机电一体化:轨迹规划与电子凸轮

列奥纳多·达·芬奇和鹦鹉螺健身机有什么共同之处?达芬奇在1497年左右发明了凸轮锤(见图)，1970年左右发明的鹦鹉螺健身器使用凸轮来调节阻力。凸轮是一种位于转轴上的不规则形状的部件，用于传递运动，它已经存在了几个世纪。直到最近，凸轮设计和应用的研究是机械工程课程的基础。但今天，它的研究似乎无处可寻。

在机电一体化设计中，集成是关键，因为复杂性已经从机械领域转移到电子和计算机软件领域。凸轮是机电一体化原理的一个典型例子，因为机械凸轮正逐渐被电子凸轮所取代。但是转移意味着我们首先要理解力学领域的基本原理。由于机械工程师不再学习凸轮基础知识，也不再是机械工程师培训的一部分，因此今天的运动系统通常使用粗糙的运动轨迹，这会对机器和电机造成压力，产生不必要的振动，导致性能不佳。

为了深入了解这一问题，笔者采访了位于威斯康辛州Mequon的罗克韦尔自动化运动控制和自动化机器设计专家adriano da Silva。他的观点是，轨迹规划及其实时执行没有得到很好的理解，因此经常被忽视。它通常成为一个事后考虑的附加功能——而且是一个粗糙的附加功能。

轨迹规划是自动机械驱动系统的运动轮廓计算，如包装机、机床、装配机、工业机器人等。需要机器及其驱动系统的运动学(正、逆)和动力学模型。期望的运动通常在操作空间中指定，而运动在驱动空间中执行，并且它们通常是不同的。轨迹通常表示为时间的参数函数，它在每个瞬间提供相应的期望位置。一旦确定了轨迹，实现问题包括时间离散化、驱动系统的饱和和负载引起的振动。

在过去的几十年里，机械凸轮已被广泛用于传递，协调和改变运动类型从一个主设备到一个或多个从系统。取代它们的是电子凸轮，目标是获得更灵活的机器，具有更好的性能，易于重新编程和更低的成本。与电子凸轮，运动是直接获得通过更简单的机构与电动执行器，适当的编程和控制，以产生所需的运动轮廓，这也允许同步执行器在位置或时间的基础上。

一旦位移及其持续时间被定义，从初始点到最终点的运动方式的选择对于执行器的尺寸、结构上产生的努力和跟踪误差具有重要意义。工程师必须仔细考虑可用于特定系统的不同类型的点对点轨迹。必须对整个系统进行时域和频域分析，即执行器，机构和负载以及运动轮廓，以实现最佳性能。输入整形和前馈控制是提高跟踪性能的两种技术。

一个关键的参考文献是Luigi Biagiotti和Claudio Melchiorri的“自动机器和机器人的轨迹规划”。过去的知识与新技术相结合会产生创新。工程师们永远不能忘记这个事实。

- Kevin C. Craig博士，马凯特大学工程学院Robert C. Greenheck工程设计教授和机械工程教授。

这篇文章发表在11月版的设备工程和控制工程与…合作设计的新闻，www.designnews.com。

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