并聯(lián)運動(dòng)機床數控系統研究

1 引言

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。