PC+TurboPMAC實(shí)現開(kāi)放式數控系統

　　圖3為數控系統的工作流程，順序由PC、TurboPMAC和伺服驅動(dòng)系統三部分完成整個(gè)數控過(guò)程。該控制流程在組成結構上與目前基于“PC+PMAC”并聯(lián)機床數控系統的研究成果相比，最大特點(diǎn)就是將粗插補和逆運動(dòng)學(xué)變換嵌入到TurboPMAC中，使3PRS-XY混聯(lián)機床數控系統實(shí)時(shí)控制性能明顯提高。

　　圖3 數控系統工作流程

　　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(diǎn)，比傳統機床的控制更為復雜。傳統機床的每一個(gè)自由。度均有一套專(zhuān)用的伺服驅動(dòng)系統，每個(gè)自由度的運動(dòng)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(dòng)是關(guān)節空間伺服運動(dòng)的非線(xiàn)性映射。刀尖軌跡規劃和編程在虛軸上進(jìn)行，一般基于笛卡兒坐標，而實(shí)際驅動(dòng)軸在并聯(lián)桿系的節點(diǎn)上，是基于關(guān)節坐標的，它們之間的運動(dòng)是非線(xiàn)性關(guān)系。因此，必須通過(guò)機構的逆運動(dòng)學(xué)進(jìn)行變換，將虛軸的規劃量轉換為實(shí)軸的控制量，該過(guò)程又稱(chēng)為虛實(shí)映射。由于虛實(shí)變換具有很強的非線(xiàn)性，為保證精度，在施行運動(dòng)學(xué)變換前，還必須首先對規劃軌跡(包括直線(xiàn)段)進(jìn)行數據點(diǎn)密化，即在笛卡兒坐標空間中進(jìn)行粗插補。通過(guò)粗插補處理，可以有效地減少由于非線(xiàn)性映射造成的原理性誤差。采用極小的采樣周期進(jìn)行粗插補，所產(chǎn)生的此類(lèi)誤差甚至可忽略不計，但插補所產(chǎn)生的大量的數據需要傳送到運動(dòng)控制器中，由于通訊速率的限制而導致在線(xiàn)實(shí)時(shí)控制功能難以實(shí)現。本系統充分利用了TurboPMAC提供的運動(dòng)學(xué)計算功能，將逆運動(dòng)學(xué)計算程序下載到TurboPMAC中，并且由Turbo PMAC來(lái)完成粗插補處理，極大地降低了PC與TurboPMAC之間的數據傳輸量，提高了數控系統的實(shí)時(shí)性能。粗插補采用了時(shí)間分割算法，通過(guò)TurboPMAC提供的段細分功能實(shí)現，并通過(guò)特定的I變量設定粗插補周期。精插補采用TurboPMAC內置的樣條插補功能，以此來(lái)提供伺服控制所需的位置指令數據。

　　控制系統的這種設計方法，使數控加工程序的運行過(guò)程不再依賴(lài)于上位機操作系統的實(shí)時(shí)性能，完全通過(guò)TurboPMAC自身完成混聯(lián)機構的運動(dòng)控制。同時(shí)可直接利用TurboPMAC提供的C代碼調用功能和刀具半徑補償功能，降低了系統的開(kāi)發(fā)周期，提高整個(gè)數控系統的實(shí)時(shí)控制功能。

　　5 數控系統軟件設計

　　數控系統軟件基于Windows操作系統平臺，用Borland的C++Builder6.0開(kāi)發(fā)。軟件系統采用多任務(wù)調度模式開(kāi)發(fā)，根據預定的調度策略調整各功能事件的運行狀態(tài)。圖4所示，整個(gè)任務(wù)系統包括兩大模塊：系統管理和機床接口。由于運動(dòng)學(xué)程序已嵌入到TurboPMAC中，數控系統軟件不再對運動(dòng)學(xué)變換和插補進(jìn)行任務(wù)分配。

　　圖4 控制系統軟件模塊

　　系統管理模塊主要完成數控程序的預處理和人機信息交互，其中：參數設置模塊用于設置刀具參數設置和機床結構參數;文件管理模塊用于載人、存儲或編輯NC加工代碼程序;自動(dòng)操作(Auto)模塊完成數控程序的自動(dòng)下載和運行控制;手動(dòng)操作(MDA)模塊可手動(dòng)輸入單條數控指令，直接控制機床單步運動(dòng);點(diǎn)動(dòng)操作(Jog)模塊控制機床各虛擬軸的點(diǎn)動(dòng)運行，進(jìn)行刀具位置調整和工件坐標系的確定;仿真模塊根據加工程序進(jìn)行機構的運動(dòng)學(xué)仿真，校驗作業(yè)空間和運動(dòng)干涉;軌跡跟蹤模塊實(shí)時(shí)顯示電機運動(dòng)軌跡和虛軸刀尖軌跡;機床狀態(tài)模塊顯示刀尖坐標值、主軸轉速、進(jìn)給速度、操作狀態(tài)和故障狀態(tài)等信息;誤差補償模塊動(dòng)態(tài)加載誤差補償規則、算法和數據，修正運動(dòng)控制量，減小加工誤差。誤差補償數據可通過(guò)專(zhuān)用儀器檢查刀尖位置獲得，也可來(lái)源于加工過(guò)程中的誤差測量統計。

　　機床接口模塊負責處理與TurboPMAC有關(guān)的任務(wù)，其中：通訊模塊用于建立PC與Turbo PMAC之間的數據通訊渠道;卡設置模塊完成TurboPMAC的初始參數配置;實(shí)時(shí)監控模塊用于完成數控程序和數控命令的下載，并實(shí)時(shí)檢查T(mén)urboPMAC數據區狀態(tài)和伺服系統運行狀態(tài)，將檢查數據傳送到軌跡顯示模塊和機床狀態(tài)顯示模塊，實(shí)現刀具軌跡、伺服軸運動(dòng)軌跡、控制狀態(tài)和故障報警的實(shí)時(shí)顯示。

　　6 結束語(yǔ)

　　本設計減輕了主機運行和數據通訊負荷，提高了控制的實(shí)時(shí)性能和主機的管理功能。軟件系統充分利用了Windows平臺的資源優(yōu)勢，采用面向對象的設計方法建立友好的用戶(hù)操作界面和任務(wù)調度體系，使整個(gè)系統模塊化程度高、可操作性好且功能便于擴展。