PRS-XY混聯(lián)加工平臺開(kāi)放式數控系統

　　并聯(lián)機床的結構和配置呈多樣化形式，與傳統機床在運動(dòng)傳遞原理上有著(zhù)本質(zhì)的區別。在傳統的機床中，各伺服軸的運動(dòng)相互獨立，刀具的運動(dòng)量是各伺服軸運動(dòng)量的線(xiàn)性組合。而在并聯(lián)機床中，各伺服軸的運動(dòng)相互禍合，刀具運動(dòng)量是各伺服軸運動(dòng)量的非線(xiàn)性映射。因此很難有一種控制系統能適合所有并聯(lián)機床的要求，這就要求機床開(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)放結構以提高系統的適用性。

　　目前，比較現實(shí)的實(shí)現開(kāi)放式數控系統的途徑是PC+多軸運動(dòng)控制器。在這種結構中，PC機處理非實(shí)時(shí)部分，實(shí)時(shí)控制部分由多軸運動(dòng)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)格比較高的當屬可編程多軸運動(dòng)控制器(Program Multiple Axis Controller,PMAC)開(kāi)放式控制系統。由于PMAC優(yōu)異的軌跡跟蹤能力和精度，在很多高性能的數控系統和研究項目中都選用它構建開(kāi)放式控制系統。Turbo PMAC是PMAC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。

1 PRS-XY混聯(lián)機構描述

　　圖1所示為新型的PRS一XY混聯(lián)機構結構布局簡(jiǎn)圖。

　　該機構由并聯(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)3個(gè)定長(cháng)桿件連接，每一桿件鏈包含移動(dòng)副、轉動(dòng)副和球面副。3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2個(gè)旋轉自由度(A,B軸)。下半部分為X-Y工作臺，具有2個(gè)平動(dòng)自由度(X,Y軸)。該混聯(lián)機構為五軸運動(dòng)加工平臺，采用了串聯(lián)驅動(dòng)和并聯(lián)驅動(dòng)并用的混聯(lián)驅動(dòng)原理，兼有并聯(lián)機床和傳統機床的優(yōu)點(diǎn)，克服了并聯(lián)機床工作空間小的缺點(diǎn)，可應用于復雜型面零件的加工。

2 數控系統硬件的構成和特點(diǎn)

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

　　PC機選用研華AWS-2848VTP-體化工作站，運動(dòng)控制器為美國Delta Tau公司的Turbo PMAC多軸運動(dòng)控制卡?？刂葡到y包含5套伺服驅動(dòng)系統，分別用于并聯(lián)機構的3組直線(xiàn)電機驅動(dòng)和串聯(lián)機構的2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)Turbo hMAC的5個(gè)伺服控制通道，實(shí)現5組伺服系統的閉環(huán)控制。利用Turbo PMAC的第6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，檢測控制面板輸人指令信號等。DPRAM為雙端口存儲器，用于實(shí)現PC機與Turbo PMAC之間的無(wú)需握手的高速數據通信，使數據傳輸更加流暢，保證機床的實(shí)時(shí)控制性能。

　　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、Turbo PMAC多軸控制卡為下位機的分布式控制。

3 數控系統工作原理

　　圖3為數控系統的工作流程，順序由APT,PC,Turbo PMAC和伺服驅動(dòng)系統4部分完成整個(gè)數控過(guò)程。

　　APT為自動(dòng)編程工具，完成零件的曲面造型、軌跡規劃和NC代碼生成?？衫媚壳巴ㄓ玫腃AD/CAM軟件作為APT自動(dòng)編程工具，典型的有UG和Pro/Engineer軟件。對于A(yíng)PT生成的NC代碼，需進(jìn)行代碼的后置處理，完成NC.代碼的格式轉換和語(yǔ)法規則檢查，以適應五軸混聯(lián)機床的NC代碼控制。后置處理是專(zhuān)用模塊，是面向該棍聯(lián)機床專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的處理軟件程序。

　　如前所述，并聯(lián)機床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)映射川。由于虛實(shí)變換很強的非線(xiàn)性性，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，由于通信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Turbo PMAC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Turbo PMAC中，并且由Turbo PMAC來(lái)完成粗插補處理，極大地降低了PC與Turbo PMAC之間的數據傳輸量，提高了數控系統的實(shí)時(shí)性能。粗插補采用時(shí)間分割算法，通過(guò)Turbo PMAC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。精插補利用Turbo PMAC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不僅能有效地解決PC與Turbo PMAC之間的數據傳輸瓶頸，而且可充分利用Turbo PMAC提供的G代碼控制功能和刀具半徑補償功能，降低系統的開(kāi)發(fā)周期，提高整個(gè)數控系統的實(shí)時(shí)在線(xiàn)控制功能。

4 數控系統軟件規劃

　　控制系統軟件是基于Windows 2000系統平臺的，用Borland的C + + Builder 6 . 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)。

　　整個(gè)任務(wù)系統包括兩大模塊:系統管理和機床控制，如圖4所示。

　　系統管理模塊主要完成加工程序的預處理和人機信息交互界面。參數設置模塊用于運行軟件的參數設置、加工程序的刀具參數設置和機床結構參數設置。文件管理模塊用于載人和存儲NC加工代碼程序文件。手動(dòng)編程模塊可支持人工NC編程，適合于較簡(jiǎn)單零件的加工。人機交互模塊主要用于各種工作模式的選擇、調試和運行管理，進(jìn)行數據和命令的輸人，反饋用戶(hù)操作信息和系統運行狀態(tài)。指令解釋模塊負責對用戶(hù)的數控操作指令進(jìn)行解釋和處理。仿真模塊按照NC加工程序要求完成機構的運動(dòng)學(xué)仿真，進(jìn)行作業(yè)空間校驗和運動(dòng)干涉檢驗。誤差補償模塊用于動(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，也可對來(lái)源于加工過(guò)程中的誤差進(jìn)行測量統計。

　　機床控制模塊負責處理與Turbo PMAC有關(guān)的任務(wù)。通信模塊用于建立PC與Turbo PMAC之間的數據通信渠道。運動(dòng)學(xué)模塊包含機構的運動(dòng)學(xué)變換程序，在系統初始化時(shí)該程序被下載到Turbo PMAC的專(zhuān)用存儲器中。PLC模塊負責將PLC程序下載到Turbo PMAC，完成機床的開(kāi)關(guān)量檢測和順序控制功能?？ㄔO置模塊完成Turbo PMAC的初始參數配置。實(shí)時(shí)監控模塊用于實(shí)時(shí)檢查T(mén)urbo PMAC數據區狀態(tài)和伺服系統運行狀態(tài)，并將檢查數據傳送到人機交互模塊，實(shí)現刀具軌跡和伺服軸運動(dòng)的模擬顯示、控制狀態(tài)顯示和故障報警指示。

5 結束語(yǔ)

　　本課題結合新型PRS一XY混聯(lián)加工平臺，設計開(kāi)發(fā)了基一于"PC十多軸運動(dòng)控制器”架構的開(kāi)放式數控系統，直接采用標準G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信負荷，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。本文提出的設計思想適用于其他結構類(lèi)型的并聯(lián)機構和混聯(lián)機構的數控系統開(kāi)發(fā)。