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何謂「電子凸輪」?

一. 簡介：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　
　「機械凸輪」一直是設計自動化機械設備的經典概念及方法，機械凸輪的優點是精準、快速，特別適合產品需要大量生產的自動化設備。也因為是純機械設計所以一旦設計完成，經由計劃性的維護調整，整體設精度可以維持很長的一定時間。

　但是機械凸輪在機構設計上比較複雜，甚至需要「獨具慧眼」的巧思。所以以機械凸輪設計的機械往往是經典，都是獨特的設計。也因為如此一旦生產產品的方式改變，一部機械設備可能百分之八十的機構都必須更改設計重新製造。如果面對多樣式產品生產時，機械生產的彈性就備受考驗。所以「機械凸輪」最適合的作業方式就是大量生產，一旦機台設定完成。長時間內就不再更動，持續生產並且定期作機台維護及保養。

　「電子凸輪」設計的目的除了因應彈性化生產外，最重要的是簡化機構元件的設計，以馬達配合「導螺桿」或是「時規皮帶」取代複雜的連桿機構。將每一個工單以檔案方式管理，籍由電腦數位介面操控達到方便使用，維護簡單及有效縮短機台裝設時間。進而達到有效管理，簡化人工成本，快速因應客戶要求的目的。

二. 設計原理：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　「機械凸輪」的設計原理是將一片一片的凸輪以軸心串接(如右圖示)，每一片凸輪負責各別驅動獨立的連桿機構，各個機構以圓周角度分配動作區間。例如機械夾手的控制，假設夾手從閉合到開啟再到閉合的動作區間 (Work Window) 為 20 度到165 度，也就是說凸輪旋轉一圈 (0度 ~ 360度) 機械夾手就會打開一次，其它的凸輪驅動不同的機構為配合機械夾手的動作便有不同的動作區間，所以不同機構的控制凸輪形狀也不相同。故驅動的機構愈多所需要的凸輪片也愈多，當軸心串接的凸輪數目增加，負載也增加不謹謹是體積增加，帶動軸心旋轉的馬達所需的馬力也要增加。

　「機械凸輪」的同步方式是靠串聯的軸心，軸心一旋轉所有凸輪一起旋轉達到系統同動的目的，當馬達旋轉速度增加，機械運作速度也會加快，當馬達旋轉速度變慢，機械運作速度也跟著變慢。所以「機械凸輪」是線性系統、是連續性的架構。目前也有改進的方法，那就是將驅動馬達更換成大馬力的「伺服馬達」以及利用齒輪機構耦合傳動編碼器(Encoder)，將機械旋轉的角度以數位方式輸入系統，電控系統利用編碼器所傳回的訊號和機構系統取得同步控制的目的。

　「電子凸輪」的系統並沒有實質的軸心，而同步的依據是時間。將單位時間分割成角度，每一度有一固定時間，單位時間愈短，「電子凸輪」旋轉的愈快。將馬達氣缸及機械夾手等都視為單一元件，再分配各元件個別的動作區間，利用電腦介面輸出點(I/O Output)依各元件的動作區間控制該元件的動作。

　例如：我們將1秒鐘分割成360等份，即每一度為1/360秒。假設機械夾手的動作區間為35度到225度，所以當「電子凸輪」計數要 35度時電腦就會對控制機械夾手的輸出點作輸出動作，然後一直等到電腦計數到 225度時，再將控制機械夾手的輸出點作關閉動作。所以當我們重新定義電子凸輪的基準時間為0.8秒分割成360等份，系統運作的速度就會增加，同理系統運作的速度也可變慢。不再像純凸輪系統要變換機械系統速時，必須調整驅動馬達的轉速。

　當然「電子凸輪」不只有可以自由變速的優點，最大的優點是用馬達取代了複雜的機構，而且我們只要利用電腦控制器調整馬達的動作區間及位置參數和馬達位址的數目，就可以在不用更換機構的情形下，讓機械系統更改生產程序及動作，以因應彈性生產。這才是「電子凸輪」取代「機械凸輪」的最大利益所在，甚至我們也可以在電腦系統內存放多套「電子凸輪」，電腦系統只要切換不同的「電子凸輪」，機械系統就可以有不同動作程序。

三. 「電子凸輪」的實現：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　 拜電子科技及半導體的進步，目前在市面上有很多嵌入式(Embedded System)的單晶本可以使用，在這些單晶片中已設計了多組獨立的計數/計時器(Timer)，利用時序中斷的控制方式，配合控制界面的設計我們就可以實現「電子凸輪」的設計。而且現在的單晶片程式也可以用 C 語言來設計，不再只有使用組合語言，讓整個系統的設計工作效率提昇更加方便。

　另外馬達控制及如何整合到「電子凸輪」系統內，也不是三言兩語可以說完的，將在「機電整合」設計中再作說明。

吳木生 謹識
民國九十五年十一月二十五日星期六

註：本篇文章版權屬於吳木生所有，如需轉載請告知作者，謝謝!!!

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