ABB机器人备品配件服务商    

多轴联动编程是运动控制领域的核心技术，主要用于实现多个轴（如伺服电机、步进电机）按照预设轨迹（如直线、圆弧、复杂曲线）同步运动，常见于数控机床、机器人、3C 设备等场景。其核心挑战是保证各轴运动的时序同步性、轨迹精度和动态响应，以下是关键技术点和编程方法：

一、多轴联动的核心原理

多轴联动的本质是通过插补算法（如直线插补、圆弧插补）将复杂轨迹分解为各轴的位移分量，再通过控制器协调各轴的速度和加速度，使各轴在同一时刻到达目标位置，形成连续轨迹。

• 插补周期：控制器每间隔固定时间（如 1ms）计算一次各轴的瞬时位置，确保轨迹平滑。

• 同步方式：以 “主轴” 为基准，其他轴按比例跟随运动（如齿轮同步），或通过时间戳严格对齐各轴运动指令。

二、编程实现的关键要素

1. 硬件与控制器选择

• 控制器：需支持多轴联动功能，如：

• 专用运动控制卡（如雷赛 DMC 系列、固高 GTS 系列）

• 高端 PLC（如西门子 S7-1200/1500 + 运动控制模块、三菱 FX5U/Q 系列）

• 工业机器人控制器（如发那科、安川）

• 嵌入式系统（如基于 STM32 + 运动控制芯片）

• 驱动与电机：选择支持位置 / 速度模式的伺服电机，确保响应速度匹配联动需求。

2. 坐标系与轨迹规划

• 坐标系定义：

• 建立统一的机械坐标系（如 X/Y/Z 轴），明确各轴与机械坐标的映射关系（如轴 1 对应 X 轴，轴 2 对应 Y 轴）。

• 考虑机械传动比（如丝杆导程、齿轮减速比），将电机脉冲数转换为实际机械位移（如 1000 脉冲 = 1mm）。

• 轨迹规划：

• 直线插补：两轴或多轴以恒定速度比运动，合成直线轨迹（如 X 轴移动 100mm，Y 轴移动 50mm，速度比 2:1）。

• 圆弧插补：通过圆心、半径和角度，计算各轴的瞬时位置（如 X-Y 平面画圆，需实时计算正弦 / 余弦分量）。

• 复杂曲线：通过 CAD 导出的 G 代码（如 G01 直线、G02 圆弧）或样条曲线方程，解析为各轴运动指令。

3. 编程方法与示例

根据控制器类型，编程方式分为图形化编程（如梯形图、流程图）和代码编程（如 C/C++、ST 语言）。

示例 1：PLC 梯形图实现 2 轴直线插补（三菱 FX5U）

使用 FX5U 的MC_MoveLinear（直线插补）指令，实现 X 轴（轴 1）和 Y 轴（轴 2）联动：

梯形图逻辑：

// 初始化轴参数
MC_InitAxis 轴1, 允许, 正方向极限, 负方向极限, 完成标志1
MC_InitAxis 轴2, 允许, 正方向极限, 负方向极限, 完成标志2

// 直线插补：从(0,0)移动到(100mm, 50mm)，速度100mm/s
LD 启动按钮
MC_MoveLinear  轴组1, 100, 50, 0, 100, 50, 50, 绝对位置, 插补完成标志
// 参数说明：目标X=100，目标Y=50，速度=100，加速度=50，减速度=50

示例 2：运动控制卡 C 语言实现圆弧插补（雷赛 DMC）

通过 DMC 运动控制卡的 API 函数，在 X-Y 平面画顺时针圆弧：

c

运行

#include "DMC.h"int main() {
    // 初始化控制卡
    DMC_Open();
    DMC_SetAxisParam(1, DMC_PULSE_PER_UNIT, 1000);  // X轴：1000脉冲=1mm
    DMC_SetAxisParam(2, DMC_PULSE_PER_UNIT, 1000);  // Y轴：1000脉冲=1mm

    // 圆弧插补：起点(0,0)，终点(100,0)，圆心(50,50)，顺时针，速度500mm/s
    DMC_Circle(1, 2,  // X轴=1，Y轴=2
               0, 0,  // 起点坐标
               100, 0,  // 终点坐标
               50, 50,  // 圆心坐标
               1,  // 顺时针（0=逆时针）
               500);  // 速度

    DMC_Close();
    return 0;}

三、常见问题与解决方法

1. 轴运动不同步（轨迹偏移）

• 原因：各轴加速度 / 减速时间不一致、机械传动间隙、负载差异。

• 解决：

• 统一各轴的加减速参数（如加速度均设为 500mm/s²）。

• 进行 “电子齿轮同步”（如通过控制器的齿轮比功能，强制从轴跟随主轴速度）。

• 机械上消除间隙（如使用滚珠丝杆、消隙齿轮）。

2. 轨迹精度差（圆弧不圆、直线有锯齿）

• 原因：插补周期过长（如 10ms，导致轨迹离散）、电机丢步、参数计算错误。

• 解决：

• 缩短插补周期（如降至 1ms，需控制器性能支持）。

• 优化加减速曲线（使用 S 型曲线，避免速度突变）。

• 校准电机参数（如脉冲当量、编码器分辨率）。

3. 动态响应慢（高速时轨迹失真）

• 原因：速度环 / 位置环增益过低、电机扭矩不足。

• 解决：

• 提高伺服驱动器的位置环增益（如台达 B2 的 P1-10 参数）和速度环增益（P1-01）。

• 选用更高转速 / 扭矩的电机，或降低联动速度至合理范围。

4. 复杂轨迹编程困难

• 解决：

• 借助 CAD/CAM 软件（如 Mastercam）生成 G 代码，控制器直接解析执行。

• 使用 “样条插补” 功能（部分高端控制器支持），通过离散点拟合平滑曲线。

四、高级技巧

1. 前馈控制：在插补算法中加入速度前馈和加速度前馈，补偿系统滞后，提高动态精度。

2. 误差补偿：通过程序补偿机械误差（如丝杆螺距误差、导轨平行度误差），在各轴位置指令中加入修正值。

3. 多轴联动测试：使用示波器同时监测各轴的脉冲输出或编码器反馈，分析同步误差；或通过激光干涉仪检测实际轨迹精度。

五、总结

多轴联动编程的核心是 **“同步” 与 “精度”**，需结合硬件特性（控制器、电机）、机械参数（传动比、间隙）和算法优化（插补、增益调节）。实际开发中，建议先通过简单轨迹（如直线、圆弧）测试，逐步优化参数，再扩展到复杂运动。对于高端应用（如五轴加工），推荐使用专业运动控制软件（如 CODESYS）或基于 PLCopen 标准的编程规范，提高开发效率。