3PRS-XY混聯(lián)型并聯(lián)運動(dòng)機床數控系統研究

　　并聯(lián)運動(dòng)機床(Parallel Kinematics Machine Tool，PKM)，簡(jiǎn)稱(chēng)并聯(lián)機床(Parallel MachineT001)，也稱(chēng)虛擬軸機床，它以空間并聯(lián)機構為基礎，充分利用計算機數字控制的潛力，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(dòng)，使將近兩個(gè)世紀以來(lái)以笛卡兒坐標直線(xiàn)移動(dòng)為基礎的機床結構和運動(dòng)學(xué)原理發(fā)生了根本變化?；炻?lián)型并聯(lián)運動(dòng)機床(HybridPKM)，簡(jiǎn)稱(chēng)混聯(lián)機床，屬于并聯(lián)運動(dòng)機床概念范疇?；炻?lián)結構包括串并聯(lián)型、并串聯(lián)型和復雜混聯(lián)型，由少自由度純并聯(lián)機構再串聯(lián)其它運動(dòng)方向的驅動(dòng)機構構成?；炻?lián)運動(dòng)機床混合了并聯(lián)機構和串聯(lián)機構，并兼具兩者的特點(diǎn)?；炻?lián)運動(dòng)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)機構的應用更具靈活性和實(shí)用性。各種不同的串聯(lián)并聯(lián)結合，為并聯(lián)運動(dòng)機床帶來(lái)了很大的發(fā)展空間。

　　并聯(lián)機床與傳統機床在運動(dòng)傳遞原理上有著(zhù)本質(zhì)的區別，而且結構和配置呈多樣化形式，很難有一種控制系統適合所有并聯(lián)機床的要求，因此需要機床開(kāi)發(fā)者自行配置控制硬件和軟件，并要求并聯(lián)機床的控制系統必須是開(kāi)放結構，以提高系統適用性。目前，比較現實(shí)的實(shí)現開(kāi)放式數控系統的途徑是PC+多軸控制器。這種結構中，PC機處理非實(shí)時(shí)部分，實(shí)時(shí)控制部分由多軸控制器來(lái)承擔，形成多級分布式控制模式。這樣架構出來(lái)的數控系統既具有前端PC機的柔性，又具有專(zhuān)用CNC系統的穩定性和可靠性。目前在國內市場(chǎng)上，性能價(jià)格比較高的當屬PMAC開(kāi)放式控制系統。由于PMAC運動(dòng)控制器優(yōu)異的軌跡跟蹤能力和開(kāi)放特性，在很多高性能的數控系統和研究項目中選用它構建開(kāi)放式控制系統。TurboPMAC多軸運動(dòng)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(kāi)放特性，更適合于構建復雜的開(kāi)放式數控系統。

　　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，作者結合該機床的研制，設計了基于“PC+TurboPMAC”模式的開(kāi)放式數控系統。

2 混聯(lián)機床結構

　　新型3PRS-XY型混聯(lián)機床為五軸聯(lián)動(dòng)加工機床，實(shí)物如圖1所示，由并聯(lián)機構和串聯(lián)機構兩部分構成。上半部分為一個(gè)3自由度的3-PRS型并聯(lián)機構，包括固定平臺和動(dòng)平臺，固定平臺和動(dòng)平臺之間通過(guò)三個(gè)定長(cháng)桿件聯(lián)接，每一桿件鏈包含移動(dòng)副(P)、轉動(dòng)副(R)和球面副(S)。三個(gè)移動(dòng)副水平120°均勻分布在固定平臺的立柱上，并由直線(xiàn)電機驅動(dòng)。該機構的動(dòng)平臺具有一個(gè)平動(dòng)自由度(Z軸)和兩個(gè)旋轉自由度(A、B軸)。下半部分為X-Y工作臺，具有兩個(gè)平動(dòng)自由度(X、Y軸)。

圖1 3PRS-XY混聯(lián)機床

3 數控系統硬件構成

　　控制系統采用“PC+運動(dòng)控制器”的開(kāi)放模式，如圖2所示。

圖2 數控系統硬件構成

　　PC機選用研華AWS-2848VTP一體化工作站，運動(dòng)控制器為美國DeltaTau公司的TurboPMAC多軸運動(dòng)控制卡?？刂葡到y包含五套伺服驅動(dòng)系統，分別用于并聯(lián)機構的三組直線(xiàn)電機驅動(dòng)和串聯(lián)機構的兩組交流伺服電機驅動(dòng)。采用光柵尺進(jìn)行位置檢測。通過(guò)TurboPMAC的五個(gè)伺服控制通道，實(shí)現五組伺服系統的閉環(huán)控制。利用TurboPMAC的第六個(gè)伺服通道控制主軸電機變頻器實(shí)現主軸調速，以支持數控代碼中的主軸速度指令。I/O板連接到Turbo PMAC上，通過(guò)內置的PLC功能控制機器的輔助功能設備、主軸啟停、檢測機床限位、驅動(dòng)指示裝置和報警裝置、檢測控制面板輸入指令信號等。

　　控制系統的特點(diǎn)是，以PC總線(xiàn)工業(yè)控制計算機為控制核心，以PMAC多軸控制卡為運動(dòng)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 數控系統工作原理

　　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)

　　本文設計了基于“PC+TurboPMAC”架構的開(kāi)放式數控系統，直接采用標準C代碼NC程序控制零件加工，對用戶(hù)屏蔽了機床并聯(lián)結構的運動(dòng)控制復雜性。對運動(dòng)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。本文所設計和研制的數控系統已成功應用于北京理工大學(xué)3PRS-XY混聯(lián)機床樣機的控制中。