基于 PCI總線的并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)計(jì)

引言
并聯(lián)機(jī)床（ P a r a l l e l Ma c h i n e T o o 1 ）又稱虛擬軸機(jī)床 （ Vi r t u a l Ax i s Ma c h i n e To o 1 ） 或并 聯(lián)運(yùn) 動(dòng)學(xué) 機(jī)器，是基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的新型數(shù)控加工設(shè)備，實(shí)質(zhì)上是機(jī)器人技術(shù)、機(jī)床結(jié)構(gòu)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等相結(jié)合的物，它同時(shí)兼顧 了機(jī)床和機(jī)器人的諸多特性 ， 既可以看作是機(jī)器人化 的機(jī)床， 又可以看作是機(jī)床化的機(jī)器人 。它能夠提供機(jī)器人 的靈活與柔性，又具有機(jī)床 的剛度和精度，是集多種功能于一體的新型機(jī)電設(shè)備。
并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)
并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖見圖 1 ，它由伺服（ 步進(jìn)） 電機(jī) 1 、固定平 臺(tái) 2 、支架 3 、伸縮桿 4 、動(dòng)平臺(tái) 5 、銑削頭 6 、工作臺(tái) 7等組成。安裝在固定平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)之間的伸縮桿由伺服電機(jī)（ 或步進(jìn)電機(jī)） 驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)伸縮桿內(nèi)的滾珠絲杠和螺母運(yùn)動(dòng) ， 使伸縮桿的長(zhǎng)度發(fā)生變化。由于各伸縮桿（ 一般為 6 桿或3桿） 的長(zhǎng)度發(fā)生變化， 使得動(dòng)平臺(tái)的位姿發(fā)生變化 ，多個(gè)伸縮桿共 同運(yùn)動(dòng) ，驅(qū)動(dòng)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上升、下降、翻轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)銑削頭實(shí)現(xiàn)工作所需的各種運(yùn)動(dòng) 。各伸縮桿采用相互獨(dú)立的伺服驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng) 。
開放式的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
對(duì)于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床來(lái)說(shuō) ，其最大特點(diǎn)就是機(jī)械結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單 ，而控制卻異常復(fù)雜。并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的控制系統(tǒng)必須采用開放式結(jié)構(gòu)。目前 ，國(guó)內(nèi)外的開放式數(shù)控系統(tǒng)主要有如下 3種結(jié)構(gòu)形式 。

　1 專 用 CNC十P C 型即在傳統(tǒng)的非開放式的專用數(shù)控 系統(tǒng)中嵌入機(jī)，使得整個(gè)系統(tǒng)可以共享一些計(jì)算機(jī)軟硬件資源 。
　　部分完成系統(tǒng)管理等非實(shí)時(shí)控制任務(wù) ，實(shí)現(xiàn)輔助編程、分析、監(jiān)控和編排工藝等功能； C NC部分負(fù)責(zé)完成插補(bǔ)計(jì)算 、伺服控制以及 I ／ O控制等一些實(shí)時(shí)控制任務(wù)。這種結(jié)構(gòu)形式的數(shù)控系統(tǒng)其開放性只在機(jī)部分，其專業(yè)的數(shù)控部分仍處于封閉狀態(tài)，不能實(shí)現(xiàn) NC內(nèi)核的開放 ，此類結(jié)構(gòu)形式一般為主流數(shù)控系統(tǒng)廠商所采用。
　　2 P C+運(yùn)動(dòng)控制卡這種基于開放式運(yùn)動(dòng)控制卡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是以通用微機(jī)為平臺(tái)，以標(biāo)準(zhǔn)插件形式的開放式運(yùn)動(dòng)控制卡為控制核心。 通用 PC機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序編輯 、 人機(jī)界面管理、外部通信等功能，運(yùn)動(dòng)控制卡負(fù)責(zé)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制。 它支持用戶的二次開發(fā)和自主擴(kuò)展， 既具有 P C機(jī)的開放性 ， 又具有專用數(shù)控模塊的開放性 ，可以說(shuō)它具有上、下兩級(jí)的開放性。
　　3 純 P C型即全軟 件形式 的 P C機(jī)數(shù)控 系統(tǒng) ，該 系統(tǒng) 是指的全部功能均 由 P C機(jī)進(jìn)行處理 ， 并通過(guò)裝在擴(kuò)展槽中的伺服接口卡對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)等進(jìn)行控制。其軟件的通用性好 ，編程處理靈活 ，但存在著操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等問(wèn)題。目前這類系統(tǒng)正處于探索階段，還尚未形成產(chǎn)品，但它代表了數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。
　　如果著眼于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控并聯(lián)機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 選擇P C+運(yùn)動(dòng)控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)是當(dāng)前最為理想的。以P C機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡為控制系統(tǒng)核心， 直接將系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)筑于 P C機(jī)的軟硬件基礎(chǔ)之上 ，驅(qū)動(dòng)元件為步進(jìn)電機(jī) ，系統(tǒng)在 Wi n d o ws環(huán)境下用 VC + + 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn) ，軟件的設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蟮姆椒ā?br />　　基于 P CI總線的并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)控制機(jī)床各個(gè)驅(qū)動(dòng)桿實(shí)現(xiàn)主軸的運(yùn)動(dòng)，控制軸數(shù)較多，同時(shí)還要得到所要求的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡。要實(shí)現(xiàn)刀具的高速、高精度軌跡控制 ， 運(yùn)動(dòng)控制卡和 P C機(jī)存在著大量的數(shù)據(jù)交互， 傳統(tǒng)的方式是采用 I S A總線進(jìn)行，由于 I S A總線帶寬限制 ， 數(shù)據(jù)傳輸速度慢 ， 使 P C機(jī)在數(shù)據(jù)傳輸方面花費(fèi)的時(shí)間較多，從而在其它方面的處理時(shí)間相對(duì)縮小 。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制卡與P C機(jī)通信，能夠達(dá)到很高的數(shù)據(jù)傳輸速率 ， 使 P C機(jī)的處理能力大大增強(qiáng) ， 從而保證 了數(shù) 控 系統(tǒng) 的實(shí) 時(shí)性，并 且使 開發(fā) 相應(yīng) 的基 于平 臺(tái)的數(shù)控軟件更容易， 和配套的其它軟件的接 口更方便。
　　控制系統(tǒng)硬件組成圖見圖 2 。該系統(tǒng)采用的是公 司的 3 2位定點(diǎn) DS P芯片 T MS 3 2 0 VC3 3 。 D S P芯片負(fù)責(zé)接受 P C I 局部總線的命令和參數(shù)，然后通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制算法完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)芯片還負(fù)責(zé)將反饋信息傳輸給 P C I 局部總線，并且控制系統(tǒng)外圍 i ／ o模塊。D S P與 P C機(jī)的通信通過(guò)橋接芯片 C Y7 C 0 9 4 4 9 P V實(shí)現(xiàn)_ 1 J 。