National Sun Yat-sen University Institutional Repository:Item 987654321/33334

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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即時高速運動控制平台開發

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計畫類別：■個別型計畫

□整合型計畫

計畫編號：NSC90－2212－E－110－041－

執行期間：

90 年

8 月

1 日至

91 年

7 月

31 日

計畫主持人：曾逸敦

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位：國立中山大學機械與機電工程學系

中

華

民

國

91 年

08

月

31

日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

即時高速運動控制平台開發

Development of a Real-Time High Speed Tracking Control System

計畫編號：NSC

90-2212-E-110-041-執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日

主持人：曾逸敦 中山大學機械與機電工程學系 副教授

計畫參與人員：張樹銘、林治中 中山大學機械與機電工程學系 研究生

一、中文摘要

隨著電子產品加工速度的加快，及加工精

度越來越精密的趨勢，所以在進給速度向

上提高的過程中同時提升追蹤過程之輪廓

誤差精度已為現今刻不容緩的課題。本研

究內容可分為提高單軸追蹤精度與雙軸輪

廓精度兩部分。在提高單軸追蹤精度上，

提出以建摩擦力矩模型的方式補償摩擦力

矩產生之干擾，再以適應性強健控制器消

除系統其他干擾，並增加系統強健性與穩

定性，最後以速度前餽控制器增加系統動

態響應的速度，消除時間延遲效應，如此

得到了單軸上最適當之控制器組合，可直

接提升單軸追蹤精度，而間接提高輪廓精

度。在提高輪廓精度上，以交叉耦合控制

器的補償運算，來增加各軸之協調性，以

降低輪廓誤差，並在如此控制器之組合

下，提出以設計方式來設計交叉耦合控制

器之參數，代替傳統以試誤法求取控制器

參數的方法，可使輪廓精度再提高。

（關鍵字：軌跡追蹤控制、輪廓誤差、交

叉耦合控制）

Abstr act:

As the electronic products are gotten smaller

and the quantity of output is to be requested,

the trend of the needs for speed and accuracy

is more precise. Therefore, upgrading the

speed and the accuracy of contour error on

tracking control has become an important

point.This research is focus on the

improvement of tracking error and contour

error. In tracking error, we propose that the

compensation of friction disturbance is by

building friction model. And then adaptive

robust controller is used to eliminate other

disturbance. Finally, velocity feedforward

controller is used to improve system dynamic

response and to remove the effect of time

delay. The combination of such controllers

can improve tracking error directly and

contour error indirectly. In contour error, we

use cross-coupled controller to coordinate the

motors and to reform contour error. On the

association of such controllers, we propose

the design method of cross-coupled

controller, to replace the traditional way of

try-and-error, and improving contour error

again.

(Keywords: tracking control、contour

error、cross-coupled control)

二、緣由與目的

隨著雷射技術成熟，雷射儼然成為最

佳的切割刀具，理由為雷射不會磨損，也

不會額外增加工件的負荷與干擾，並可將

進給率大幅提昇到 3000mm/s，可達到產品

的高精度與高加工量。雖然雷射有非接觸

式的優點，可以大幅提高進給率，間接提

升加工速率，可是環顧目前業界在雷射加

工機的使用上，卻沒有替代傳統加工的位

置，只有發展出少數加工機，如簡單的切

割機，雕刻機等等，主要原因有兩個，第

一為雷射本質的因素：雷射具有極高熱

能，因此容易造成工件有熱漲冷縮的效

應，且易使工件燒焦與快速氧化，在軟版

切割應用上，因為材質的特性，會產生因

高熱產生翹曲現象。第二為控制器的因

素：目前雷射加工機的控制器多採用傳統

CNC 工具機的控制器，因此如果想要做高

進給速率或高複雜度的切割時，礙於雷射

最低速率的要求，往往無法得到較佳的精

度，尤其在非線性軌跡和軌跡突然產生極

大變化處（轉角），表現更是差強人意，

造成目前雷射切割機多為處理一些線性軌

跡的切割。在這裡，我們將針對雷射加工

必須之高進給速率的特性，以現有控制策

略為基礎，開發出適合軟版雷射加工機專

用的即時控制器，使得在高速進給下依然

可以得到所需的精度要求。

雷射切割過程中，為了不使高熱破壞

軟版，因此切割速率將維持在高速（雷射

光進給率至少要大於 300mm/s 以上）。目

前文獻之最高進給速率為 120mm/s，而本

研究的速率為 300mm/s，所以將本研究定

為高速軌跡追蹤控制。研究目的為高速追

蹤下，提升軌跡輪廓精度符合客戶要求。

軟版切割軌跡基本上是由斜線、轉角與圓

弧這三種基本軌跡所組成的二維軌跡，因

此本研究將分別研究高速追蹤下個別軌跡

之響應，使各軌跡的精度符合客戶要求，

而當各基本軌跡的精度都合乎需求時，在

組合軌跡的表現上便可達業界的精度需

求。目前廠商於軟版切割上要求精度大約

為 100-300ìm，因此本論文之研究目的是

當進給速率達到 300mm/s 時，斜線輪廓誤

差最大值能在 100ìm 以下，轉角處的輪廓

誤差可以達到 200ìm 的精度；在圓弧軌跡

上，因為圓弧軌跡屬於非線性軌跡，無法

如同線性軌跡在高進給速率上依然可以達

到比較高的精度，所以為了達到廠商所要

求的 300ìm 精度，不得不將進給速率降低

到 200mm/s，因為 200mm/s 的進給速率依

然比文獻之 120mm/s 為大，因此依然符合

本論文之高進給速率的定義，所以圓弧軌

跡的要求是在速率為 200mm/s 時，輪廓誤

差可以達到 300ìm 的精度。

三、結果與討論

本研究探討以雷射為切割工具之高速

切割平台，雷射切割對加工平台而言，為

一不會變動的小負載，也不用顧慮刀具在

高速下突然軌跡變化可能造成的損毀，因

此本研究著重於高速下，追蹤誤差與輪誤

誤差的改善，以下為本研究之結果：

(1)針對馬達系統之非線性干擾與時間延遲

效應，提出以 PID 回饋控制器、摩擦力

矩補償器、適應性強健控制器與速度前

餽控制器之單軸軌跡追蹤控制系統組

合，來達到單軸軌跡追蹤系統上，最適

當之控制器組合，使單軸軌跡追蹤精度

提升，並間接提高輪廓精度。

(2)在 PID 回饋控制器、摩擦力矩補償器、

適應性強健控制器與速度前餽控制器組

合之單軸軌跡追蹤控制系統架構上，提

出以設計方式來設計交叉耦合控制器，

而得到隨單軸控制器與軌跡斜率而變之

交叉耦合控制器參數，可提高系統之軌

跡輪廓精度。

在未來研究上有以下建議：

(1)追蹤誤差：雖然速度前餽控制器能改善

系統時間延遲的效應，但並無法完全消

除，要做到完美的追蹤效果，可以使用

更精密的儀器來鑑定馬達模型，或者是

更換模型更精準的馬達系統，來使用零

誤差相位追蹤控制，來完全消除時間延

遲效應，而達到完美追蹤的效果。

(2)輪廓誤差：雖然交叉耦合控制為改善輪

廓誤差的有效方法，本論文亦以設計方

式設計交叉耦合控制器之參數值，但是

設計出來的參數值並不是最佳值，而為

了得到最佳的控制效果，可以搭配最佳

控制或基因演算法，來求取交叉耦合控

制器之最佳參數；另外系統在路徑變化

時，如轉角，精度表現都不甚理想，因

為系統輸入軌跡為已知路徑，為了使在

路徑變化處有較好的精度表現，可搭配

預知控制等其它控制方法，達到高速高

精度要求。

四、計劃成果自評

本計畫目的是根據雷射可作高速切割

的特性，開發一套即時高速運動控制平

台，將運動控制分為點對點定位控制以及

平面軌跡追蹤，高速定位技術已於上年度

計畫中完成，本年度完成高速平面運動軌

跡追蹤，而將系統建立於業界商品 NI 之

DSP 運動控制器上，完成及時高速運動控

制平台功能開發，得以移植在任一運動平

台上，達到高速運動效果。

五、參考文獻

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