控制器的系統(tǒng)框圖 如圖 1 所示， 旋轉(zhuǎn)編碼器與壓力機曲軸連接 ,用于檢測壓力機曲軸在 0~359b 之間所處的位置 ,并將所測出的位置信息傳給控制器。在 1 個循環(huán)周期內(nèi) ,控制器把旋轉(zhuǎn)編碼器傳來的數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后變成主控機能識別的代碼 ,然后根據(jù)此代碼找到用戶外部輸出數(shù)據(jù) ,最后輸出到外部器件 ,使相應輸出端子導通 ,完成對壓力機 附屬系統(tǒng)在曲軸的不同轉(zhuǎn)角位置時的控制。通常為了動態(tài)顯示機械壓力機當前工作狀態(tài) ,在數(shù)據(jù)輸出前還要完成轉(zhuǎn)速計算和數(shù)碼管的顯示工作。 方案二 ： 圖 2 電子 凸輪控制器的 原理 框圖 方案二的 原理框圖 如圖 2所示， 此方案中， 凸輪控制器有按鍵顯示電路， DSP 主控外部功率輸出 數(shù)據(jù)輸出 旋轉(zhuǎn)編碼器 讀入編碼器數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化 查找數(shù)據(jù)輸出 轉(zhuǎn)速計算并顯示輸出數(shù) 機床信號 凸輪信號 角度輸出 曲軸角度 按鍵顯示電路 DSP 主控芯片 電源電路 編碼器輸入接口 編碼器輸出接口 I/O 接口電路 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 3 芯片， I/O 接口電路，編碼器輸入接口電路，編碼器輸出接口電路，電源電路等組成。按鍵顯示電路用于顯示曲軸角度和速度、生產(chǎn)計數(shù)、剎車距離，報警提示等信息以及用戶參數(shù)輸入。編碼器信號經(jīng)編碼器輸入到 DSP 主控芯片 ，便于 DSP 芯片的程序處理，輸出凸輪信號、離合器剎車信號等。機床 I/O 信號經(jīng) I/O 接口電路到 DSP 主控芯片同時也是凸輪信號輸出通道。電源電路給控制器提供所需電壓。其中 DSP 主控芯片存有控制程序，以實現(xiàn)對壓力機的控制。 各電路設(shè)計和論證 對于方案一的可編程凸輪控制器主控制器設(shè)計，它具有可以有 16 個控制量輸出；程序更換方便 ,機內(nèi)可以提供并存貯 8組程序 ,程序選擇輸入可選擇任意一組程序；運轉(zhuǎn)中的 ON/OFF 輸出角度可微調(diào)?？刹煌Ｖ箼C械運轉(zhuǎn) ,微調(diào) 0N/0FF 的輸出角度。具有原點補償功能。但它又具有很大的缺點： 由于基于工業(yè)控制機 ,主控制器內(nèi)的功能完全由軟件來完成 ,受計算機運算速度和可編程凸輪控制器運行原理上決定了其響應速度不可能太高 ,且程序的運行易跑飛，響可靠性。單片機是單任務順序執(zhí)行器件 ,程序執(zhí)行是逐條單步進行的。因此 ,主控制器的 1個工作周期內(nèi) ,在外界環(huán)境強電磁干擾下 ,無論哪個環(huán)節(jié)當中的哪條指令的跑飛 ,都會導致整個工作周期失敗 ,影響系統(tǒng)的可靠性。 對于方案二就具有如下 的優(yōu)點： 1）電源電路 ：電源電路是由兩個集成電路和與之相連的電阻電容以及二極管組成，提供控制器所需的 5V, 的電壓 。 2） DSP 主 控芯片 ： DSP 主控芯片控制軟件程序包括①程序初始化模塊：含硬件初始化、系統(tǒng)軟件初始化以及中斷初始化；②主程序模塊：含 FRAM 寫讀模塊、人機界面模塊；③ 1ms 中斷模塊 :用于掃描角度指示燈、數(shù)碼管及按鍵；④ 50us 中斷執(zhí)行模塊：含電子凸輪、生產(chǎn)計數(shù)、上死點停機處理、測速、輸入輸出處理、第二角度處理模塊；⑤電源中斷模塊：用于掉電時需要保存的參數(shù)，如當前角度和當前生產(chǎn)計數(shù)值，程序?qū)斍敖嵌群彤斍吧a(chǎn)計數(shù)值保存進 FRAM 存儲器。 3) I/O 接口電路 ： I/0 接口電路分為輸入接口和輸出接口兩個部分。輸入接口由五個光耦以 及與之相連的電阻組成，用于采集機床上的輸出信號。輸出接口由兩個集成電路、光耦以及與之相連二極管組成，用于輸出凸輪信號和控制離合器信號。 使用 I/0 接口電路能大大減少數(shù)據(jù)傳輸速率，減少資源浪費。 4) 編碼器書輸入輸出接口 ： 編碼器輸入接口電路 采用三個光電管和與之相連的電阻電容組成，用于接收編碼器輸出的角度信號；編碼器輸出口 電路用于輸出角度信號。 5) 按鍵顯示電路 ：按鍵顯示電路采用 74HC595 串轉(zhuǎn)的集成電路，將 DSP 芯片 P1 口送出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)碼管的斷碼數(shù)據(jù)，控制數(shù)碼管的點亮和熄滅以顯示曲軸角度等參數(shù)。 綜 上考慮， 方案二克服了 每次均需人工調(diào)正凸輪角度、人機界面不友好的缺點，具有自動死點修正、監(jiān)視滑塊速度等特點，安全性高，更適應機械壓力機機構(gòu)動作頻繁的要求 ,因此選擇方案二 。 3 硬件電路 3. 1電源電路 如圖 3所示，電源電路有三個輸出電壓 、 5V電壓，為整個電路不同部分提供電壓。 VR1為穩(wěn)壓管，連接電容、二極管，起到整流、穩(wěn)壓的作用。 5V電流直接送入，不需處理，由 U6的 28號引腳直接輸出。同時，輸入的另一個電壓，經(jīng)過降壓，分別由 1OUT和 2OUT輸出 。 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 4 1 2 31 2 3D1FS1D2C35C1DC24VGNDEARTHVin VoutGNDVR1GNDD3C21INA51INB61ENn41GND32INA112INB122ENn10GND91RESETn281OUTA231OUTB241FB/SENSE252RESETn222OUTA172OUTB182SENSE19U6R13LD1GNDD4C3C4C5GNDR17R18R19C41C7GNDC40C6R22C8C43VDD3VFLGNDXRSGND 圖 3 電 源電路 74HC595 串轉(zhuǎn)并集成電路 74HC595 是一款漏極開路輸出的 CMOS 移位寄存器， 其管腳引腳圖如圖 4 所示， 兼容低電壓 TTL 電路，遵守 JEDEC 標準。 74HC595 是具有 8 位移位寄存器和一個存儲器，三態(tài)輸出功能。 移位寄存器和存儲器是分別的時鐘。 表 1為 74HC595 的引腳功能表。 數(shù)據(jù)在 SHcp 的上升沿輸入到移位寄存器中，在 STcp 的上升沿輸入到存儲寄存器中去。如果兩個時鐘連在一起，則移位寄存器總是比存儲寄存器早一個脈沖。 移位寄存器有一個串行移位輸入（ Ds）， 和一個串行輸出（ Q7） ,和一個異步的低電平復位，存儲寄存器有一個并行 8位的，具備三態(tài)的總線輸出，當使能 OE 時（為低電平），存儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線 。 74HC595 的 特點：高速移位時鐘頻率 Fmax25MHZ； 標準串行（ SPI）接口 ； CMOS 串行輸出，可用于多個設(shè)備的級聯(lián) ； 低功耗： TA =25℃ 時， Icc=4μA （ MAX） ；8位串行輸入 /8 位串行或并行輸出 存儲狀態(tài)寄存器，三種狀態(tài) ； 輸出寄存器（三態(tài)輸出：就是具有高電平、低電平和高阻抗三種輸出狀態(tài)的門電路）可以直接清除 100MHz的移位頻率 。 圖 4 74HC595 引腳圖 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 5 表 1 引腳功 能表 管腳編號 管腳名 管腳定義功能 15 QA— QH 三態(tài)輸出管腳 8 GND 電源地 9 SQH 串行數(shù)據(jù)輸出管腳 10 SCLR 移位寄存器清零端 11 SCK 數(shù)據(jù)輸入時鐘線 12 RCK 輸出存儲器鎖存時鐘線 13 OE 輸出使能 14 SI 數(shù)據(jù)線 15 VCC 電源端 SW1ENTERSW2DOENSW3UPSW4MODE2KR92KR102KR112KR12470pFC10470pFC11470pFC12470pFC13KEYKEY1 KEY2 KEY3 KEY4 圖 5 按鍵電路 如圖 5所示， SW1~SW4為 按鍵 ， 分別為選擇鍵、增鍵、減鍵和確定鍵。 通過 U3上依次送出的高電平和 KEY信號組合來檢測有那個按鍵按下。 f9g10e1d2K3c4DP5b6a7K8DS1f9g10e1d2K3c4DP5b6a7K8DS2f9g10e1d2K3