电子凸轮控制装置及其电子凸轮曲线生成方法

摘要

本发明公开了电子凸轮控制装置及其电子凸轮曲线生成方法，装置包含信息读取单元用以读取从动轴位置设定文件并进行解析；电子凸轮曲线生成单元根据使用者设定的限制条件生成电子凸轮曲线；电子凸轮曲线记忆单元将生成的电子凸轮曲线储存；位置命令生成单元参考主动轴的位置回授，并将电子凸轮曲线的动程规划转换成位置命令；命令输出单元将位置命令输出至从动轴驱动单元，从动轴驱动单元则根据所接收到的位置命令进行动作。在进行动程规划时，根据限制条件以及上一次求解的结果，选择满足条件的求解器，直到找出合于限制条件的解，求解时考虑过程中的速度、加速度、加加速度等，具有保护机台的功能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子凸轮控制装置及电子凸轮曲线生成方法，具体是 一种生成电子凸轮曲线进行动程规划的电子凸轮控制装置及电子凸轮曲 线生成方法。

背景技术

电子凸轮控制装置可设定一电子凸轮曲线，再透过伺服系统控制伺服 马达，目的是使从动轴位置对应主动轴的位置满足电子凸轮曲线所设定的 对应关系。电子凸轮曲线因为使用上更弹性、方便，已渐渐用以取代传统 机械式凸轮，凸轮常应用于自动化产业，电子凸轮曲线比机械式凸轮使用 上更有弹性，需要修改曲线时不需要将凸轮换掉，而是通过软件设定新的 电子凸轮曲线即可使用。电子凸轮曲线生成时，会先指定多个特定点，这 些特定点表示从动轴位置对应主动轴位置的对应关系，并且根据这些特定 点信息产生电子凸轮曲线。

现有电子凸轮曲线生成方式：1)现有的电子凸轮曲线生成方式，在 任两个指定点间的速度规划只使用一种曲线生成逻辑，或是先选定特定的 生成逻辑，并不会根据第一次求解的结果以及限制条件选择满足条件的求 解器，找出合于限制条件的解；2)现有的电子凸轮曲线生成方式，并没 有考虑系统能承受最大速度、最大加速度、最大加加速度的限制，因此可 能对机台造成损伤；3)现有电子凸轮曲线生成方式多将两点之间的位置 曲线定为一次、三次、五次多项式或是使用三角函数组成的曲线，配合适 当的边界条件解出其系数。其中的边界条件大多为各点上的位置、速度、 加速度。但是这个方法仅能限制初始点与终点的速度、加速度，并没有限 制过程中速度、加速度，过程中可能有很大的速度及加速度，因此可能造 成机台的损伤；4)现有电子凸轮曲线生成方式算法，每一点都需要给与 非常多的参数，例如该点位置、速度、加减速区间时间、加加速区间时间， 使用上并不方便。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种电子凸轮控制装 置及其电子凸轮曲线生成方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

电子凸轮控制装置，特点是：

包含一信息读取单元，用以读取从动轴位置设定文件并进行解析；

一电子凸轮曲线生成单元，根据使用者设定的限制条件生成电子凸轮 曲线；

一电子凸轮曲线记忆单元，将生成的电子凸轮曲线储存；

一位置命令生成单元，参考主动轴的位置回授，并将电子凸轮曲线的 动程规划转换成位置命令；

一命令输出单元，将位置命令输出至从动轴驱动单元，从动轴驱动单 元则根据所接收到的位置命令进行动作。

进一步地，上述的电子凸轮控制装置，其中，所述使用者设定的限制 条件包含最大速度、最大加速度、最大加加速度。

更进一步地，上述的电子凸轮控制装置，其中，所述生成电子凸轮曲 线采用复数个不同的求解器进行。

更进一步地，上述的电子凸轮控制装置，其中，所述生成电子凸轮曲 线时将限制条件代入各个求解器，直到找出合于限制条件的解，求解时考 虑前一次求解结果及限制条件选择求解器；如果在限制条件下没有可行 解，则求解器回传一无解提醒。

更进一步地，上述的电子凸轮控制装置，其中，以相同的限制条件求 解，求解器求解的结果相同。

更进一步地，上述的电子凸轮控制装置，其中，生成电子凸轮曲线考 虑系统限制，包括最大速度、最大加速度、最大加加速度。

更进一步地，上述的电子凸轮控制装置，其中，生成的电子凸轮曲线 考虑主动轴位置及速度、从动轴位置及速度以及系统限制，包括：最大速 度、最大加速度、最大加加速度。

更进一步地，上述的电子凸轮控制装置，其中，电子凸轮曲线的每一 处受到系统限制的保护。

更进一步地，上述的电子凸轮控制装置，其中，所述信息读取单元， 由电子凸轮曲线设定文件中读取使用者所设定的特定点位置及参数；电子 凸轮曲线生成单元，根据电子凸轮曲线设定文件中所得信息，以每两点规 划成一段曲线的动程，并将各曲线段结合起来生成完整的电子凸轮曲线； 电子凸轮曲线记忆单元，将电子凸轮曲线生成单元所生成的电子凸轮曲线 储存；主动轴驱动单元，具有一个回授部，回授部回授主动轴位置信息； 位置命令生成单元，参考由主动轴驱动单元回授的主动轴位置信息后，即 从主动轴位置推得从动轴位置，再将已储存在电子凸轮曲线记忆单元中的 电子凸轮曲线的动程规划转换成位置命令，有了主动轴位置及从动轴位置 后，在动程规划上即可达到动作上紧密追随的效果；命令输出单元，将位 置命令生成单元所生成的位置命令输出至从动轴驱动单元，使得从动轴驱 动单元根据所接收到的位置命令进行作动，以达成电子凸轮控制装置所规 划的运动轨迹。

本发明电子凸轮曲线生成方法，信息读取单元由从动轴位置设定文件 中读取使用者所设定的特定点位置及相关参数；

电子凸轮曲线生成单元根据从动轴位置设定文件中所得的信息，每两 个点规划一段曲线的动程，并将各个曲线段结合起来生成完整的电子凸轮 曲线；

电子凸轮曲线记忆单元将电子凸轮曲线生成单元所生成的电子凸轮 曲线储存；

位置命令生成单元参考由主动轴驱动单元的回授主动轴位置信息后， 将电子凸轮曲线记忆单元中所存的电子凸轮曲线的动程规划转换成位置 命令；

命令输出单元将位置命令生成单元所生成的位置命令输出至从动轴 驱动单元；

从动轴驱动单元根据所接收到的位置命令进行驱动，达成电子凸轮控 制装置所规划的运动轨迹。

再进一步地，上述的电子凸轮曲线生成方法，首先，信息读取单元读 取电子凸轮曲线设定文件给予的两点位置、速度信息以及系统限制的最大 速度、最大加速度、最大加加速度；接着，电子凸轮曲线生成单元先判断 此两点的距离是否过远，如果两点的距离过远，导致在当前的最大速度设 定下没有解存在，所以回传无解；若两点距离不过远，则经由判断式决定 求解器进行求解，接着，判断其结果是否满足系统限制的最大速度、最大 加速度、最大加加速度，是否都满足前述限制条件；若判断都满足时，则 输出结果；若判断只能满足最大速度及最大加速度的限制而不满足最大加 加速度的限制时，则回传无解；若判断在最大速度或最大加速度就发现 不满足限制条件时，则判断是否已尝试了所有求解器；若判断已尝试所有 求解器，则回传无解，若判断出尚未尝试所有的求解器，则根据上次求解 结果选择新的求解器并尝试求解，并重复前述步骤直到输出结果或是回传 无解；即可得到两点间的动程规划；接着，继续求解下一段的动程规划直 到完成全部电子凸轮曲线规划，若是中间有一段无解，则跳出无解提醒。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

①本发明可根据限制条件判断，选择满足条件的求解器，直到找出合 于限制条件的解，在进行求解电子凸轮曲线时，同时会考虑各机台不同的 系统限制：最大速度、最大加速度、最大加加速度不能过大以保护机台， 具有保护机台的功能；

②在求解电子凸轮曲线时，若求解结果不符合系统的限制，则会根据 上一次求解结果并考虑从动轴位置、速度以及系统限制的最大速度、加速 度、加加速度，再次选择求解器尝试求解，可使用多个求解器求解，因此 可以更容易满足使用者设定的条件，所需输入的参数很少，所需要的参数 仅需各指定点之位置及速度即可生成电子凸轮曲线；

③电子凸轮曲线的生成方法可应用于大部分的自动化产业并取代传 统机械式凸轮，在使用上更为方便。

附图说明

图1：本发明电子凸轮控制装置的系统示意图；

图2：本发明电子凸轮控制装置的架构流程示意图；

图3：本发明电子凸轮曲线的生成流程图；

图4：本发明从动轴位置对应主动轴位置关系示意图。

具体实施方式

如图1所示，电子凸轮控制装置的系统，电子凸轮控制装置201接收 主动轴位置回授105及电子凸轮曲线设定信息106，经生成电子凸轮曲线 后，发出位置命令107到从动轴驱动单元102的伺服马达驱动器103，伺 服马达驱动器103将位置命令107转为电流108输出给伺服马达104，伺 服马达104则将位置回授109传给伺服马达驱动器103进行动作，以达成 电子凸轮控制装置201所生成的电子凸轮曲线运动轨迹。

如图2所示，电子凸轮控制装置201，包括一信息读取单元202，由 电子凸轮曲线设定文件210中读取使用者所设定的特定点位置及相关参 数；一电子凸轮曲线生成单元203，根据电子凸轮曲线设定文件210中所 得信息，以每两点规划成一段曲线的动程，并将各曲线段结合起来生成完 整的电子凸轮曲线；一电子凸轮曲线记忆单元204，将电子凸轮曲线生成 单元203所生成的电子凸轮曲线储存；一主动轴驱动单元208，具有一个 回授部209，回授部209回授主动轴位置信息；一位置命令生成单元205， 参考由主动轴驱动单元回授的主动轴位置信息后，即从主动轴位置推得从 动轴位置，再将已储存在电子凸轮曲线记忆单元204中的电子凸轮曲线的 动程规划转换成位置命令，有了主动轴位置及从动轴位置后，在动程规划 上即可达到动作上紧密追随的效果；以及，一命令输出单元206，将位置 命令生成单元205所生成的位置命令输出至从动轴驱动单元207，使得从 动轴驱动单元207根据所接收到的位置命令进行作动，以达成电子凸轮控 制装置201所规划的运动轨迹。

如图3所示，本发明的电子凸轮曲线的生成流程。首先，信息读取单 元202读取电子凸轮曲线设定文件210给予的两点位置、速度信息以及系 统限制的最大速度、最大加速度、最大加加速度301等。接着，电子凸轮 曲线生成单元203先判断此两点的距离是否过远302，如果两点的距离过 远，会导致在当前的最大速度设定下没有解存在，所以回传无解309；若 两点距离不会过远，则经由判断式决定求解器进行求解303，接着，判断 其结果是否满足系统限制的最大速度304、最大加速度305、最大加加速 度306等，是否都能满足前述限制条件；若判断都能满足时，则输出结果 308；若判断只能满足最大速度304及最大加速度305的限制而不满足最 大加加速度306的限制时，则回传无解309。若判断在最大速度304或最 大加速度305就发现不满足限制条件时，则判断是否已尝试了所有求解器 307。若判断已尝试所有求解器307，则回传无解309，若判断出尚未尝试 所有的求解器，则根据上次求解结果选择新的求解器并尝试求解303，并 重复前述步骤直到输出结果308或是回传无解309。

在完成上述的流程后，即可得到两点间的动程规划；接着，继续求解 下一段的动程规划直到完成全部电子凸轮曲线规划，若是中间有一段无 解，则跳出无解提醒。

电子凸轮控制装置在进行动程规划时，根据限制条件以及上一次求解 的结果，选择满足条件的求解器，直到找出合于限制条件的解，求解时也 考虑了过程中的速度、加速度、加加速度等不能过大以便保护机台。

如图4所示，从动轴位置对应主动轴位置关系示意图，纵轴方向为从 动轴位置P_S，横轴方向为主动轴位置P_M，在本实施例中有五个指定点 (P₀～P₄)，并且给定了各点的位置及速度。电子凸轮曲线生成单元203会将 曲线分段规划，在本实施例中，将分为P₀P₁段，P₁P₂段，P₂P₃段，P₃P₄段， 共四段进行动程规划。首先，将P₀P₁段依据上述电子凸轮曲线的生成流程 图进行动程规划。读取P₀P₁段两点的位置(Ps₀及Ps₁)、速度(V₀及V₁)以及 设定的系统限制最大速度(Vmax)、最大加速度(Amax)、最大加加速度 (Jmax)。接着，判断此两点距离是否过长，而无法以限制的速度内完成； 若判断此两点距离过长时，则回传无解，否则依据求解器的判断式选择求 解器；接着，求解器会依照从动轴位置(P_S0，P_S1)、主动轴位置(P_M0，P_M1)、 速度(V₀、V₁)并参考设定的系统最大速度(Vmax)、最大加速度(Amax)、最 大加加速度(Jmax)等进行规划动程；依据求解器的判断式选择求解器时， 如选择了不同的求解器，则求解结果会不同，所规划的电子凸轮曲线动程 也会不同。接着，判断其结果是否满足最大速度(Vmax)、最大加速度 (Amax)、最大加加速度(Jmax)等系统限制条件；若判断系统限制条件都满 足时，则输出结果；若判断结果为满足最大速度的限制(V<Vmax)、最大加 速度的限制(A<Amax)而不满足最大加加速度的限制(J<Jmax)等系统限制 条件时，则回传无解。若判断结果是在最大速度或最大加速度限制就不满 足时，则判断是否已尝试了所有求解器。若已尝试所有的求解器则回传无 解，若有求解器尚未尝试，则根据上次求解结果选择新的求解器并尝试求 解，并重复前述步骤，直到输出结果或是回传无解。完成流程后可得到两 点间(P₀P₁段)的动程规划，接着，继续求解下一段的动程规划(P₁P₂段)，直 到完成全部的电子凸轮曲线规划，若是中间有一段无解，则跳出无解提醒。 当所有线段都完成动程规划后即可得到完整的电子凸轮曲线规划，如图4 所示。

本发明提出的电子凸轮曲线的生成方法在于输入各点位置、速度，并 且设定系统限制最大速度、最大加速度、最大加加速度即可规划出完整的 电子凸轮曲线，并且满足所设定的限制。若是所给限制条件下没有解时， 则会回传无解提醒。

电子凸轮曲线的生成方法，在进行动程规划时，已经将速度、加速度、 加加速度等在运动过程中不能过大的限制条件列入动程规划条件，因此可 以有效的保护机台。再者，本发明根据限制条件以及上一次求解的结果， 选择满足条件的求解器，直到找出合于限制条件的解，求解时可使用多个 求解器求解，因此可以更容易满足使用者设定的条件。本发明使用之算法 所需输入的参数很少，使用上更为方便。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若 干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。