TWI557521B - 電子凸輪控制裝置及電子凸輪曲線生成方法 - Google Patents

Description

電子凸輪控制裝置及電子凸輪曲線生成方法

本發明係有關於一種電子凸輪控制裝置及電子凸輪曲線生成方法；特別是一種生成電子凸輪曲線進行動程規劃的電子凸輪控制裝置及電子凸輪曲線生成方法。

電子凸輪控制裝置可根據軟體設定一電子凸輪曲線，再透過伺服系統控制伺服馬達，目的是使從動軸位置對應主動軸的位置滿足電子凸輪曲線所設定的對應關係。電子凸輪曲線因為使用上更彈性、方便，已漸漸用以取代傳統機械式凸輪，凸輪常應用於自動化產業，電子凸輪曲線比機械式凸輪使用上更有彈性，需要修改曲線時不需要將凸輪換掉，而是透過軟體設定新的電子凸輪曲線即可使用。電子凸輪曲線生成時，會先指定多個特定點，這些特定點表示從動軸位置對應主動軸位置的對應關係，並且根據這些特定點資訊產生電子凸輪曲線。

現有電子凸輪曲線生成方式：(1)現有的電子凸輪曲線生成方式，在任兩個指定點間的速度規劃只使用一種曲線生成邏輯，或是先選定特定的生成邏輯，並不會根據第一次求解的結果以及限制條件選擇滿足條件的求解器，找出合於限制條件的解。(2)現有的電子凸輪曲線生成方式，並沒有考慮系統能承受最大速度、最大加速度、最大加加速度的限制，因此可能對機台造成損傷。 (3)現有電子凸輪曲線生成方式多將兩點之間的位置曲線定為一次、三次、五次多項式或是使用三角函數組成的曲線，配合適當的邊界條件解出其係數。其中的邊界條件大多為各點上的位置、速度、加速度。但是這個方法僅能限制初始點與終點的速度、加速度，並沒有限制過程中速度、加速度，過程中可能有很大的速度及加速度，因此可能造成機台的損傷。(4)現有電子凸輪曲線生成方式演算法，每一點都需要給與非常多的參數，例如該點位置、速度、加減速區間時間、加加速區間時間，使用上並不方便。

為了解決上述的缺點，本發明提出一種電子凸輪控制裝置，包括：一資訊讀取部，可讀取一從動軸位置設定檔並進行解析；一電子凸輪曲線生成部，根據使用者設定的一限制條件生成一電子凸輪曲線；一求解器，其能依照由電子凸輪曲線生成部所產生之兩指定點的位置距離，並參照系統限制條件來輸出兩指定點之動程規劃，完成電子凸輪曲線。一電子凸輪曲線記憶部，將生成的該電子凸輪曲線儲存。一位置命令生成部，參考一主動軸的位置回授後將電子凸輪曲線的動程規劃轉換成一位置命令。一命令輸出部，將位置命令輸出至一從動軸驅動部，從動軸驅動部則根據所接收到的位置命令進行作動。

本發明還提出一種電子凸輪曲線的生成方法，其包括以下步驟：資訊讀取部由從動軸位置設定檔中讀取使用者所設定的特定點位置及相關參數；電子凸輪曲線生成部根據從動軸位置設定檔中所得的資訊，每兩個點規劃一段曲線的動程，並將各個曲線段結合起來生成完整的電子凸輪曲線；電子凸輪曲線記憶部將電子凸輪曲線生成部所生成的電子凸輪曲線儲存；位置命令成部參考由主動軸驅動部的回授主動軸位置資訊後，將電子凸輪曲線記憶部中所 存的電子凸輪曲線的動程規劃轉換成位置命令；命令輸出部將位置命令生成部所生成的位置命令輸出至從動軸驅動部。從動軸驅動部則根據所接收到的位置命令進行作動，達成電子凸輪控制裝置所規劃的運動軌跡。

本發明提出的電子凸輪曲線的生成方法，可根據限制條件判斷，選擇滿足條件的求解器，直到找出合於限制條件的解，在進行求解電子凸輪曲線時，同時會考慮各機台不同的系統限制：最大速度、最大加速度、最大加加速度不能過大以保護機台，所以本發明提出的電子凸輪曲線的生成方法具有保護機台之功能。

本發明提出的電子凸輪曲線的生成方法，在求解電子凸輪曲線時，若求解結果不符合系統的限制，則會根據上一次求解結果並考慮從動軸位置、速度以及系統限制的最大速度、加速度、加加速度，再次選擇求解器嘗試求解，意即本發明可使用多個求解器求解，因此可以更容易滿足使用者設定的條件，此外，本發明提出的電子凸輪曲線的生成方法所使用之演算法所需輸入的參數很少，所需要的參數僅需各指定點之位置及速度即可生成電子凸輪曲線。

本發明提出的電子凸輪曲線的生成方法可以應用於大部分的自動化產業並取代傳統機械式凸輪，在使用上更為方便。

102‧‧‧從動軸驅動部

103‧‧‧伺服馬達驅動器

104‧‧‧伺服馬達

105‧‧‧主動軸位置回授

106‧‧‧電子凸輪曲線設定資訊

107‧‧‧位置命令

108‧‧‧電流

109‧‧‧位置回授

201‧‧‧電子凸輪控制裝置

202‧‧‧資訊讀取部

203‧‧‧電子凸輪曲線生成部

204‧‧‧電子凸輪曲線記憶部

205‧‧‧位置命令生成部

206‧‧‧命令輸出部

207‧‧‧從動軸驅動部

208‧‧‧主動軸驅動部

209‧‧‧回授部

210‧‧‧電子凸輪曲線設定檔

211‧‧‧求解器

301~309‧‧‧流程圖步驟

P_S‧‧‧從動軸位置

P_M‧‧‧主動軸位置

Vmax‧‧‧最大速度

Amax‧‧‧最大加速度

Jmax‧‧‧最大加加速度

Ps₀~P_s4‧‧‧位置

V₀~V₄‧‧‧速度

圖1 為本發明的電子凸輪控制裝置的系統示意圖

圖2 為本發明的電子凸輪控制裝置的流程示意圖

圖3 為本發明的電子凸輪曲線的生成流程圖

圖4 為本發明的從動軸位置對應主動軸位置關係示意圖

本發明係揭露一種電子凸輪控制裝置及電子凸輪曲線生成方法，其中各部件的機製加工等技術，已為相關技術領域具有通常知識者所能明瞭，故以下文中之說明，不再作完整描述。同時，以下文中所對照之圖式，係表達與本發明特徵有關之示意，並未亦不需要依據實際情形完整繪製，合先敘明。

首先，請參閱圖1，為本發明的電子凸輪控制裝置的系統示意圖。電子凸輪控制裝置201接收主動軸位置回授105及電子凸輪曲線設定資訊106，經由內部演算法生成電子凸輪曲線後，發出位置命令107到從動軸驅動部102的伺服馬達驅動器103。伺服馬達驅動器103將則位置命令107轉為電流108輸出給伺服馬達104，伺服馬達104則會將位置回授109傳給伺服馬達驅動器103進行作動，以達成電子凸輪控制裝置201所生成的電子凸輪曲線運動軌跡。

接著，請參閱圖2，為本發明的電子凸輪控制裝置的流程示意圖。本發明的電子凸輪控制裝置201包括一個資訊讀取部202，是由電子凸輪曲線設定檔210中讀取使用者所設定之特定點位置及相關參數；一個電子凸輪曲線生成部203，是根據電子凸輪曲線設定檔210中所得資訊，每兩點選擇不同的求解器211規劃成一段曲線的動程，並將各曲線段結合起來生成完整的電子凸輪曲線；一個電子凸輪曲線記憶部204，是將電子凸輪曲線生成部203所生成之電子凸輪曲線儲存；一個主動軸驅動部208，具有一個回授部209，回授部209可回授主動軸位置資訊；一個位置命令生成部205，參考由主動軸驅動部回授的主動軸位置資訊後，即可從主動軸位置推得從動軸位置，再將已儲存在電子凸輪曲線記憶部204中的電子凸輪曲線的動程規劃轉換成位置命令，有了主動軸位置 及從動軸位置後，在動程規劃上即可達到動作上緊密追隨的效果；以及，一個命令輸出部206，是將位置命令生成部205所生成的位置命令輸出至從動軸驅動部207，使得從動軸驅動部207根據所接收到的位置命令進行作動，以達成電子凸輪控制裝置201所規劃的運動軌跡。

接著，請參閱圖3，為本發明的電子凸輪曲線的生成流程圖。首先，資訊讀取部202讀取電子凸輪曲線設定檔210給予的兩點位置、速度資訊以及系統限制的最大速度、最大加速度、最大加加速度等如步驟301。接著，電子凸輪曲線生成部203會先判斷此兩點的距離是否過遠如步驟302，如果兩點的距離過遠，會導致在當前的最大速度設定下沒有解存在，所以回傳無解如步驟309；若兩點距離不會過遠，則經由判斷式決定求解器211進行求解如步驟303，接著，判斷其結果是否滿足系統限制的最大速度如步驟304、最大加速度如步驟305、最大加加速度如步驟306等，是否都能滿足前述限制條件；若判斷都能滿足時，則輸出結果如步驟308；若判斷只能滿足最大速度如步驟304及最大加速度如步驟305的限制而不滿足最大加加速度如步驟306的限制時，則回傳無解如步驟309。若判斷在最大速度如步驟304或最大加速度如步驟305就發現不滿足限制條件時，則判斷是否已嘗試了所有求解器211如步驟307。若判斷已嘗試所有求解器211如步驟307，則回傳無解如步驟309，若判斷出尚未嘗試所有的求解器，則根據上次求解結果選擇新的求解器211並嘗試求解如步驟303，並重複前述步驟直到輸出結果如步驟308或是回傳無解如步驟309。

在完成上述的流程後，即可得到兩點間的動程規劃；接著，繼續求解下一段的動程規劃直到完成全部電子凸輪曲線規劃，若是中間有一段無解，則跳出無解提醒。

接著，請參閱圖4，為本發明的從動軸位置對應主動軸位置關係示意圖。如圖4所示，縱軸方向為從動軸位置P_S，橫軸方向為主動軸位置P_M，在本實施例中有五個指定點(P0~P4)，並且給定了各點的位置及速度。電子凸輪曲線生成部203會將曲線分段規劃，在本實施例中，將分為P0P1段，P1P2段，P2P3段，P3P4段，共四段進行動程規劃。首先，將P0P1段依據上述電子凸輪曲線的生成流程圖進行動程規劃。讀取P0P1段兩點的位置(Ps₀及Ps₁)、速度(V₀及V₁)以及設定的系統限制最大速度(Vmax)、最大加速度(Amax)、最大加加速度(Jmax)。接著，判斷此兩點距離是否過長，而無法以限制的速度內完成；若判斷此兩點距離過長時，則回傳無解，否則依據求解器的判斷式選擇求解器；接著，求解器會依照從動軸位置(Ps₀，Ps₁)、主動軸位置(P_M0，P_M1)、速度(V₀，V₁)並參考設定的系統最大速度(Vmax)、最大加速度(Amax)、最大加加速度(Jmax)等進行規劃動程；依據求解器的判斷式選擇求解器時，如選擇了不同的求解器，則求解結果會不同，所規劃的電子凸輪曲線動程也會不同。接著，判斷其結果是否滿足最大速度(Vmax)、最大加速度(Amax)、最大加加速度(Jmax)等系統限制條件；若判斷系統限制條件都滿足時，則輸出結果；若判斷結果為滿足最大速度的限制(V<Vmax)、最大加速度的限制(A<Amax)而不滿足最大加加速度的限制(J<Jmax)等系統限制條件時，則回傳無解。若判斷結果是在最大速度或最大加速度限制就不滿足時，則判斷是否已嘗試了所有求解器。若已嘗試所有的求解器則回傳無解，若有求解器尚未嘗試，則根據上次求解結果選擇新的求解器並嘗試求解，並重複前述步驟，直到輸出結果或是回傳無解。完成流程後可得到兩點間(P0P1段)的動程規劃，接著，繼續求解下一段的動程規劃(P1P2段)，直到 完成全部的電子凸輪曲線規劃，若是中間有一段無解，則跳出無解提醒。當所有線段都完成動程規劃後即可得到完整的電子凸輪曲線規劃，如圖4所示。

很明顯的，本發明提出的電子凸輪曲線的生成方法在於輸入各點位置、速度，並且設定系統限制最大速度、最大加速度、最大加加速度即可規劃出完整的電子凸輪曲線，並且滿足所設定的限制。若是所給限制條件下沒有解時，則會回傳無解提醒。

進一步來說，本發明提出的電子凸輪曲線的生成方法，在進行動程規劃時，已經將速度、加速度、加加速度等在運動過程中不能過大的限制條件列入動程規劃條件，因此可以有效的保護機台。再者，本發明根據限制條件以及上一次求解的結果，選擇滿足條件的求解器，直到找出合於限制條件的解，求解時可使用多個求解器求解，因此可以更容易滿足使用者設定的條件。本發明使用之演算法所需輸入的參數很少，使用上更為方便。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明保護的範圍之內。

102‧‧‧從動軸驅動部

103‧‧‧伺服馬達驅動器

104‧‧‧伺服馬達

105‧‧‧主動軸位置回授

106‧‧‧電子凸輪曲線設定資訊

107‧‧‧位置命令

108‧‧‧電流

109‧‧‧位置回授

201‧‧‧電子凸輪控制裝置

Claims (10)

1. 一種電子凸輪控制裝置，包括：一資訊讀取部，用以讀取一從動軸位置設定檔並進行解析；一電子凸輪曲線生成部，是根據使用者設定的限制條件如兩設定點位置、速度資訊等來選擇合適的求解器，藉此生成一電子凸輪曲線；一電子凸輪曲線記憶部，是將生成的該電子凸輪曲線儲存；一位置命令生成部，參考一主動軸的位置回授，並將該電子凸輪曲線的動程規劃轉換成一位置命令；一命令輸出部，是將該位置命令輸出至一從動軸驅動部，該從動軸驅動部則根據所接收到的該位置命令進行作動；以及一求解器，其能依照由該電子凸輪曲線生成部所產生之兩指定點的位置距離，且參照系統限制條件來輸出兩指定點之動程規劃，藉此完成電子凸輪曲線。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之電子凸輪控制裝置，其中，使用者可設定的該限制條件包括：最大速度、最大加速度、最大加加速度。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之電子凸輪控制裝置，其中，生成該電子凸輪曲線時可使用複數個不同的該求解器進行。
4. 根據申請專利範圍第3項所述之電子凸輪控制裝置，其中，生成該電子凸輪曲線時該電子凸輪曲線生成部會參照該求解器之判斷式而將該限制條件代入各個該求解器，直到找出合於該限制條件的解，求解時該電子凸輪曲線生成部會參照前一次求解結果及該限制條件選擇該求解器。
5. 根據申請專利範圍第3項所述之電子凸輪控制裝置，其中，若是在該限制條件下沒有可行解，則該求解器回傳一無解提醒。
6. 根據申請專利範圍第3項所述之電子凸輪控制裝置，其中，以相同的該限制條件求解，該求解器求解的結果一定相同。
7. 根據申請專利範圍第1項所述之電子凸輪控制裝置，其中，生成的該電子凸輪曲線會考慮一系統限制，包括：最大速度、最大加速度、最大加加速度。
8. 根據申請專利範圍第1項所述之電子凸輪控制裝置，其中，的該電子凸輪曲線會生成時會參照主動軸位置及速度、從動軸位置及速度以及一系統限制，包括：最大速度、最大加速度、最大加加速度，且該電子凸輪曲線之生成須仰賴於該求解器之運算結果。
9. 根據申請專利範圍第7項所述之電子凸輪控制裝置，其中，該電子凸輪曲線的每一處都會受到該系統限制的保護。
10. 一種電子凸輪曲線生成方法，其包括以下步驟：該資訊讀取部由從動軸位置設定檔中讀取使用者所設定的特定點位置及相關參數；該電子凸輪曲線生成部根據從動軸位置設定檔中所得的資訊，每兩個點規劃一段曲線的動程，並將各個曲線段結合起來生成完整的該電子凸輪曲線；上述該電子凸輪曲線生成部之運作則須搭配該求解器，其能判斷由該電子凸輪曲線生成部所產生之兩指定點的位置距離，並參照參考設定之系統值如最大速度、最大加速度以及最大加加速度等來輸出兩指定點之動程規劃，藉以完成該電子凸輪曲線； 該電子凸輪曲線記憶部將該電子凸輪曲線生成部所生成的該電子凸輪曲線儲存；該位置命令成部參考由主動軸驅動部的回授主動軸位置資訊後，將該電子凸輪曲線記憶部中所存的該電子凸輪曲線的動程規劃轉換成位置命令；該命令輸出部將該位置命令生成部所生成的該位置命令輸出至該從動軸驅動部；該從動軸驅動部則根據所接收到的位置命令進行作動，達成電子凸輪控制裝置所規劃的運動軌跡。