基于 PCI總線(xiàn)的并聯(lián)機床運動(dòng)控制卡設計

引言
并聯(lián)機床（ P a r a l l e l Ma c h i n e T o o 1 ）又稱(chēng)虛擬軸機床 （ Vi r t u a l Ax i s Ma c h i n e To o 1 ） 或并 聯(lián)運 動(dòng)學(xué) 機器，是基于并聯(lián)機構的新型數控加工設備，實(shí)質(zhì)上是機器人技術(shù)、機床結構技術(shù)、數控技術(shù)等相結合的物，它同時(shí)兼顧 了機床和機器人的諸多特性 ， 既可以看作是機器人化 的機床， 又可以看作是機床化的機器人 。它能夠提供機器人 的靈活與柔性，又具有機床 的剛度和精度，是集多種功能于一體的新型機電設備。
并聯(lián)機床的結構
并聯(lián)機床結構示意圖見(jiàn)圖 1 ，它由伺服（ 步進(jìn)） 電機 1 、固定平 臺 2 、支架 3 、伸縮桿 4 、動(dòng)平臺 5 、銑削頭 6 、工作臺 7等組成。安裝在固定平臺和動(dòng)平臺之間的伸縮桿由伺服電機（ 或步進(jìn)電機） 驅動(dòng)，帶動(dòng)伸縮桿內的滾珠絲杠和螺母運動(dòng) ， 使伸縮桿的長(cháng)度發(fā)生變化。由于各伸縮桿（ 一般為 6 桿或3桿） 的長(cháng)度發(fā)生變化， 使得動(dòng)平臺的位姿發(fā)生變化 ，多個(gè)伸縮桿共 同運動(dòng) ，驅動(dòng)動(dòng)平臺實(shí)現上升、下降、翻轉等運動(dòng)，帶動(dòng)銑削頭實(shí)現工作所需的各種運動(dòng) 。各伸縮桿采用相互獨立的伺服驅動(dòng)裝置驅動(dòng) 。
開(kāi)放式的控制系統結構
對于并聯(lián)運動(dòng)機床來(lái)說(shuō) ，其最大特點(diǎn)就是機械結構非常簡(jiǎn)單 ，而控制卻異常復雜。并聯(lián)運動(dòng)機床的控制系統必須采用開(kāi)放式結構。目前 ，國內外的開(kāi)放式數控系統主要有如下 3種結構形式 。

　1 專(zhuān) 用 CNC十P C 型即在傳統的非開(kāi)放式的專(zhuān)用數控 系統中嵌入機，使得整個(gè)系統可以共享一些計算機軟硬件資源 。
　　部分完成系統管理等非實(shí)時(shí)控制任務(wù) ，實(shí)現輔助編程、分析、監控和編排工藝等功能； C NC部分負責完成插補計算 、伺服控制以及 I ／ O控制等一些實(shí)時(shí)控制任務(wù)。這種結構形式的數控系統其開(kāi)放性只在機部分，其專(zhuān)業(yè)的數控部分仍處于封閉狀態(tài)，不能實(shí)現 NC內核的開(kāi)放 ，此類(lèi)結構形式一般為主流數控系統廠(chǎng)商所采用。
　　2 P C+運動(dòng)控制卡這種基于開(kāi)放式運動(dòng)控制卡的系統結構是以通用微機為平臺，以標準插件形式的開(kāi)放式運動(dòng)控制卡為控制核心。 通用 PC機實(shí)現數控程序編輯 、 人機界面管理、外部通信等功能，運動(dòng)控制卡負責機床的運動(dòng)控制和邏輯控制。 它支持用戶(hù)的二次開(kāi)發(fā)和自主擴展， 既具有 P C機的開(kāi)放性 ， 又具有專(zhuān)用數控模塊的開(kāi)放性 ，可以說(shuō)它具有上、下兩級的開(kāi)放性。
　　3 純 P C型即全軟 件形式 的 P C機數控 系統 ，該 系統 是指的全部功能均 由 P C機進(jìn)行處理 ， 并通過(guò)裝在擴展槽中的伺服接口卡對伺服驅動(dòng)等進(jìn)行控制。其軟件的通用性好 ，編程處理靈活 ，但存在著(zhù)操作系統的實(shí)時(shí)性、標準統一性以及系統穩定性等問(wèn)題。目前這類(lèi)系統正處于探索階段，還尚未形成產(chǎn)品，但它代表了數控系統的發(fā)展方向。
　　如果著(zhù)眼于經(jīng)濟型數控并聯(lián)機床控制系統的設計， 選擇P C+運動(dòng)控制卡的開(kāi)放式數控系統是當前最為理想的。以P C機和運動(dòng)控制卡為控制系統核心， 直接將系統平臺構筑于 P C機的軟硬件基礎之上 ，驅動(dòng)元件為步進(jìn)電機 ，系統在 Wi n d o ws環(huán)境下用 VC + + 語(yǔ)言實(shí)現 ，軟件的設計采用面向對象的方法。
　　基于 P CI總線(xiàn)的并聯(lián)機床運動(dòng)控制卡設計并聯(lián)機床運動(dòng)控制卡通過(guò)控制機床各個(gè)驅動(dòng)桿實(shí)現主軸的運動(dòng)，控制軸數較多，同時(shí)還要得到所要求的刀具運動(dòng)軌跡。要實(shí)現刀具的高速、高精度軌跡控制 ， 運動(dòng)控制卡和 P C機存在著(zhù)大量的數據交互， 傳統的方式是采用 I S A總線(xiàn)進(jìn)行，由于 I S A總線(xiàn)帶寬限制 ， 數據傳輸速度慢 ， 使 P C機在數據傳輸方面花費的時(shí)間較多，從而在其它方面的處理時(shí)間相對縮小 。本系統實(shí)現運動(dòng)控制卡與P C機通信，能夠達到很高的數據傳輸速率 ， 使 P C機的處理能力大大增強 ， 從而保證 了數 控 系統 的實(shí) 時(shí)性，并 且使 開(kāi)發(fā) 相應 的基 于平 臺的數控軟件更容易， 和配套的其它軟件的接 口更方便。
　　控制系統硬件組成圖見(jiàn)圖 2 。該系統采用的是公 司的 3 2位定點(diǎn) DS P芯片 T MS 3 2 0 VC3 3 。 D S P芯片負責接受 P C I 局部總線(xiàn)的命令和參數，然后通過(guò)運動(dòng)控制算法完成對步進(jìn)電機的精確運動(dòng)控制，同時(shí)芯片還負責將反饋信息傳輸給 P C I 局部總線(xiàn)，并且控制系統外圍 i ／ o模塊。D S P與 P C機的通信通過(guò)橋接芯片 C Y7 C 0 9 4 4 9 P V實(shí)現_ 1 J 。