摘要：設(shè)計了基于“PC+TurboPMAC”開放模式的數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)3PRS-XY混聯(lián)型并聯(lián)運動機床的運動控制。利用TurboPMAC開放的運動學(xué)計算功能，將運動學(xué)變換計算嵌入到TurboPMAC中，在TurboPMAC中完成軌跡粗插補，提高了控制系統(tǒng)的實時性和可靠性，降低了系統(tǒng)的開發(fā)周期。 1 引言 并聯(lián)運動機床(Parallel Kinematics Machine Tool，PKM)，簡稱并聯(lián)機床(Parallel MachineT001)，也稱虛擬軸機床，它以空間并聯(lián)機構(gòu)為基礎(chǔ)，充分利用計算機數(shù)字控制的潛力，以軟件取代部分硬件，以電氣裝置和電子器件取代部分機械傳動，使將近兩個世紀(jì)以來以笛卡兒坐標(biāo)直線移動為基礎(chǔ)的機床結(jié)構(gòu)和運動學(xué)原理發(fā)生了根本變化。混聯(lián)型并聯(lián)運動機床(HybridPKM)，簡稱混聯(lián)機床，屬于并聯(lián)運動機床概念范疇�；炻�(lián)結(jié)構(gòu)包括串并聯(lián)型、并串聯(lián)型和復(fù)雜混聯(lián)型，由少自由度純并聯(lián)機構(gòu)再串聯(lián)其它運動方向的驅(qū)動機構(gòu)構(gòu)成�；炻�(lián)運動機床混合了并聯(lián)機構(gòu)和串聯(lián)機構(gòu)，并兼具兩者的特點�；炻�(lián)運動機床在很大程度上解決了純并聯(lián)機床在加工范圍上的限制，使并聯(lián)機構(gòu)的應(yīng)用更具靈活性和實用性。各種不同的串聯(lián)并聯(lián)結(jié)合，為并聯(lián)運動機床帶來了很大的發(fā)展空間。 并聯(lián)機床與傳統(tǒng)機床在運動傳遞原理上有著本質(zhì)的區(qū)別，而且結(jié)構(gòu)和配置呈多樣化形式，很難有一種控制系統(tǒng)適合所有并聯(lián)機床的要求，因此需要機床開發(fā)者自行配置控制硬件和軟件，并要求并聯(lián)機床的控制系統(tǒng)必須是開放結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)適用性。目前，比較現(xiàn)實的實現(xiàn)開放式數(shù)控系統(tǒng)的途徑是PC+多軸控制器。這種結(jié)構(gòu)中，PC機處理非實時部分，實時控制部分由多軸控制器來承擔(dān)，形成多級分布式控制模式。這樣架構(gòu)出來的數(shù)控系統(tǒng)既具有前端PC機的柔性，又具有專用CNC系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。目前在國內(nèi)市場上，性能價格比較高的當(dāng)屬PMAC開放式控制系統(tǒng)。由于PMAC運動控制器優(yōu)異的軌跡跟蹤能力和開放特性，在很多高性能的數(shù)控系統(tǒng)和研究項目中選用它構(gòu)建開放式控制系統(tǒng)。TurboPMAC多軸運動控制器是PAMC系列的升級版本，保持了PMAC的優(yōu)良性能，其特有的多種開放特性，更適合于構(gòu)建復(fù)雜的開放式數(shù)控系統(tǒng)。 北京理工大學(xué)在“985”項目的支持下，研制成功了3PRS-XY混聯(lián)型并聯(lián)機床樣機，作者結(jié)合該機床的研制，設(shè)計了基于“PC+TurboPMAC”模式的開放式數(shù)控系統(tǒng)。 2 混聯(lián)機床結(jié)構(gòu) 新型3PRS-XY型混聯(lián)機床為五軸聯(lián)動加工機床，實物如圖1所示，由并聯(lián)機構(gòu)和串聯(lián)機構(gòu)兩部分構(gòu)成。上半部分為一個3自由度的3-PRS型并聯(lián)機構(gòu)，包括固定平臺和動平臺，固定平臺和動平臺之間通過三個定長桿件聯(lián)接，每一桿件鏈包含移動副(P)、轉(zhuǎn)動副(R)和球面副(S)。三個移動副水平120°均勻分布在固定平臺的立柱上，并由直線電機驅(qū)動。該機構(gòu)的動平臺具有一個平動自由度(Z軸)和兩個旋轉(zhuǎn)自由度(A、B軸)。下半部分為X-Y工作臺，具有兩個平動自由度(X、Y軸)。 圖1 3PRS-XY混聯(lián)機床 3 數(shù)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成 控制系統(tǒng)采用“PC+運動控制器”的開放模式，如圖2所示。 圖2 數(shù)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成 PC機選用研華AWS-2848VTP一體化工作站，運動控制器為美國DeltaTau公司的TurboPMAC多軸運動控制卡�？刂葡到y(tǒng)包含五套伺服驅(qū)動系統(tǒng)，分別用于并聯(lián)機構(gòu)的三組直線電機驅(qū)動和串聯(lián)機構(gòu)的兩組交流伺服電機驅(qū)動。采用光柵尺進行位置檢測。通過TurboPMAC的五個伺服控制通道，實現(xiàn)五組伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。利用TurboPMAC的第六個伺服通道控制主軸電機變頻器實現(xiàn)主軸調(diào)速，以支持?jǐn)?shù)控代碼中的主軸速度指令。I/O板連接到Turbo PMAC上，通過內(nèi)置的PLC功能控制機器的輔助功能設(shè)備、主軸啟停、檢測機床限位、驅(qū)動指示裝置和報警裝置、檢測控制面板輸入指令信號等。 控制系統(tǒng)的特點是，以PC總線工業(yè)控制計算機為控制核心，以PMAC多軸控制卡為運動控制模塊，形成以PC機為上位機、TurboPMAC多軸控制卡為下位機的分布式控制。 4 數(shù)控系統(tǒng)工作原理 圖3為數(shù)控系統(tǒng)的工作流程，順序由PC、TurboPMAC和伺服驅(qū)動系統(tǒng)三部分完成整個數(shù)控過程。該控制流程在組成結(jié)構(gòu)上與目前基于“PC+PMAC”并聯(lián)機床數(shù)控系統(tǒng)的研究成果相比，最大特點就是將粗插補和逆運動學(xué)變換嵌入到TurboPMAC中，使3PRS-XY混聯(lián)機床數(shù)控系統(tǒng)實時控制性能明顯提高。 圖3 數(shù)控系統(tǒng)工作流程 并聯(lián)機床控制是并聯(lián)機床研究的關(guān)鍵技術(shù)，也是難點，比傳統(tǒng)機床的控制更為復(fù)雜。傳統(tǒng)機床的每一個自由。度均有一套專用的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，每個自由度的運動是獨立的。并聯(lián)機床的自由度是耦合的，刀具在操作空間的運動是關(guān)節(jié)空間伺服運動的非線性映射。刀尖軌跡規(guī)劃和編程在虛軸上進行，一般基于笛卡兒坐標(biāo)，而實際驅(qū)動軸在并聯(lián)桿系的節(jié)點上，是基于關(guān)節(jié)坐標(biāo)的，它們之間的運動是非線性關(guān)系。因此，必須通過機構(gòu)的逆運動學(xué)進行變換，將虛軸的規(guī)劃量轉(zhuǎn)換為實軸的控制量，該過程又稱為虛實映射。由于虛實變換具有很強的非線性，為保證精度，在施行運動學(xué)變換前，還必須首先對規(guī)劃軌跡(包括直線段)進行數(shù)據(jù)點密化，即在笛卡兒坐標(biāo)空間中進行粗插補。通過粗插補處理，可以有效地減少由于非線性映射造成的原理性誤差。采用極小的采樣周期進行粗插補，所產(chǎn)生的此類誤差甚至可忽略不計，但插補所產(chǎn)生的大量的數(shù)據(jù)需要傳送到運動控制器中，由于通訊速率的限制而導(dǎo)致在線實時控制功能難以實現(xiàn)。本系統(tǒng)充分利用了TurboPMAC提供的運動學(xué)計算功能，將逆運動學(xué)計算程序下載到TurboPMAC中，并且由Turbo PMAC來完成粗插補處理，極大地降低了PC與TurboPMAC之間的數(shù)據(jù)傳輸量，提高了數(shù)控系統(tǒng)的實時性能。粗插補采用了時間分割算法，通過TurboPMAC提供的段細(xì)分功能實現(xiàn)，并通過特定的I變量設(shè)定粗插補周期。精插補采用TurboPMAC內(nèi)置的樣條插補功能，以此來提供伺服控制所需的位置指令數(shù)據(jù)。 控制系統(tǒng)的這種設(shè)計方法，使數(shù)控加工程序的運行過程不再依賴于上位機操作系統(tǒng)的實時性能，完全通過TurboPMAC自身完成混聯(lián)機構(gòu)的運動控制。同時可直接利用TurboPMAC提供的C代碼調(diào)用功能和刀具半徑補償功能，降低了系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高整個數(shù)控系統(tǒng)的實時控制功能。 5 數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計 數(shù)控系統(tǒng)軟件基于Windows操作系統(tǒng)平臺，用Borland的C++Builder6.0開發(fā)。軟件系統(tǒng)采用多任務(wù)調(diào)度模式開發(fā)，根據(jù)預(yù)定的調(diào)度策略調(diào)整各功能事件的運行狀態(tài)。圖4所示，整個任務(wù)系統(tǒng)包括兩大模塊：系統(tǒng)管理和機床接口。由于運動學(xué)程序已嵌入到TurboPMAC中，數(shù)控系統(tǒng)軟件不再對運動學(xué)變換和插補進行任務(wù)分配。 圖4 控制系統(tǒng)軟件模塊 系統(tǒng)管理模塊主要完成數(shù)控程序的預(yù)處理和人機信息交互，其中：參數(shù)設(shè)置模塊用于設(shè)置刀具參數(shù)設(shè)置和機床結(jié)構(gòu)參數(shù)；文件管理模塊用于載人、存儲或編輯NC加工代碼程序；自動操作(Auto)模塊完成數(shù)控程序的自動下載和運行控制；手動操作(MDA)模塊可手動輸入單條數(shù)控指令，直接控制機床單步運動；點動操作(Jog)模塊控制機床各虛擬軸的點動運行，進行刀具位置調(diào)整和工件坐標(biāo)系的確定；仿真模塊根據(jù)加工程序進行機構(gòu)的運動學(xué)仿真，校驗作業(yè)空間和運動干涉；軌跡跟蹤模塊實時顯示電機運動軌跡和虛軸刀尖軌跡；機床狀態(tài)模塊顯示刀尖坐標(biāo)值、主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、操作狀態(tài)和故障狀態(tài)等信息；誤差補償模塊動態(tài)加載誤差補償規(guī)則、算法和數(shù)據(jù)，修正運動控制量，減小加工誤差。誤差補償數(shù)據(jù)可通過專用儀器檢查刀尖位置獲得，也可來源于加工過程中的誤差測量統(tǒng)計。 機床接口模塊負(fù)責(zé)處理與TurboPMAC有關(guān)的任務(wù)，其中：通訊模塊用于建立PC與Turbo PMAC之間的數(shù)據(jù)通訊渠道；卡設(shè)置模塊完成TurboPMAC的初始參數(shù)配置；實時監(jiān)控模塊用于完成數(shù)控程序和數(shù)控命令的下載，并實時檢查TurboPMAC數(shù)據(jù)區(qū)狀態(tài)和伺服系統(tǒng)運行狀態(tài)，將檢查數(shù)據(jù)傳送到軌跡顯示模塊和機床狀態(tài)顯示模塊，實現(xiàn)刀具軌跡、伺服軸運動軌跡、控制狀態(tài)和故障報警的實時顯示。 6 結(jié)束語 本文設(shè)計了基于“PC+TurboPMAC”架構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，直接采用標(biāo)準(zhǔn)C代碼NC程序控制零件加工，對用戶屏蔽了機床并聯(lián)結(jié)構(gòu)的運動控制復(fù)雜性。對運動學(xué)計算和粗插補功能采用了下載嵌入方式，減輕了主機運行和數(shù)據(jù)通訊負(fù)荷，提高了控制的實時性能和主機的管理功能。軟件系統(tǒng)充分利用了Windows平臺的資源優(yōu)勢，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法建立友好的用戶操作界面和任務(wù)調(diào)度體系，使整個系統(tǒng)模塊化程度高、可操作性好且功能便于擴展。本文所設(shè)計和研制的數(shù)控系統(tǒng)已成功應(yīng)用于北京理工大學(xué)3PRS-XY混聯(lián)機床樣機的控制中。