3PRS-XY混聯(lián)型并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)研究

　　并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床(Parallel Kinematics Machine Tool，PKM)，簡稱并聯(lián)機(jī)床(Parallel MachineT001)，也稱虛擬軸機(jī)床，它以空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，充分利用計(jì)算機(jī)數(shù)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(jī)械傳動(dòng)，使將近兩個(gè)世紀(jì)以來以笛卡兒坐標(biāo)直線移動(dòng)為基礎(chǔ)的機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)原理發(fā)生了根本變化?；炻?lián)型并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床(HybridPKM)，簡稱混聯(lián)機(jī)床，屬于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床概念范疇?；炻?lián)結(jié)構(gòu)包括串并聯(lián)型、并串聯(lián)型和復(fù)雜混聯(lián)型，由少自由度純并聯(lián)機(jī)構(gòu)再串聯(lián)其它運(yùn)動(dòng)方向的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。混聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床混合了并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián)機(jī)構(gòu)，并兼具兩者的特點(diǎn)。混聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床在很大程度上解決了純并聯(lián)機(jī)床在加工范圍上的限制，使并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用更具靈活性和實(shí)用性。各種不同的串聯(lián)并聯(lián)結(jié)合，為并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床帶來了很大的發(fā)展空間。

　　并聯(lián)機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床在運(yùn)動(dòng)傳遞原理上有著本質(zhì)的區(qū)別，而且結(jié)構(gòu)和配置呈多樣化形式，很難有一種控制系統(tǒng)適合所有并聯(lián)機(jī)床的要求，因此需要機(jī)床開發(fā)者自行配置控制硬件和軟件，并要求并聯(lián)機(jī)床的控制系統(tǒng)必須是開放結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)適用性。目前，比較現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)開放式數(shù)控系統(tǒng)的途徑是PC+多軸控制器。這種結(jié)構(gòu)中，PC機(jī)處理非實(shí)時(shí)部分，實(shí)時(shí)控制部分由多軸控制器來承擔(dān)，形成多級(jí)分布式控制模式。這樣架構(gòu)出來的數(shù)控系統(tǒng)既具有前端PC機(jī)的柔性，又具有專用CNC系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。目前在國內(nèi)市場上，性能價(jià)格比較高的當(dāng)屬PMAC開放式控制系統(tǒng)。由于PMAC運(yùn)動(dòng)控制器優(yōu)異的軌跡跟蹤能力和開放特性，在很多高性能的數(shù)控系統(tǒng)和研究項(xiàng)目中選用它構(gòu)建開放式控制系統(tǒng)。TurboPMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器是PAMC系列的升級(jí)版本，保持了PMAC的優(yōu)良性能，其特有的多種開放特性，更適合于構(gòu)建復(fù)雜的開放式數(shù)控系統(tǒng)。

　　北京理工大學(xué)在“985”項(xiàng)目的支持下，研制成功了3PRS-XY混聯(lián)型并聯(lián)機(jī)床樣機(jī)，作者結(jié)合該機(jī)床的研制，設(shè)計(jì)了基于“PC+TurboPMAC”模式的開放式數(shù)控系統(tǒng)。

2 混聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)

　　新型3PRS-XY型混聯(lián)機(jī)床為五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床，實(shí)物如圖1所示，由并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián)機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成。上半部分為一個(gè)3自由度的3-PRS型并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括固定平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)，固定平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)之間通過三個(gè)定長桿件聯(lián)接，每一桿件鏈包含移動(dòng)副(P)、轉(zhuǎn)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(tái)的立柱上，并由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)具有一個(gè)平動(dòng)自由度(Z軸)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度(A、B軸)。下半部分為X-Y工作臺(tái)，具有兩個(gè)平動(dòng)自由度(X、Y軸)。

圖1 3PRS-XY混聯(lián)機(jī)床

3 數(shù)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成

　　控制系統(tǒng)采用“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”的開放模式，如圖2所示。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成

　　PC機(jī)選用研華AWS-2848VTP一體化工作站，運(yùn)動(dòng)控制器為美國DeltaTau公司的TurboPMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡。控制系統(tǒng)包含五套伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，分別用于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的三組直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)和串聯(lián)機(jī)構(gòu)的兩組交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。采用光柵尺進(jìn)行位置檢測。通過TurboPMAC的五個(gè)伺服控制通道，實(shí)現(xiàn)五組伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。利用TurboPMAC的第六個(gè)伺服通道控制主軸電機(jī)變頻器實(shí)現(xiàn)主軸調(diào)速，以支持?jǐn)?shù)控代碼中的主軸速度指令。I/O板連接到Turbo PMAC上，通過內(nèi)置的PLC功能控制機(jī)器的輔助功能設(shè)備、主軸啟停、檢測機(jī)床限位、驅(qū)動(dòng)指示裝置和報(bào)警裝置、檢測控制面板輸入指令信號(hào)等。

　　控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是，以PC總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為控制核心，以PMAC多軸控制卡為運(yùn)動(dòng)控制模塊，形成以PC機(jī)為上位機(jī)、TurboPMAC多軸控制卡為下位機(jī)的分布式控制。

4 數(shù)控系統(tǒng)工作原理

　　圖3為數(shù)控系統(tǒng)的工作流程，順序由PC、TurboPMAC和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三部分完成整個(gè)數(shù)控過程。該控制流程在組成結(jié)構(gòu)上與目前基于“PC+PMAC”并聯(lián)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的研究成果相比，最大特點(diǎn)就是將粗插補(bǔ)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)變換嵌入到TurboPMAC中，使3PRS-XY混聯(lián)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制性能明顯提高。

圖3 數(shù)控系統(tǒng)工作流程

　　并聯(lián)機(jī)床控制是并聯(lián)機(jī)床研究的關(guān)鍵技術(shù)，也是難點(diǎn)，比傳統(tǒng)機(jī)床的控制更為復(fù)雜。傳統(tǒng)機(jī)床的每一個(gè)自由。度均有一套專用的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，每個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的。并聯(lián)機(jī)床的自由度是耦合的，刀具在操作空間的運(yùn)動(dòng)是關(guān)節(jié)空間伺服運(yùn)動(dòng)的非線性映射。刀尖軌跡規(guī)劃和編程在虛軸上進(jìn)行，一般基于笛卡兒坐標(biāo)，而實(shí)際驅(qū)動(dòng)軸在并聯(lián)桿系的節(jié)點(diǎn)上，是基于關(guān)節(jié)坐標(biāo)的，它們之間的運(yùn)動(dòng)是非線性關(guān)系。因此，必須通過機(jī)構(gòu)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行變換，將虛軸的規(guī)劃量轉(zhuǎn)換為實(shí)軸的控制量，該過程又稱為虛實(shí)映射。由于虛實(shí)變換具有很強(qiáng)的非線性，為保證精度，在施行運(yùn)動(dòng)學(xué)變換前，還必須首先對規(guī)劃軌跡(包括直線段)進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)密化，即在笛卡兒坐標(biāo)空間中進(jìn)行粗插補(bǔ)。通過粗插補(bǔ)處理，可以有效地減少由于非線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(bǔ)，所產(chǎn)生的此類誤差甚至可忽略不計(jì)，但插補(bǔ)所產(chǎn)生的大量的數(shù)據(jù)需要傳送到運(yùn)動(dòng)控制器中，由于通訊速率的限制而導(dǎo)致在線實(shí)時(shí)控制功能難以實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)充分利用了TurboPMAC提供的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算功能，將逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算程序下載到TurboPMAC中，并且由Turbo PMAC來完成粗插補(bǔ)處理，極大地降低了PC與TurboPMAC之間的數(shù)據(jù)傳輸量，提高了數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。粗插補(bǔ)采用了時(shí)間分割算法，通過TurboPMAC提供的段細(xì)分功能實(shí)現(xiàn)，并通過特定的I變量設(shè)定粗插補(bǔ)周期。精插補(bǔ)采用TurboPMAC內(nèi)置的樣條插補(bǔ)功能，以此來提供伺服控制所需的位置指令數(shù)據(jù)。

　　控制系統(tǒng)的這種設(shè)計(jì)方法，使數(shù)控加工程序的運(yùn)行過程不再依賴于上位機(jī)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，完全通過TurboPMAC自身完成混聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制。同時(shí)可直接利用TurboPMAC提供的C代碼調(diào)用功能和刀具半徑補(bǔ)償功能，降低了系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制功能。

5 數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　數(shù)控系統(tǒng)軟件基于Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)，用Borland的C++Builder6.0開發(fā)。軟件系統(tǒng)采用多任務(wù)調(diào)度模式開發(fā)，根據(jù)預(yù)定的調(diào)度策略調(diào)整各功能事件的運(yùn)行狀態(tài)。圖4所示，整個(gè)任務(wù)系統(tǒng)包括兩大模塊：系統(tǒng)管理和機(jī)床接口。由于運(yùn)動(dòng)學(xué)程序已嵌入到TurboPMAC中，數(shù)控系統(tǒng)軟件不再對運(yùn)動(dòng)學(xué)變換和插補(bǔ)進(jìn)行任務(wù)分配。

圖4 控制系統(tǒng)軟件模塊

　　系統(tǒng)管理模塊主要完成數(shù)控程序的預(yù)處理和人機(jī)信息交互，其中：參數(shù)設(shè)置模塊用于設(shè)置刀具參數(shù)設(shè)置和機(jī)床結(jié)構(gòu)參數(shù);文件管理模塊用于載人、存儲(chǔ)或編輯NC加工代碼程序;自動(dòng)操作(Auto)模塊完成數(shù)控程序的自動(dòng)下載和運(yùn)行控制;手動(dòng)操作(MDA)模塊可手動(dòng)輸入單條數(shù)控指令，直接控制機(jī)床單步運(yùn)動(dòng);點(diǎn)動(dòng)操作(Jog)模塊控制機(jī)床各虛擬軸的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行，進(jìn)行刀具位置調(diào)整和工件坐標(biāo)系的確定;仿真模塊根據(jù)加工程序進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，校驗(yàn)作業(yè)空間和運(yùn)動(dòng)干涉;軌跡跟蹤模塊實(shí)時(shí)顯示電機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡和虛軸刀尖軌跡;機(jī)床狀態(tài)模塊顯示刀尖坐標(biāo)值、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、操作狀態(tài)和故障狀態(tài)等信息;誤差補(bǔ)償模塊動(dòng)態(tài)加載誤差補(bǔ)償規(guī)則、算法和數(shù)據(jù)，修正運(yùn)動(dòng)控制量，減小加工誤差。誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)可通過專用儀器檢查刀尖位置獲得，也可來源于加工過程中的誤差測量統(tǒng)計(jì)。

　　機(jī)床接口模塊負(fù)責(zé)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(shù)據(jù)通訊渠道;卡設(shè)置模塊完成TurboPMAC的初始參數(shù)配置;實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊用于完成數(shù)控程序和數(shù)控命令的下載，并實(shí)時(shí)檢查TurboPMAC數(shù)據(jù)區(qū)狀態(tài)和伺服系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，將檢查數(shù)據(jù)傳送到軌跡顯示模塊和機(jī)床狀態(tài)顯示模塊，實(shí)現(xiàn)刀具軌跡、伺服軸運(yùn)動(dòng)軌跡、控制狀態(tài)和故障報(bào)警的實(shí)時(shí)顯示。

6 結(jié)束語

　　本文設(shè)計(jì)了基于“PC+TurboPMAC”架構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，直接采用標(biāo)準(zhǔn)C代碼NC程序控制零件加工，對用戶屏蔽了機(jī)床并聯(lián)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制復(fù)雜性。對運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算和粗插補(bǔ)功能采用了下載嵌入方式，減輕了主機(jī)運(yùn)行和數(shù)據(jù)通訊負(fù)荷，提高了控制的實(shí)時(shí)性能和主機(jī)的管理功能。軟件系統(tǒng)充分利用了Windows平臺(tái)的資源優(yōu)勢，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法建立友好的用戶操作界面和任務(wù)調(diào)度體系，使整個(gè)系統(tǒng)模塊化程度高、可操作性好且功能便于擴(kuò)展。本文所設(shè)計(jì)和研制的數(shù)控系統(tǒng)已成功應(yīng)用于北京理工大學(xué)3PRS-XY混聯(lián)機(jī)床樣機(jī)的控制中。