[发明专利]一种电子凸轮曲线生成方法及相关装置

说明书

本发明公开了一种电子凸轮曲线生成方法及相关装置，本发明根据相邻的预设关键点在从轴位置方向上的中点分别建立包括三角函数和一阶/二阶齐次项的第一位移曲线方程和第二位移曲线方程，再根据位移曲线方程获得速度比曲线方程和加速度比曲线方程，最后根据边界条件获得方程系数，则根据已知方程系数的第一位移曲线方程和第二位移曲线方程可以获得相邻的预设关键点的电子凸轮曲线段，由所有的电子凸轮曲线段可以获得由所有预设关键点生成的电子凸轮曲线；克服现有技术中存在算法复杂，无法在嵌入式系统中使用，生成速度慢且运算精度低下的技术问题，实现了快速生成电子凸轮曲线，运算精度高并且可在嵌入式系统中运行。

技术领域

本发明涉及电子凸轮领域，尤其是一种电子凸轮曲线生成方法及相关装置。

背景技术

凸轮：一种机械结构，能实现主动轴和从动轴的特定位置关系。如图1所示，图1是凸轮的一具体实施例结构和凸轮主从位置曲线示意图，盘状结构为主动轴，绕旋转中心旋转。上下移动杆(电子凸轮中主从轴多为两旋转轴)为从动轴，进行上下移动。主轴角位移与从轴位移曲线如图1所示，该曲线称为凸轮主从位置曲线。

传统的机械式凸轮，由于其制造难度大，柔性化程度低等特点，正逐渐被电子凸轮取代。使用软件、硬件、电机等电子方式实现主从轴的特定运动关系的装置称为电子凸轮。实际控制时，主轴多为编码器，从轴为伺服或者步进电机。控制算法采样主轴位置从而计算出从轴位置，并通过发送脉冲控制从轴运动到指定位置。电子凸轮主要用于具有特定关系的主从轴运动控制，主轴所在的位置会唯一对应一个从轴位置，主轴运动时对应从轴的位置也发生改变，主轴和从轴位置会一直维持特定曲线关系。一般在PLC、运动控制器等工控产品上均具备该功能，该功能主要应用于追剪、飞剪、贴标等多种领域。电子凸轮属于多轴同步控制领域，除了一主一从的控制模式外，实际应用中还广泛存在一主多从的应用场景，即一个主轴，多个伺服、步进电机做从轴，且有多条电子凸轮曲线对应其主从关系。下面以飞剪作为电子凸轮的一种特殊应用案例进行具体说明。如图2所示为飞剪的结构示意图，送料编码器为主轴，飞剪伺服为从轴，切割材料向右运动时，编码器计数以统计主轴的位置变化，由于电子凸轮特性，从轴位置也会随主轴位置变化运动到其对应位置，最终保持在切刀切割材料的过程中，切刀的线速度，与材料运行的速度相同，线速度保持相同的区间称为同步区，其它区间是调速区。通过调整调速区和同步区可实现电子凸轮控制切割出不同长度的材料。

目前多通过主从对应位置的关键点来生成电子凸轮曲线(主轴和从轴位置的对应关系)，参考图3、图4和图5，图3是电子凸轮的一具体实施例主从轴位移曲线示意图；图4是对应图3的主从轴速度比曲线示意图；图5是对应图3的主从轴加速度比曲线示意图；图3为主从轴位移曲线，其中横坐标为主轴位置，纵坐标为从轴位置，关键点分别为A、B、C、D和E。电子凸轮曲线除了要通过关键点外，为了具有良好的运动特性，无刚性柔性冲击，还需要保证在关键点处的主从轴的速度比例是可设置的，且加速度比例为零。那么就需要实际的电子凸轮曲线至少三阶可导，且求导结果非常数。

现有技术大多实现电子凸轮的算法复杂，不具备通用性，只能适用于特定场合，且复杂算法难以在嵌入式系统中实时运行。一些电子凸轮算法采用五次多项式，由于包含了五次项，在嵌入式系统中，浮点数的运算精度较低，浮点数进行五次运算后，很可能产生极大或者极小的数，嵌入式系统无法保证精度，甚至完全丢失精度，无法正常运行。而为了避免在嵌入式系统中运行复杂的算法耗时较长、丢失精度，现广泛采用由上位软件计算出电子凸轮曲线，将其分解成一段段的小直线，并将小直线的坐标数据下载至嵌入式系统。嵌入式系统通过查表的方式查询主从轴的位置关系。该方法虽然避免让嵌入式系统进行复杂计算，但是是通过增加嵌入式系统的存储容量的方式实现的，增加了经济成本。且存储数据量与精度成正比，电子凸轮曲线精度要求越高，需求的存储空间越大，曲线精度要求较高时，该方法也不是一个好选择。因此，有必要对该技术进行改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种电子凸轮曲线生成方法及相关装置，用于快速生成电子凸轮曲线。