Turbo PMAC面向復(fù)雜運動數(shù)控系統(tǒng)的開放特性研究

　　目前,比較現(xiàn)實的實現(xiàn)開放式數(shù)控系統(tǒng)的途徑是“PC +多軸控制器”,在這種結(jié)構(gòu)中, PC機處理非實時部分,實時控制部分由多軸控制器來承擔(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機的柔性,又具有專用CNC系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在國內(nèi)市場上, 性能價格比較高的當(dāng)屬基于PMAC ( Programable Multi2axes Controller)多軸運動控制器的開放式控制系統(tǒng)。由于PMAC多軸運動控制器優(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)和研究項目中選用它構(gòu)建開放式控制系統(tǒng)。

　　Turbo PMAC多軸運動控制器是PAMC系列的升級版本,保持了PMAC的優(yōu)良性能,其特有的開放的運動學(xué)計算特性,更適合于構(gòu)建面向復(fù)雜運動的開放式數(shù)控系統(tǒng),如并聯(lián)機床和機器人數(shù)控系統(tǒng)。

2 Turbo PMAC的性能和開放特性

　　Turbo PMAC是美國Delta Tau公司在PMAC的基礎(chǔ)上推出的基于工業(yè)PC和W indows操作系統(tǒng)的開放式多軸運動控制器,采用了更高速度的DSP56300 系列數(shù)字信號處理器,提供全新的高性能技術(shù)和Win2dows平臺, 滿足用戶在運動控制各個領(lǐng)域的需要。Turbo PMAC可同時控制1～32個軸,實現(xiàn)多軸聯(lián)動控制。Turbo PMAC既可單獨執(zhí)行存儲于控制器內(nèi)部的程序,也可執(zhí)行運動程序和PLC程序。它可以自動對任務(wù)優(yōu)先級進行判別,從而進行實時多任務(wù)處理。在硬件結(jié)構(gòu)上,只需通過適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置和使用不同的接口卡, Turbo PMAC便能與各種伺服系統(tǒng)匹配,可以方便地連接各種模擬或數(shù)字伺服驅(qū)動器。Turbo PMAC與PC機的通訊有三種方式:串行、總線和雙端口RAM方式,可以按照實際硬件條件和需要選擇最適合的方式。Turbo PMAC可以在PC XT/AT、VME、STD 總線上運行,由此提供了多平臺的支持特性,同時也使同一控制軟件可以在不同的硬件平臺上運行,這種特性體現(xiàn)了Turbo PMAC 在硬件結(jié)構(gòu)上的開放性。

　　在軟件結(jié)構(gòu)上, Turbo PMAC提供了Windows平臺下的驅(qū)動程序,支持VC + +、VB、Delphi、C + +Builder等編程語言環(huán)境,實現(xiàn)W indows環(huán)境下的人機界面設(shè)計。此外, Turbo PMAC也支持DOS環(huán)境下控制程序的開發(fā),由此可對Turbo PMAC進行高實時性控制,為開發(fā)高性能的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)提供了條件。TurboPMAC對多種程序設(shè)計語言和多種操作系統(tǒng)平臺的支持,體現(xiàn)了Turbo PMAC對開發(fā)環(huán)境的開放性。Turbo PMAC提供了強大的運動控制功能,如直線插補、圓弧插補、樣條曲線插補等模式,用戶也可以通過這些基本模式定制出自己合適的運動模式。TurboPMAC支持數(shù)控G代碼和M代碼指令控制,支持刀具補償功能,可方便地開發(fā)機床數(shù)控系統(tǒng)。Turbo PMAC采用了帶陷波濾波器的P ID算法進行電動機的伺服控制,能有效地克服電動機運行中的機械振動,該伺服環(huán)引入了速度和加速度前饋,進一步提高了伺服控制中的軌跡跟蹤精度和加速性能。Turbo PMAC內(nèi)含了邏輯功能強大的可編程控制器(PLC) ,可以和運動控制程序密切配合實現(xiàn)外部設(shè)備的開關(guān)量( I/O)控制。

　　同PMAC系列多軸運動控制器相比, Turbo PMAC除運算速度和內(nèi)存增加外,還增加了新控制特性,主要有:先進的加速超前預(yù)測,內(nèi)建的正向運動學(xué)和逆向運動學(xué)計算能力,三維刀具半徑補償功能,在線改變運動目標(biāo),多端口連續(xù)通訊,為每個電動機制定正弦轉(zhuǎn)換表,可單獨選擇電動機的P ID伺服控制算法或使用外部定義的算法,大大增加了同步M變量緩沖區(qū),為每個坐標(biāo)系設(shè)置兩個伺服速率定時器,運動軌跡反求能力。其中,正向/逆向運動學(xué)計算功能和伺服控制算法定義功能,體現(xiàn)了Turbo PMAC運動平臺在面向用戶的開放性方面向前跨了一大步,使用戶能靈活地在該平臺上配置自己的運動算法,快速開發(fā)復(fù)雜數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品。

3 Turbo PMAC開放的運動學(xué)計算特性

　　對于面向復(fù)雜運動的控制系統(tǒng),如并聯(lián)機床控制和多軸機器人控制,盡管PMAC仍然可以作為一個優(yōu)秀的控制平臺,但主要是利用了PMAC的伺服控制功能和多軸聯(lián)動控制功能,而那些高性能的輔助功能很難直接使用,較典型的就是G代碼和刀具補償?shù)裙δ?這就增加了產(chǎn)品的開發(fā)難度。在基于Windows平臺上的應(yīng)用,甚至?xí)斐稍诰€實時控制失敗,究其原因,主要是因為PMAC的輔助功能是以笛卡爾坐標(biāo)為基礎(chǔ),而并聯(lián)機床和機器人的實際控制軸一般不是笛卡爾幾何形狀,目標(biāo)運動軌跡與驅(qū)動軸關(guān)節(jié)坐標(biāo)系為非線性關(guān)系,因此運動軌跡規(guī)劃之后,還需要上位機完成粗插補、坐標(biāo)運動轉(zhuǎn)換和虛、實軸變換等運動學(xué)運算,形成實際軸的密化控制數(shù)據(jù),在非實時操作系統(tǒng)平臺下(如W indows)大量密化的數(shù)據(jù)傳輸成為實時控制的難點和瓶頸。在并聯(lián)機床數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)中,由于不能直接使用PMAC提供的輔助功能,需要開發(fā)者編制對標(biāo)準(zhǔn)G代碼數(shù)控程序的解釋程序和刀具補償程序,會大大降低系統(tǒng)開發(fā)效率和產(chǎn)品的可靠性。上述存在的問題在Delta Tau 公司開發(fā)的新一代多軸控制器Turbo PMAC中得到了較好的解決。

　　Turbo PMAC提供了一種機制,使用戶很容易實現(xiàn)復(fù)雜的運動學(xué)運算。當(dāng)?shù)都庾鴺?biāo)和驅(qū)動軸關(guān)節(jié)坐標(biāo)系之間為非線性關(guān)系時,運動學(xué)計算功能變得尤為重要。典型例子就是并聯(lián)機床和機器人系統(tǒng)。在并聯(lián)機床控制中,只要將對應(yīng)機構(gòu)的運動學(xué)程序嵌入到TurboPMAC控制器中, Turbo PMAC可以根據(jù)刀尖軌跡自動按照給定的運動學(xué)算法計算出實際驅(qū)動軸的位置坐標(biāo)。Turbo PMAC的這種能力,允許在笛卡爾坐標(biāo)系(虛軸坐標(biāo)系)對刀尖軌跡編程,而不用考慮實際控制軸的坐標(biāo)形態(tài)。Turbo PMAC的運動算法程序編制方法簡單,與PLC程序語法規(guī)則一致,該程序放在TurboPMAC的專用緩沖區(qū)中,作為子程序供運動程序調(diào)用。Turbo PMAC中運動學(xué)計算的定義與機構(gòu)學(xué)中定義的基本思想一致。正向運動學(xué)運算是指,以驅(qū)動軸關(guān)節(jié)坐標(biāo)作為輸入量,計算出刀尖的軌跡位置坐標(biāo)。在并聯(lián)機床控制中,通過正向運動學(xué)計算可以獲得控制初始的刀尖位置,也可以在加工過程中報告刀尖軌跡位置。正向運動學(xué)運算往往無封閉解,因此TurboPMAC支持迭代處理,以解決復(fù)雜的正向運動學(xué)計算。逆向運動學(xué)運算是指,以刀尖位置坐標(biāo)作為輸入,計算出驅(qū)動關(guān)節(jié)的位置坐標(biāo)。在并聯(lián)機床控制中,刀尖的每個編程端點都需要進行逆向運動學(xué)計算。特別指出的是,在非線性程度很高的并聯(lián)機床控制中,如只對編程端點進行逆解運算,則意味著所有插補均在關(guān)節(jié)空間中進行,一般情況下刀尖軌跡不會是一條直線。因此,必須首先對編程段進行粗插補(即編程段細分) ,對每一個細分段再進行逆解運算,而在關(guān)節(jié)空間只進行精插補,則刀尖軌跡誤差會很小,甚至可忽略不計。這種處理方式在Turbo PMAC中得到支持,通過控制分段時間變量來定義粗插補周期,實現(xiàn)在直線和圓弧運動模式下基于時間分割的粗插補功能。

4 結(jié)論

　　Turbo PMAC的開放特性為開發(fā)復(fù)雜的數(shù)控系統(tǒng)提供了一個良好的運動控制平臺,通過其開放的運動學(xué)運算功能封裝了設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,并可以直接使用Turbo PMAC提供的數(shù)控G代碼和刀具半徑補償?shù)容o助功能,從而減少上位機計算量和與Turbo PMAC的通訊數(shù)據(jù)量,提高控制的實時性能,可以降低開發(fā)成本,使開發(fā)者把更多精力投入到設(shè)備控制功能和性能研究中?？梢灶A(yù)見, Turbo PMAC將在并聯(lián)加工機床和機器人控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,并可為我國自行研制的高性能、開放性多軸運動控制器提供技術(shù)參考。