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

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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(shì)，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。