并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)研究

1 引言

并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床(Parallel Kinematics Machine Tool，PKM)，簡(jiǎn)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(lái)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(jiǎn)稱混聯(lián)機(jī)床，屬于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床概念范疇。混聯(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?；炻?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)?；炻?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(lái)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(lái)承擔(dān)，形成多級(jí)分布式控制模式。這樣架構(gòu)出來(lái)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，性能價(jià)格比較高的當(dāng)屬PMAC開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)放特性，更適合于構(gòu)建復(fù)雜的開(kāi)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(kāi)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(guò)三個(gè)定長(zhǎng)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(kāi)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(guó)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(cè)。通過(guò)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(guò)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(cè)機(jī)床限位、驅(qū)動(dòng)指示裝置和報(bào)警裝置、檢測(cè)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(guò)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。