CNC多軸運動控制系統輪廓誤差分析

摘 要：隨著半導體技術的迅猛發展，使得半導體設備更趨于復雜化，對復雜設備的控制便顯得尤為重要，針對復雜設備的運動控制系統，闡述了CNC多軸運動控制系統輪廓誤差的控制方式及實現方法。

關鍵詞：CNC多軸運動控制；輪廓誤差；運動控制器

實踐表明針對CNC兩軸運動系統，建立直線輪廓、不同曲率半徑圓弧輪廓及一般曲線輪廓誤差幾何模型，討論輪廓誤差與跟蹤誤差之間的關系，分析和研究運動控制系統誤差產生原因及輪廓誤差形成機理.通過仿真實驗結果表明，加入基于輪廓誤差模型的交叉耦合控制確實大大降低了輪廓誤差，提高了輪廓控制精度。

1、CNC系統性能特點

CNC控制器可以控制1到8個軸的伺服或步進，或者是二者的任意結合。另外，此款控制器還可以添加一塊TRIO的功能子板，實現對第9軸的控制或者擴充出一個通信通道。CNC的設計是一款功能強大但十分經濟的控制器，即為OEM設備生產商提供一種性能高且經濟型的控制器。同時，該運動控制器設計上，支持由上位計算機配置和編寫的多任務程序，滿足客戶對多任務工程的需要，任務程序采用TrioBasic語言進行編寫。如果外部電腦并不是終端系統所必須的，控制卡可獨立脫機運行，可以通過Ethernet與計算機進行通訊，也可以實現高速通訊編程開發。CNC的TrioBASIC多任務版本允許7個TrioBASIC程序在控制器內按照優先級別同時運行。CNC本體具有16個內置的24V開關量輸入口和8個內置的輸出口。這些開關量可以作為系統內部的邏輯交換變量，或者可以根據實際需要用于連接控制器的限位信號、原點信號及一些反饋信號。通過初始化程序我們已經把原先控制卡上的8個輸入指示燈定義為輸出點的指示燈，同時對輸入點設計了專門的指示燈信號。此外，CNC具有256個開關量輸入/輸出點的擴展能力，以及32個模擬量輸入點的擴展能力，通過CAN總線可以將這些相關的擴展模塊連接起來。

2、輪廓誤差與跟蹤誤差

運動控制系統的軌跡精度往往受機械與電氣兩方面制約，軌跡誤差不可避免地存在，其主要體現在輪廓誤差與跟蹤誤差，如圖1所示.M為當前理論位置，M1′與M2′點分別為不同情況下對應于M的實際位置響應.輪廓誤差是指多軸運動不協調時實際位置響應M1′（M2′）與理論輪廓軌跡之間的最短距離E；跟蹤誤差則指在單軸運動中，理論位置M點與實際位置M1′（M2′）點之間的差值ε′。

圖1 輪廓誤差與跟蹤誤差

從圖1可知，輪廓誤差與跟蹤誤差既有聯系又有區別，如果單軸跟蹤誤差為零，則輪廓誤差一定也為零；但如果輪廓誤差為零，跟蹤誤差卻不一定為零。在實際生產過程中，對于一個運動系統的控制目標就是盡可能減少這兩種誤差.對于連續軌跡控制系統，輪廓誤差是影響最大的誤差，系統中的其他誤差，最終均反映為輪廓誤差。

3、曲線輪廓誤差分析

數控加工中影響輪廓精度的誤差來源可分為3類，機床結構誤差（如絲杠間隙、導軌不直、熱變形等）；切削過程影響（如刀具傾斜、磨損等）；驅動系統的動態特性、控制器與外部干擾引起的誤差.總的輪廓誤差是這3種誤差綜合作用的結果。有很多學者從數控伺服系統等方面對數控系統輪廓誤差進行過詳細的研究，但針對不同曲率圓弧輪廓和一般曲線輪廓來研究數控輪廓誤差的并不多見。

目前CNC多軸運動控制除了廣泛應用直線圓弧之外，還有用到拋物線甚至更高次式曲線，因此對一般曲線輪廓誤差模型的討論也非常重要.一般曲線軌跡，基本上在不同時間可用一個對應圓弧來近似，以半徑為R的圓弧近似，經過對應圓弧近似后，若出現在某一時刻為小曲率圓弧運動，則采用ε=CxEx-CyEy誤差模型；若出現在某一時刻為大曲率圓弧運動，則采用ε=Exsinθ-Eycosθ誤差模型，無論哪種模型，必須先求出sinθ、cosθ及曲率半徑R。通過建立的輪廓誤差模型，設計基于輪廓誤差模型的交叉耦合控制器，在給定進給速率下，對每個軸適當加以補償和修正，進行拐角輪廓仿真實驗。實驗表明，在加入基于輪廓誤差模型的交叉耦合控制后，產生各軸的修正量反饋到各單軸后形成的拐角輪廓誤差大約可改善50%，因此可大大減小輪廓誤差。

4、結束語

運動控制是指在復雜條件下，將預定的控制方案、規劃指令轉變成期望的機械運動。運動控制系統使被控機械運動實現精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉矩或力的控制，以及針對其被控機械量的綜合控制。在CNC多軸運動控制系統中，機床數控系統根據插補結果發出位置控制指令對各坐標軸進行獨立的位置閉環控制，驅動相應的機械傳動機構，最終實現精確的輪廓進給運動。但在實際數控加工系統過程中，插補器根據輸入數據計算出各個坐標軸的位置指令值，運動控制系統的軌跡精度往往受機械與電氣兩方面制約，輪廓軌跡誤差不可避免地存在。本文從幾何角度研究和分析數控輪廓誤差，分析直線輪廓、不同曲率圓弧輪廓和一般曲線輪廓誤差，并探討跟蹤誤差與輪廓誤差之間的關系。

參考文獻：

[1]張崇巍.運動控制系統[J]，科技傳播，2012

[2]肖本賢.多軸運動下的輪廓跟蹤誤差控制[J]科技與企業，2013