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摘 要：随着半导体技术的迅猛发展，使得半导体设备更趋于复杂化，对复杂设备的控制便显得尤为重要，针对复杂设备的运动控制系统，阐述了CNC多轴运动控制系统轮廓误差的控制方式及实现方法。
关键词：CNC多轴运动控制；轮廓误差；运动控制器
实践表明针对CNC两轴运动系统，建立直线轮廓、不同曲率半径圆弧轮廓及一般曲线轮廓误差几何模型，讨论轮廓误差与跟踪误差之间的关系，分析和研究运动控制系统误差产生原因及轮廓误差形成机理.通过仿真实验结果表明，加入基于轮廓误差模型的交叉耦合控制确实大大降低了轮廓误差，提高了轮廓控制精度。
1、CNC系统性能特点
CNC控制器可以控制1到8個轴的伺服或步进，或者是二者的任意结合。另外，此款控制器还可以添加一块TRIO的功能子板，实现对第9轴的控制或者扩充出一个通信通道。CNC的设计是一款功能强大但十分经济的控制器，即为OEM设备生产商提供一种性能高且经济型的控制器。同时，该运动控制器设计上，支持由上位计算机配置和编写的多任务程序，满足客户对多任务工程的需要，任务程序采用TrioBasic语言进行编写。如果外部电脑并不是终端系统所必须的，控制卡可独立脱机运行，可以通过Ethernet与计算机进行通讯，也可以实现高速通讯编程开发。CNC的TrioBASIC多任务版本允许7个TrioBASIC程序在控制器内按照优先级别同时运行。CNC本体具有16个内置的24V开关量输入口和8个内置的输出口。这些开关量可以作为系统内部的逻辑交换变量，或者可以根据实际需要用于连接控制器的限位信号、原点信号及一些反馈信号。通过初始化程序我们已经把原先控制卡上的8个输入指示灯定义为输出点的指示灯，同时对输入点设计了专门的指示灯信号。此外，CNC具有256个开关量输入/输出点的扩展能力，以及32个模拟量输入点的扩展能力，通过CAN总线可以将这些相关的扩展模块连接起来。
2、轮廓误差与跟踪误差
运动控制系统的轨迹精度往往受机械与电气两方面制约，轨迹误差不可避免地存在，其主要体现在轮廓误差与跟踪误差，如图1所示.M为当前理论位置，M1′与M2′点分别为不同情况下对应于M的实际位置响应.轮廓误差是指多轴运动不协调时实际位置响应M1′（M2′）与理论轮廓轨迹之间的最短距离E；跟踪误差则指在单轴运动中，理论位置M点与实际位置M1′（M2′）点之间的差值ε′。
图1 轮廓误差与跟踪误差
从图1可知，轮廓误差与跟踪误差既有联系又有区别，如果单轴跟踪误差为零，则轮廓误差一定也为零；但如果轮廓误差为零，跟踪误差却不一定为零。在实际生产过程中，对于一个运动系统的控制目标就是尽可能减少这两种误差.对于连续轨迹控制系统，轮廓误差是影响最大的误差，系统中的其他误差，最终均反映为轮廓误差。
3、曲线轮廓误差分析
数控加工中影响轮廓精度的误差来源可分为3类，机床结构误差（如丝杠间隙、导轨不直、热变形等）；切削过程影响（如刀具倾斜、磨损等）；驱动系统的动态特性、控制器与外部干扰引起的误差.总的轮廓误差是这3种误差综合作用的结果。有很多学者从数控伺服系统等方面对数控系统轮廓误差进行过详细的研究，但针对不同曲率圆弧轮廓和一般曲线轮廓来研究数控轮廓误差的并不多见。
目前CNC多轴运动控制除了广泛应用直线圆弧之外，还有用到抛物线甚至更高次式曲线，因此对一般曲线轮廓误差模型的讨论也非常重要.一般曲线轨迹，基本上在不同时间可用一个对应圆弧来近似，以半径为R的圆弧近似，经过对应圆弧近似后，若出现在某一时刻为小曲率圆弧运动，则采用ε=CxEx-CyEy误差模型；若出现在某一时刻为大曲率圆弧运动，则采用ε=Exsinθ-Eycosθ误差模型，无论哪种模型，必须先求出sinθ、cosθ及曲率半径R。通过建立的轮廓误差模型，设计基于轮廓误差模型的交叉耦合控制器，在给定进给速率下，对每个轴适当加以补偿和修正，进行拐角轮廓仿真实验。实验表明，在加入基于轮廓误差模型的交叉耦合控制后，产生各轴的修正量反馈到各单轴后形成的拐角轮廓误差大约可改善50%，因此可大大减小轮廓误差。
4、结束语
运动控制是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。运动控制系统使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及针对其被控机械量的综合控制。在CNC多轴运动控制系统中，机床数控系统根据插补结果发出位置控制指令对各坐标轴进行独立的位置闭环控制，驱动相应的机械传动机构，最终实现精确的轮廓进给运动。但在实际数控加工系统过程中，插补器根据输入数据计算出各个坐标轴的位置指令值，运动控制系统的轨迹精度往往受机械与电气两方面制约，轮廓轨迹误差不可避免地存在。本文从几何角度研究和分析数控轮廓误差，分析直线轮廓、不同曲率圆弧轮廓和一般曲线轮廓误差，并探讨跟踪误差与轮廓误差之间的关系。
参考文献：
[1]张崇巍.运动控制系统[J]，科技传播，2012
[2]肖本贤.多轴运动下的轮廓跟踪误差控制[J]科技与企业，2013
关键词：CNC多轴运动控制；轮廓误差；运动控制器
实践表明针对CNC两轴运动系统，建立直线轮廓、不同曲率半径圆弧轮廓及一般曲线轮廓误差几何模型，讨论轮廓误差与跟踪误差之间的关系，分析和研究运动控制系统误差产生原因及轮廓误差形成机理.通过仿真实验结果表明，加入基于轮廓误差模型的交叉耦合控制确实大大降低了轮廓误差，提高了轮廓控制精度。
1、CNC系统性能特点
CNC控制器可以控制1到8個轴的伺服或步进，或者是二者的任意结合。另外，此款控制器还可以添加一块TRIO的功能子板，实现对第9轴的控制或者扩充出一个通信通道。CNC的设计是一款功能强大但十分经济的控制器，即为OEM设备生产商提供一种性能高且经济型的控制器。同时，该运动控制器设计上，支持由上位计算机配置和编写的多任务程序，满足客户对多任务工程的需要，任务程序采用TrioBasic语言进行编写。如果外部电脑并不是终端系统所必须的，控制卡可独立脱机运行，可以通过Ethernet与计算机进行通讯，也可以实现高速通讯编程开发。CNC的TrioBASIC多任务版本允许7个TrioBASIC程序在控制器内按照优先级别同时运行。CNC本体具有16个内置的24V开关量输入口和8个内置的输出口。这些开关量可以作为系统内部的逻辑交换变量，或者可以根据实际需要用于连接控制器的限位信号、原点信号及一些反馈信号。通过初始化程序我们已经把原先控制卡上的8个输入指示灯定义为输出点的指示灯，同时对输入点设计了专门的指示灯信号。此外，CNC具有256个开关量输入/输出点的扩展能力，以及32个模拟量输入点的扩展能力，通过CAN总线可以将这些相关的扩展模块连接起来。
2、轮廓误差与跟踪误差
运动控制系统的轨迹精度往往受机械与电气两方面制约，轨迹误差不可避免地存在，其主要体现在轮廓误差与跟踪误差，如图1所示.M为当前理论位置，M1′与M2′点分别为不同情况下对应于M的实际位置响应.轮廓误差是指多轴运动不协调时实际位置响应M1′（M2′）与理论轮廓轨迹之间的最短距离E；跟踪误差则指在单轴运动中，理论位置M点与实际位置M1′（M2′）点之间的差值ε′。
图1 轮廓误差与跟踪误差
从图1可知，轮廓误差与跟踪误差既有联系又有区别，如果单轴跟踪误差为零，则轮廓误差一定也为零；但如果轮廓误差为零，跟踪误差却不一定为零。在实际生产过程中，对于一个运动系统的控制目标就是尽可能减少这两种误差.对于连续轨迹控制系统，轮廓误差是影响最大的误差，系统中的其他误差，最终均反映为轮廓误差。
3、曲线轮廓误差分析
数控加工中影响轮廓精度的误差来源可分为3类，机床结构误差（如丝杠间隙、导轨不直、热变形等）；切削过程影响（如刀具倾斜、磨损等）；驱动系统的动态特性、控制器与外部干扰引起的误差.总的轮廓误差是这3种误差综合作用的结果。有很多学者从数控伺服系统等方面对数控系统轮廓误差进行过详细的研究，但针对不同曲率圆弧轮廓和一般曲线轮廓来研究数控轮廓误差的并不多见。
目前CNC多轴运动控制除了广泛应用直线圆弧之外，还有用到抛物线甚至更高次式曲线，因此对一般曲线轮廓误差模型的讨论也非常重要.一般曲线轨迹，基本上在不同时间可用一个对应圆弧来近似，以半径为R的圆弧近似，经过对应圆弧近似后，若出现在某一时刻为小曲率圆弧运动，则采用ε=CxEx-CyEy误差模型；若出现在某一时刻为大曲率圆弧运动，则采用ε=Exsinθ-Eycosθ误差模型，无论哪种模型，必须先求出sinθ、cosθ及曲率半径R。通过建立的轮廓误差模型，设计基于轮廓误差模型的交叉耦合控制器，在给定进给速率下，对每个轴适当加以补偿和修正，进行拐角轮廓仿真实验。实验表明，在加入基于轮廓误差模型的交叉耦合控制后，产生各轴的修正量反馈到各单轴后形成的拐角轮廓误差大约可改善50%，因此可大大减小轮廓误差。
4、结束语
运动控制是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。运动控制系统使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及针对其被控机械量的综合控制。在CNC多轴运动控制系统中，机床数控系统根据插补结果发出位置控制指令对各坐标轴进行独立的位置闭环控制，驱动相应的机械传动机构，最终实现精确的轮廓进给运动。但在实际数控加工系统过程中，插补器根据输入数据计算出各个坐标轴的位置指令值，运动控制系统的轨迹精度往往受机械与电气两方面制约，轮廓轨迹误差不可避免地存在。本文从几何角度研究和分析数控轮廓误差，分析直线轮廓、不同曲率圆弧轮廓和一般曲线轮廓误差，并探讨跟踪误差与轮廓误差之间的关系。
参考文献：
[1]张崇巍.运动控制系统[J]，科技传播，2012
[2]肖本贤.多轴运动下的轮廓跟踪误差控制[J]科技与企业，2013