PRS-XY混聯(lián)加工平臺開放式數(shù)控系統(tǒng)

　　并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)和配置呈多樣化形式，與傳統(tǒng)機(jī)床在運(yùn)動傳遞原理上有著本質(zhì)的區(qū)別。在傳統(tǒng)的機(jī)床中，各伺服軸的運(yùn)動相互獨(dú)立，刀具的運(yùn)動量是各伺服軸運(yùn)動量的線性組合。而在并聯(lián)機(jī)床中，各伺服軸的運(yùn)動相互禍合，刀具運(yùn)動量是各伺服軸運(yùn)動量的非線性映射。因此很難有一種控制系統(tǒng)能適合所有并聯(lián)機(jī)床的要求，這就要求機(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)的適用性。

　　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+多軸運(yùn)動控制器。在這種結(jié)構(gòu)中，PC機(jī)處理非實(shí)時(shí)部分，實(shí)時(shí)控制部分由多軸運(yùn)動控制器來承擔(dān)，形成多級分布式控制模式。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)屬可編程多軸運(yùn)動控制器(Program Multiple Axis Controller,PMAC)開放式控制系統(tǒng)。由于PMAC優(yōu)異的軌跡跟蹤能力和精度，在很多高性能的數(shù)控系統(tǒng)和研究項(xiàng)目中都選用它構(gòu)建開放式控制系統(tǒng)。Turbo PMAC是PMAC系列的升級版本，保持了PMAC的優(yōu)良性能，其特有的多種開放特性更適合于構(gòu)建復(fù)雜的開放式數(shù)控系統(tǒng)。

1 PRS-XY混聯(lián)機(jī)構(gòu)描述

　　圖1所示為新型的PRS一XY混聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)布局簡圖。

　　該機(jī)構(gòu)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PRS型并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括固定平臺和動平臺，固定平臺和動平臺之間通過3個(gè)定長桿件連接，每一桿件鏈包含移動副、轉(zhuǎn)動副和球面副。3個(gè)移動副水平120°均勻分布在固定平臺的立柱上，并由直線電機(jī)驅(qū)動。該機(jī)構(gòu)的動平臺具有一個(gè)平動自由度(Z軸)和2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度(A,B軸)。下半部分為X-Y工作臺，具有2個(gè)平動自由度(X,Y軸)。該混聯(lián)機(jī)構(gòu)為五軸運(yùn)動加工平臺，采用了串聯(lián)驅(qū)動和并聯(lián)驅(qū)動并用的混聯(lián)驅(qū)動原理，兼有并聯(lián)機(jī)床和傳統(tǒng)機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)，克服了并聯(lián)機(jī)床工作空間小的缺點(diǎn)，可應(yīng)用于復(fù)雜型面零件的加工。

2 數(shù)控系統(tǒng)硬件的構(gòu)成和特點(diǎn)

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

　　PC機(jī)選用研華AWS-2848VTP-體化工作站，運(yùn)動控制器為美國Delta Tau公司的Turbo PMAC多軸運(yùn)動控制卡?？刂葡到y(tǒng)包含5套伺服驅(qū)動系統(tǒng)，分別用于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的3組直線電機(jī)驅(qū)動和串聯(lián)機(jī)構(gòu)的2組交流伺服電機(jī)驅(qū)動。采用光柵尺進(jìn)行位置檢測。通過Turbo hMAC的5個(gè)伺服控制通道，實(shí)現(xiàn)5組伺服系統(tǒng)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(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)動指示裝置和報(bào)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(xiàn)PC機(jī)與Turbo PMAC之間的無需握手的高速數(shù)據(jù)通信，使數(shù)據(jù)傳輸更加流暢，保證機(jī)床的實(shí)時(shí)控制性能。

　　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)動控制模塊，形成以PC機(jī)為上位機(jī)、Turbo PMAC多軸控制卡為下位機(jī)的分布式控制。

3 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APT,PC,Turbo PMAC和伺服驅(qū)動系統(tǒng)4部分完成整個(gè)數(shù)控過程。

　　APT為自動編程工具，完成零件的曲面造型、軌跡規(guī)劃和NC代碼生成?？衫媚壳巴ㄓ玫腃AD/CAM軟件作為APT自動編程工具，典型的有UG和Pro/Engineer軟件。對于APT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(zhuǎn)換和語法規(guī)則檢查，以適應(yīng)五軸混聯(lián)機(jī)床的NC代碼控制。后置處理是專用模塊，是面向該棍聯(lián)機(jī)床專門開發(fā)的處理軟件程序。

　　如前所述，并聯(lián)機(jī)床的刀具在操作空間的運(yùn)動是關(guān)節(jié)空間伺服運(yùn)動的非線性映射，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)動是非線性關(guān)系。因此，必須通過機(jī)構(gòu)的逆運(yùn)動學(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)映射川。由于虛實(shí)變換很強(qiáng)的非線性性，為保證精度，在施行運(yùn)動學(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)動控制器中，由于通信速率的限制而導(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Turbo PMAC提供的運(yùn)動學(xué)計(jì)算功能，將逆運(yùn)動學(xué)計(jì)算程序下載到Turbo PMAC中，并且由Turbo PMAC來完成粗插補(bǔ)處理，極大地降低了PC與Turbo PMAC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)采用時(shí)間分割算法，通過Turbo PMAC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)利用Turbo PMAC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)方法不僅能有效地解決PC與Turbo PMAC之間的數(shù)據(jù)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(bǔ)償功能，降低系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線控制功能。

4 數(shù)控系統(tǒng)軟件規(guī)劃

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

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

　　系統(tǒng)管理模塊主要完成加工程序的預(yù)處理和人機(jī)信息交互界面。參數(shù)設(shè)置模塊用于運(yùn)行軟件的參數(shù)設(shè)置、加工程序的刀具參數(shù)設(shè)置和機(jī)床結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置。文件管理模塊用于載人和存儲NC加工代碼程序文件。手動編程模塊可支持人工NC編程，適合于較簡單零件的加工。人機(jī)交互模塊主要用于各種工作模式的選擇、調(diào)試和運(yùn)行管理，進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令的輸人，反饋用戶操作信息和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。指令解釋模塊負(fù)責(zé)對用戶的數(shù)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)仿真，進(jìn)行作業(yè)空間校驗(yàn)和運(yùn)動干涉檢驗(yàn)。誤差補(bǔ)償模塊用于動態(tài)加載誤差補(bǔ)償規(guī)則、算法和數(shù)據(jù)，修正運(yùn)動控制量，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，也可對來源于加工過程中的誤差進(jìn)行測量統(tǒng)計(jì)。

　　機(jī)床控制模塊負(fù)責(zé)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(shù)據(jù)通信渠道。運(yùn)動學(xué)模塊包含機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)變換程序，在系統(tǒng)初始化時(shí)該程序被下載到Turbo PMAC的專用存儲器中。PLC模塊負(fù)責(zé)將PLC程序下載到Turbo PMAC，完成機(jī)床的開關(guān)量檢測和順序控制功能。卡設(shè)置模塊完成Turbo PMAC的初始參數(shù)配置。實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊用于實(shí)時(shí)檢查Turbo PMAC數(shù)據(jù)區(qū)狀態(tài)和伺服系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并將檢查數(shù)據(jù)傳送到人機(jī)交互模塊，實(shí)現(xiàn)刀具軌跡和伺服軸運(yùn)動的模擬顯示、控制狀態(tài)顯示和故障報(bào)警指示。

5 結(jié)束語

　　本課題結(jié)合新型PRS一XY混聯(lián)加工平臺，設(shè)計(jì)開發(fā)了基一于"PC十多軸運(yùn)動控制器”架構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，直接采用標(biāo)準(zhǔn)G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)動控制復(fù)雜性。對運(yùn)動學(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)通信負(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。本文提出的設(shè)計(jì)思想適用于其他結(jié)構(gòu)類型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)和混聯(lián)機(jī)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)。