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。

3实现电子凸轮应用
Parker同样采用功能块的组合来实现电子凸轮应用，所不同的是Parker提供了一些加强
型的功能块，适合更为多样的应用目标。

3.1C3_SetMaster、C3_MasterConfig和C3_MasterControl
C3_ SetMaster设置主轴位置。

C3_MasterConfig设置主轴的复位值，该设置只影响显示，而不会影响曲线的运行。

C3_MasterControl设定了主轴来源的获取方式。

在指定了相应的主轴之后（AXIS_REF_Physical、AXIS_REF_Virtual或者AXIS_REF_HEDA），可以定义主轴位置的获取方式。

可选的获取方式：
1)StartMode=1，一旦使能该功能块，将直接获取该主轴位置。

2)StartMode=2，通过外部触发来开始获取，由StartSource和StartMask来指定触发信
号源。

3)StartMode=3，下一个编码器零位点之后开始获取主轴位置。

可选的停止方式：
1)StopMode=1，一旦Enable=flase，将停止获取主轴位置
2)StopMode=2，在主轴当前循环结束之后停止获取主轴位置。

选择单次获取位置或者循环获取位置。

选择是否具有BackStop模式。

3.2C3_CamTableSelect
如果Mastercycle和Slavecycle没有指定，将会直接采用电子凸轮曲线中的主轴设定值和从轴的最大值（以上述电子凸轮曲线为例，分别为360和100）。

如果指定了Mastercycle 和Slavecycle，则会相应的拉伸曲线。

选择单次运行或者循环运行。

主轴位置参考是相对值还是绝对值。

¾MasterAbsolute=TRUE，主轴位置获取按照主轴实际位置。

¾MasterAbsolute=FALSE，主轴位置获取按照主轴位置为0开始计数。

设定主轴位置偏移值。

在设定的主轴偏移位置之后进行电子凸轮同步。

3.3C3_CamIn
C3_CamIn实现主从轴的耦合。

Compax3定义了三种耦合方式：
1)CouplingMode=0，在主轴位置超过CouplingPosition（ME）后直接启动耦合。

不考
虑SyncPosition（MS）。

直接耦合方式。

2)CouplingMode=1，自动计算耦合的启动时机，在主轴位置到达SyncPosition时达到
两轴的耦合。

自动计算CouplingPositio位置。

3)CouplingMode=2，设定了启动耦合的CouplingPosition，以及两轴达到耦合的
SyncPosition。

3.4C3_CamOut
C3_CamOut定义了解除耦合的方式。

与C3_CamIn类似，C3_CamOut也定义了三种解除耦合的方式：
1)DecouplingMode=0，在主轴位置达到DecouplingPosition（MA）后，启动解除耦合。

直接解除耦合方式。

解除耦合后从轴将会静止。

2)DecouplingMode=1，在主轴位置达到BreakingPositon（MB）后，完成解除耦合，
启动解除耦合的位置将自动计算。

3)DecouplingMode=2，在主轴达到DecouplingPosition（MA）后，启动解除耦合。

在
主轴位置达到BreakingPositon（MB）后，完成解除耦合，且此时从轴位置停在StandstillPosition（S0）。

3.5MC_Phasing
MC_Phasing定义了主轴的附加偏移运动，该附加运动对主轴是虚拟的，但对影响了电子凸轮中主轴的位置，从而导致从轴的附加偏移。

3.6MC_MoveSuperImposed
MC_MoveSuperImposed定义了单个轴的相对附加定位。

譬如在电子凸轮中的从轴为了适应标记同步（register），从而相对主轴位置附加一段定位以适应色标偏差。

Register功能需要与C3_TouchProbe组合使用。

3.7C3_ShiftPosition
C3_ShiftPosition采用相对运动的方式改变单个轴的参考点（比如零点），应用上的区别见功能框图。

3.8CAM逻辑框图
下图介绍了CAM发生器的逻辑框图。

最后结果输入给设定值发生器（SetPoint
generator）。

该设定值发生器每隔500us刷新数据。

当采用电子凸轮的时候，其位置指令每隔500us发送到设定值发生器中（Setpoint generator），设定值发生器采用插补的原理将其分拆为每125us一次的加速度、速度、位置设定值，然后分别运行三环运算，从而达到很好的位置控制功能。

目前Compax3的三环周期分别为位置环125us，速度环125us，电流环62.5us。

3.9CAM应用示例
下次示例三条凸轮曲线的切换。

分别是加速曲线、直线以及减速曲线。

全部代码如下：
Parker提供了多种多样的电子凸轮应用，飞剪，旋切也是电子凸轮应用中的一种。

Parker 提供了飞剪、旋切的电子凸轮模板，方便实现这两类定长剪切应用。

参考文档：
[1] Function blocks for motion control (PLCopen Technical Specification Version 1.1)
[2] Programmable motion control according to IEC61131-3 (Operating instructions Compax3 IxxT40: Cam)。