Turbo PMAC面向復雜運動(dòng)數控系統的開(kāi)放特性研究

　　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”,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。在國內市場(chǎng)上, 性能價(jià)格比較高的當屬基于PMAC ( Programable Multi2axes Controller)多軸運動(dòng)控制器的開(kāi)放式控制系統。由于PMAC多軸運動(dòng)控制器優(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選用它構建開(kāi)放式控制系統。

　　Turbo PMAC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,其特有的開(kāi)放的運動(dòng)學(xué)計算特性,更適合于構建面向復雜運動(dòng)的開(kāi)放式數控系統,如并聯(lián)機床和機器人數控系統。

2 Turbo PMAC的性能和開(kāi)放特性

　　Turbo PMAC是美國Delta Tau公司在PMAC的基礎上推出的基于工業(yè)PC和W indows操作系統的開(kāi)放式多軸運動(dòng)控制器,采用了更高速度的DSP56300 系列數字信號處理器,提供全新的高性能技術(shù)和Win2dows平臺, 滿(mǎn)足用戶(hù)在運動(dòng)控制各個(gè)領(lǐng)域的需要。Turbo PMAC可同時(shí)控制1～32個(gè)軸,實(shí)現多軸聯(lián)動(dòng)控制。Turbo PMAC既可單獨執行存儲于控制器內部的程序,也可執行運動(dòng)程序和PLC程序。它可以自動(dòng)對任務(wù)優(yōu)先級進(jìn)行判別,從而進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)處理。在硬件結構上,只需通過(guò)適當的參數設置和使用不同的接口卡, Turbo PMAC便能與各種伺服系統匹配,可以方便地連接各種模擬或數字伺服驅動(dòng)器。Turbo PMAC與PC機的通訊有三種方式:串行、總線(xiàn)和雙端口RAM方式,可以按照實(shí)際硬件條件和需要選擇最適合的方式。Turbo PMAC可以在PC XT/AT、VME、STD 總線(xiàn)上運行,由此提供了多平臺的支持特性,同時(shí)也使同一控制軟件可以在不同的硬件平臺上運行,這種特性體現了Turbo PMAC 在硬件結構上的開(kāi)放性。

　　在軟件結構上, Turbo PMAC提供了Windows平臺下的驅動(dòng)程序,支持VC + +、VB、Delphi、C + +Builder等編程語(yǔ)言環(huán)境,實(shí)現W indows環(huán)境下的人機界面設計。此外, Turbo PMAC也支持DOS環(huán)境下控制程序的開(kāi)發(fā),由此可對Turbo PMAC進(jìn)行高實(shí)時(shí)性控制,為開(kāi)發(fā)高性能的嵌入式數控系統提供了條件。TurboPMAC對多種程序設計語(yǔ)言和多種操作系統平臺的支持,體現了Turbo PMAC對開(kāi)發(fā)環(huán)境的開(kāi)放性。Turbo PMAC提供了強大的運動(dòng)控制功能,如直線(xiàn)插補、圓弧插補、樣條曲線(xiàn)插補等模式,用戶(hù)也可以通過(guò)這些基本模式定制出自己合適的運動(dòng)模式。TurboPMAC支持數控G代碼和M代碼指令控制,支持刀具補償功能,可方便地開(kāi)發(fā)機床數控系統。Turbo PMAC采用了帶陷波濾波器的P ID算法進(jìn)行電動(dòng)機的伺服控制,能有效地克服電動(dòng)機運行中的機械振動(dòng),該伺服環(huán)引入了速度和加速度前饋,進(jìn)一步提高了伺服控制中的軌跡跟蹤精度和加速性能。Turbo PMAC內含了邏輯功能強大的可編程控制器(PLC) ,可以和運動(dòng)控制程序密切配合實(shí)現外部設備的開(kāi)關(guān)量( I/O)控制。

　　同PMAC系列多軸運動(dòng)控制器相比, Turbo PMAC除運算速度和內存增加外,還增加了新控制特性,主要有:先進(jìn)的加速超前預測,內建的正向運動(dòng)學(xué)和逆向運動(dòng)學(xué)計算能力,三維刀具半徑補償功能,在線(xiàn)改變運動(dòng)目標,多端口連續通訊,為每個(gè)電動(dòng)機制定正弦轉換表,可單獨選擇電動(dòng)機的P ID伺服控制算法或使用外部定義的算法,大大增加了同步M變量緩沖區,為每個(gè)坐標系設置兩個(gè)伺服速率定時(shí)器,運動(dòng)軌跡反求能力。其中,正向/逆向運動(dòng)學(xué)計算功能和伺服控制算法定義功能,體現了Turbo PMAC運動(dòng)平臺在面向用戶(hù)的開(kāi)放性方面向前跨了一大步,使用戶(hù)能靈活地在該平臺上配置自己的運動(dòng)算法,快速開(kāi)發(fā)復雜數控系統的應用產(chǎn)品。

3 Turbo PMAC開(kāi)放的運動(dòng)學(xué)計算特性

　　對于面向復雜運動(dòng)的控制系統,如并聯(lián)機床控制和多軸機器人控制,盡管PMAC仍然可以作為一個(gè)優(yōu)秀的控制平臺,但主要是利用了PMAC的伺服控制功能和多軸聯(lián)動(dòng)控制功能,而那些高性能的輔助功能很難直接使用,較典型的就是G代碼和刀具補償等功能,這就增加了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)難度。在基于Windows平臺上的應用,甚至會(huì )造成在線(xiàn)實(shí)時(shí)控制失敗,究其原因,主要是因為PMAC的輔助功能是以笛卡爾坐標為基礎,而并聯(lián)機床和機器人的實(shí)際控制軸一般不是笛卡爾幾何形狀,目標運動(dòng)軌跡與驅動(dòng)軸關(guān)節坐標系為非線(xiàn)性關(guān)系,因此運動(dòng)軌跡規劃之后,還需要上位機完成粗插補、坐標運動(dòng)轉換和虛、實(shí)軸變換等運動(dòng)學(xué)運算,形成實(shí)際軸的密化控制數據,在非實(shí)時(shí)操作系統平臺下(如W indows)大量密化的數據傳輸成為實(shí)時(shí)控制的難點(diǎn)和瓶頸。在并聯(lián)機床數控系統開(kāi)發(fā)中,由于不能直接使用PMAC提供的輔助功能,需要開(kāi)發(fā)者編制對標準G代碼數控程序的解釋程序和刀具補償程序,會(huì )大大降低系統開(kāi)發(fā)效率和產(chǎn)品的可靠性。上述存在的問(wèn)題在Delta Tau 公司開(kāi)發(fā)的新一代多軸控制器Turbo PMAC中得到了較好的解決。

　　Turbo PMAC提供了一種機制,使用戶(hù)很容易實(shí)現復雜的運動(dòng)學(xué)運算。當刀尖坐標和驅動(dòng)軸關(guān)節坐標系之間為非線(xiàn)性關(guān)系時(shí),運動(dòng)學(xué)計算功能變得尤為重要。典型例子就是并聯(lián)機床和機器人系統。在并聯(lián)機床控制中,只要將對應機構的運動(dòng)學(xué)程序嵌入到TurboPMAC控制器中, Turbo PMAC可以根據刀尖軌跡自動(dòng)按照給定的運動(dòng)學(xué)算法計算出實(shí)際驅動(dòng)軸的位置坐標。Turbo PMAC的這種能力,允許在笛卡爾坐標系(虛軸坐標系)對刀尖軌跡編程,而不用考慮實(shí)際控制軸的坐標形態(tài)。Turbo PMAC的運動(dòng)算法程序編制方法簡(jiǎn)單,與PLC程序語(yǔ)法規則一致,該程序放在TurboPMAC的專(zhuān)用緩沖區中,作為子程序供運動(dòng)程序調用。Turbo PMAC中運動(dòng)學(xué)計算的定義與機構學(xué)中定義的基本思想一致。正向運動(dòng)學(xué)運算是指,以驅動(dòng)軸關(guān)節坐標作為輸入量,計算出刀尖的軌跡位置坐標。在并聯(lián)機床控制中,通過(guò)正向運動(dòng)學(xué)計算可以獲得控制初始的刀尖位置,也可以在加工過(guò)程中報告刀尖軌跡位置。正向運動(dòng)學(xué)運算往往無(wú)封閉解,因此TurboPMAC支持迭代處理,以解決復雜的正向運動(dòng)學(xué)計算。逆向運動(dòng)學(xué)運算是指,以刀尖位置坐標作為輸入,計算出驅動(dòng)關(guān)節的位置坐標。在并聯(lián)機床控制中,刀尖的每個(gè)編程端點(diǎn)都需要進(jìn)行逆向運動(dòng)學(xué)計算。特別指出的是,在非線(xiàn)性程度很高的并聯(lián)機床控制中,如只對編程端點(diǎn)進(jìn)行逆解運算,則意味著(zhù)所有插補均在關(guān)節空間中進(jìn)行,一般情況下刀尖軌跡不會(huì )是一條直線(xiàn)。因此,必須首先對編程段進(jìn)行粗插補(即編程段細分) ,對每一個(gè)細分段再進(jìn)行逆解運算,而在關(guān)節空間只進(jìn)行精插補,則刀尖軌跡誤差會(huì )很小,甚至可忽略不計。這種處理方式在Turbo PMAC中得到支持,通過(guò)控制分段時(shí)間變量來(lái)定義粗插補周期,實(shí)現在直線(xiàn)和圓弧運動(dòng)模式下基于時(shí)間分割的粗插補功能。

4 結論

　　Turbo PMAC的開(kāi)放特性為開(kāi)發(fā)復雜的數控系統提供了一個(gè)良好的運動(dòng)控制平臺,通過(guò)其開(kāi)放的運動(dòng)學(xué)運算功能封裝了設備結構的復雜性,并可以直接使用Turbo PMAC提供的數控G代碼和刀具半徑補償等輔助功能,從而減少上位機計算量和與Turbo PMAC的通訊數據量,提高控制的實(shí)時(shí)性能,可以降低開(kāi)發(fā)成本,使開(kāi)發(fā)者把更多精力投入到設備控制功能和性能研究中?？梢灶A見(jiàn), Turbo PMAC將在并聯(lián)加工機床和機器人控制領(lǐng)域得到廣泛的應用,并可為我國自行研制的高性能、開(kāi)放性多軸運動(dòng)控制器提供技術(shù)參考。