摘 要：隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得半導(dǎo)體設(shè)備更趨于復(fù)雜化，對復(fù)雜設(shè)備的控制便顯得尤為重要，針對復(fù)雜設(shè)備的運動控制系統(tǒng)，闡述了CNC多軸運動控制系統(tǒng)輪廓誤差的控制方式及實現(xiàn)方法。

關(guān)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(tǒng)，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(guān)系，分析和研究運動控制系統(tǒng)誤差產(chǎn)生原因及輪廓誤差形成機理.通過仿真實驗結(jié)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(tǒng)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(jié)合。另外，此款控制器還可以添加一塊TRIO的功能子板，實現(xiàn)對第9軸的控制或者擴充出一個通信通道。CNC的設(shè)計是一款功能強大但十分經(jīng)濟的控制器，即為OEM設(shè)備生產(chǎn)商提供一種性能高且經(jīng)濟型的控制器。同時，該運動控制器設(shè)計上，支持由上位計算機配置和編寫的多任務(wù)程序，滿足客戶對多任務(wù)工程的需要，任務(wù)程序采用TrioBasic語言進行編寫。如果外部電腦并不是終端系統(tǒng)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(xiàn)高速通訊編程開發(fā)。CNC的TrioBASIC多任務(wù)版本允許7個TrioBASIC程序在控制器內(nèi)按照優(yōu)先級別同時運行。CNC本體具有16個內(nèi)置的24V開關(guān)量輸入口和8個內(nèi)置的輸出口。這些開關(guān)量可以作為系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯交換變量，或者可以根據(jù)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(jīng)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(shè)計了專門的指示燈信號。此外，CNC具有256個開關(guān)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(guān)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(tǒng)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(xiàn)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(yīng)于M的實際位置響應(yīng).輪廓誤差是指多軸運動不協(xié)調(diào)時實際位置響應(yīng)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(lián)系又有區(qū)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(chǎn)過程中，對于一個運動系統(tǒng)的控制目標就是盡可能減少這兩種誤差.對于連續(xù)軌跡控制系統(tǒng)，輪廓誤差是影響最大的誤差，系統(tǒng)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(shù)控加工中影響輪廓精度的誤差來源可分為3類，機床結(jié)構(gòu)誤差（如絲杠間隙、導(dǎo)軌不直、熱變形等）；切削過程影響（如刀具傾斜、磨損等）；驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)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(jié)果。有很多學者從數(shù)控伺服系統(tǒng)等方面對數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控輪廓誤差的并不多見。

目前CNC多軸運動控制除了廣泛應(yīng)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(yīng)圓弧來近似，以半徑為R的圓弧近似，經(jīng)過對應(yīng)圓弧近似后，若出現(xiàn)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(xiàn)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(shè)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(chǎn)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(jié)束語

運動控制是指在復(fù)雜條件下，將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機械運動。運動控制系統(tǒng)使被控機械運動實現(xiàn)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)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(tǒng)中，機床數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)插補結(jié)果發(fā)出位置控制指令對各坐標軸進行獨立的位置閉環(huán)控制，驅(qū)動相應(yīng)的機械傳動機構(gòu)，最終實現(xiàn)精確的輪廓進給運動。但在實際數(shù)控加工系統(tǒng)過程中，插補器根據(jù)輸入數(shù)據(jù)計算出各個坐標軸的位置指令值，運動控制系統(tǒng)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(shù)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(guān)系。

參考文獻：

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