电子凸轮系统：从机械到电子的运动控制技术
电子凸轮系统：从机械到电子的运动控制技术
电子凸轮（ECAM）是一种利用软件系统模拟机械凸轮运动的控制技术，通过设计不同的凸轮曲线，实现两轴之间的精确同步运动。它广泛应用于各种自动化设备中，如飞剪、旋切、追剪、飞锯等工艺，具有精度高、兼容性强、设备结构简单等优点。本文将详细介绍电子凸轮的基本概念、工作原理和实现方法。
1. 基础知识
1.1 机械凸轮基础
机械凸轮（CAM）是一种能够按照动力学特征和运行学特征的要求，具有曲线或着曲面轮廓作为高副元素的构件。从动件（Driven Link）是机构中除了主动件以外随着主动件运动的其余可动构件。凸轮轮廓曲线设计通常使机械凸轮作连续等速转动，从动件根据使用要求设计使其获得一定规律的运动。
简单来说，机械凸轮通过凸轮的轮廓形状将两轴的运动联系起来，通过设计不同的凸轮轮廓曲线，使两轴具有合适的运动规律。
1.2 电子凸轮基础
电子凸轮（ECAM）是利用构造的凸轮曲线来模拟机械凸轮，以达到机械凸轮系统相同的凸轮轴于主轴之间相对运动的软件系统。电子凸轮相当于无数个各种类型的机械凸轮的集合体，只需进行参数配置，即可适用于各种方案。
电子凸轮相比于机械凸轮有以下优点：
- 兼容性：机械凸轮一种结构只能实现一种运动动作，电子凸轮可以通过程序修改
- 运行精度：电气元件精度远高于机械精度
- 设备结构：电子凸轮机构上的组成通常仅需一套简单的传送机构
- 安全性能：伺服系统的制动时间远短于机械动态制动
电子凸轮根据动作特点可分为单向型、双向型和特殊型。电子凸轮系统由上位机（如PLC）、驱动部分（如伺服电机）、执行部分（如直线滑台）和检测部分（各类传感器）构成。
1.3 典型工艺
电子凸轮在工业中有很多典型应用，如“追剪”和“飞剪”工艺。追剪工艺中，剪切机构平行于被剪切物体，通过改变非同步区的速度来调整剪切长度；飞剪工艺中，剪切机构一般为圆周运动，通过改变剪切机构运行中的速度来调整剪切长度。
2. 相关名词释义
定义凸轮为主轴，推杆为从轴，那么凸轮的实质就是从轴Y对应主轴X的一种函数关系，Y=CAM(X)。
2.1 主轴
主轴是在一个运行周期内以固定速度进行传动的轴，通常作为凸轮曲线中的X轴变量函数。主轴可以是实际的轴（实轴）或虚拟的轴（虚轴）。
获取主轴位置的方法包括：
- 虚轴：通过软件虚构或通过总线通信方式传递位置
- 实轴：通过伺服电机指令位置或编码器反馈位置获取
2.2 从轴
从轴是根据凸轮曲线进行运转的轴，作为凸轮曲线中的Y轴变量函数。从轴的作用类似于机械凸轮机构中的凸轮作用，只能是实际的轴，但可以有多个从轴。从轴的位置控制通常采用伺服实现。
2.3 电子凸轮曲线
电子凸轮曲线是主轴和从轴之间的位置关系，是一个二维坐标系。电子凸轮曲线可分为双向型（闭环曲线）和单向型（开环曲线）。
实际应用中多采用五次多项式（Poly5）运动规律，其速度、加速度和加加速度均连续，适用于高速、中载运动的场合。五次多项式加减速法的速度、加速度、加加速度曲线图如下：
2.4 电子凸轮表
电子凸轮曲线常采用数据列表的形式，即凸轮表（Cam Table）来替代图形编辑器。以Codesys的CAM表为例，表行可分为关键点行（points）和段行（segments），用户可创建关键点行，而段行由软件自动生成。
3. 电子凸轮的实现
电子凸轮的实现主要包括以下几个步骤：
- 确定控制方案，最大限度满足性能指标
- 设定主轴和从轴
- 设置电子凸轮的曲线
- 根据从轴位置实现电子凸轮的运行
3.1 电子凸轮的具体实现
电子凸轮的具体实现包括电子离合、无量纲化处理以及凸轮曲线的缩放和偏移等技术。
3.2 常用功能块介绍
在PLCopen运动控制规范中定义了一些电子凸轮功能块，此处以CodeSys的库实现为例，常用的功能块包括凸轮表选择（MC_CamTableSelect）、凸轮耦合（MC_CamIn）和凸轮解耦（MC_CamOut）等。