电子凸轮

详述电子凸轮以及Parker伺服控制器的电子凸轮应用

V1.0

Parker技术支持—赵亮

电子凸轮属于多轴同步运动（Multi-, Synchronized Motion），这种运动是基于主轴（Master or Leading axis）和一个或者多个从轴（Slave or following axis）系统。这时的主轴可以是虚拟轴。

电子凸轮是在机械凸轮的基础上发展起来的，传统机械凸轮是通过凸轮实现非线性的加工轨迹，而电子凸轮直接将轨迹点输入到驱动器内，通过设定的解算方式进行伺服控制，达到和机械凸轮相同的加工目的。

电子凸轮相对机械凸轮的优势在于：

z方便根据需求更改加工轨迹，而不需要繁琐的更改机械凸轮。

z加工机械凸轮的成本较高、难度较大。

z机械凸轮会磨损、通常是机床噪音的最大来源。

一电子凸轮的实现方式

电子凸轮的实现方式分为三部分，分别是：1、设定主轴和从轴；2、设定电子凸轮曲线；

3、实现电子凸轮运动。

电子凸轮曲线可以采用多种描述方式，常见的采用两维表格分别描述主轴和从轴的值；也可以采用数学公式来描述。很多厂家提供了具体的软件工具来方便生成电子凸轮曲线，在第二章会详细描述电子凸轮曲线的方式。

在PLCopen Motion Control规定的文件中，主要用了四个功能块来实现电子凸轮应用。他们分别是MC_CamTableSelect、MC_CamIn、MC_CamOut以及MC_Phasing。

1、MC_CamTableSelect

MC_CamTableSelect功能块设定了电子凸轮应用中的主轴和从轴；设定了电子凸轮曲线（保存在MC_CAM_REF数据表内）。此外，可以选择周期性运行或是单次运行、主轴以及从轴的位置是相对型还是绝对型。

2、MC_CamIn

MC_CamIn功能块用于进行电子凸轮主轴和从轴的耦合。当Execute为True时，主轴和从轴按照设定的电子凸轮曲线以及设定的运行参数进行耦合。

这些运行参数包含

主轴和从轴的比例：主轴和从轴可以根据此设定来决定两者的位置比例。

主轴和从轴的偏移：主轴和从轴位置的相对偏移。

启动模式：可设定为相对位置启动、绝对位置启动或者斜坡函数启动。

3、MC_CamOut

MC_CamOut用于电子凸轮主轴和从轴的解耦。在解耦之后，从轴与主轴脱离了同步关系，从轴会按照脱离时的速度匀速运转。

4、MC_Phasing

MC_Phasing用于修正主轴的位置，该功能块在一些复杂应用中进行位置的修正和补偿。

它将在主轴的实际物理位置中附加一段位移。因此，主轴的运动不会受到影响，而从轴获取到的主轴位置会在物理位置基础上偏移，从而导致从轴的跟随位置有所偏移。

Phasing的过程图例如下：

在PLCopen Motion Control中，定义了一个典型应用过程。

用采用外部工具（通常为二维表格）或者PLC计算（数学公式）的方法来生成电子凸轮表格（CamTable）。

采用MC_MasterEngine功能块定义了一个虚拟主轴，扩展了MC_CamTableSelect功能块（采用一个CamNo来设定选择CamTable中的具体电子凸轮曲线），然后进行电子凸轮耦合。

PLCopen组织定义了电子凸轮的标准应用，大部分驱动器都依照此标准来设计各自的电子凸轮应用。

二电子凸轮曲线的设计

从启动位置和终点位置是否一致可以将电子凸轮曲线分为闭式曲线和开式曲线。

闭式曲线开式曲线

在电子凸轮曲线设计中，以客户需求作为首要目标，然后在过渡点选择合适的曲线类型，可选的曲线类型可以参考VDI 2143标准。

电子凸轮曲线是位置对应关系曲线，所记录的是主轴和从轴的位置对应关系，其一阶微分为速度，二阶微分为加速度，三阶微分为加加速度（jerk）。其中加速度在运动系统中对应了电机的输出力矩（或驱动器的输出电流）；加加速度（jerk）对应了输出力矩的变化率（驱动器输出电流的变化率）。

选择不同的曲线原则是在电子凸轮运行的每个循环中位置必须无跳动，否则电机将跳动；原则上要求速度曲线收敛，否则会造成电机抖动；原则上加速度曲线也应收敛，保证电机输出电流无需突变，否则也将引起电机的抖动。

Straight line

直线，线性运行，需要较小的力矩，但是Jerk突变将引起噪音、振动。

Quadratic parabola

二次曲线，加速度的跳变将引起噪音、振动。

Simple sine line

简单正弦曲线，较小的速度、加速度和Jerk，但加速度的跳变将引起噪音、振动。Polynominal 5th order

五次曲线，较小的速度、加速度和Jerk意味着需要较小的输出力矩，所需速度相对于斜坡正弦曲线要高。适合高速应用。

Inclined sine line

斜坡正弦曲线，显著的低速度，低抖动，适合高速应用。所需速度、加速度、Jerk值高于五次曲线。

Modified acceleration trapezoid

修正梯型加速曲线，显著的低加速度，较低的惯性力矩。所需速度值高于斜坡正弦曲线。Modified sine line

修正正弦曲线，适合高速应用，较低的速度、加速度和Jerk值。其所需速度值高于斜坡正弦曲线。

三 Parker伺服驱动器的电子凸轮应用

Hanniffin提供多种伺服驱动器和运动控制器，均提供了电子凸轮应用方式。其中 Parker

Compax 3提供了较为全面的应用方法。

1设定主轴

主轴可以是物理轴（譬如测量轮），也可以是虚拟轴，也可以是总线传递的一个轴（譬如CANopen总线，Compax3独有的HEDA总线），它们在Compax3内部分别对应如下变量：AXIS_REF_Physical、AXIS_REF_Virtual、AXIS_REF_CAN、AXIS_REF_HEDA。

物理轴又可以选择编码器输入、脉冲/方向输入、SSI类型编码器输入以及正负10V模拟量输入。

2 编辑电子凸轮曲线

在CamDesigner中编辑电子凸轮曲线，最终自动生成两维的主轴和从轴位置值。