并聯運動機床數控系統研究

圖3 數控系統工作流程

并聯機床控制是并聯機床研究的關鍵技術，也是難點，比傳統機床的控制更為復雜。傳統機床的每一個自由。度均有一套專用的伺服驅動系統，每個自由度的運動是獨立的。并聯機床的自由度是耦合的，刀具在操作空間的運動是關節(jié)空間伺服運動的非線性映射。刀尖軌跡規(guī)劃和編程在虛軸上進行，一般基于笛卡兒坐標，而實際驅動軸在并聯桿系的節(jié)點上，是基于關節(jié)坐標的，它們之間的運動是非線性關系。因此，必須通過機構的逆運動學進行變換，將虛軸的規(guī)劃量轉換為實軸的控制量，該過程又稱為虛實映射。由于虛實變換具有很強的非線性，為保證精度，在施行運動學變換前，還必須首先對規(guī)劃軌跡(包括直線段)進行數據點密化，即在笛卡兒坐標空間中進行粗插補。通過粗插補處理，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行粗插補，所產生的此類誤差甚至可忽略不計，但插補所產生的大量的數據需要傳送到運動控制器中，由于通訊速率的限制而導致在線實時控制功能難以實現。本系統充分利用了TurboPMAC提供的運動學計算功能，將逆運動學計算程序下載到TurboPMAC中，并且由Turbo PMAC來完成粗插補處理，極大地降低了PC與TurboPMAC之間的數據傳輸量，提高了數控系統的實時性能。粗插補采用了時間分割算法，通過TurboPMAC提供的段細分功能實現，并通過特定的I變量設定粗插補周期。精插補采用TurboPMAC內置的樣條插補功能，以此來提供伺服控制所需的位置指令數據。

控制系統的這種設計方法，使數控加工程序的運行過程不再依賴于上位機操作系統的實時性能，完全通過TurboPMAC自身完成混聯機構的運動控制。同時可直接利用TurboPMAC提供的C代碼調用功能和刀具半徑補償功能，降低了系統的開發(fā)周期，提高整個數控系統的實時控制功能。

5 數控系統軟件設計

數控系統軟件基于Windows操作系統平臺，用Borland的C++Builder6.0開發(fā)。軟件系統采用多任務調度模式開發(fā)，根據預定的調度策略調整各功能事件的運行狀態(tài)。圖4所示，整個任務系統包括兩大模塊：系統管理和機床接口。由于運動學程序已嵌入到TurboPMAC中，數控系統軟件不再對運動學變換和插補進行任務分配。

圖4 控制系統軟件模塊

系統管理模塊主要完成數控程序的預處理和人機信息交互，其中：參數設置模塊用于設置刀具參數設置和機床結構參數；文件管理模塊用于載人、存儲或編輯NC加工代碼程序；自動操作(Auto)模塊完成數控程序的自動下載和運行控制；手動操作(MDA)模塊可手動輸入單條數控指令，直接控制機床單步運動；點動操作(Jog)模塊控制機床各虛擬軸的點動運行，進行刀具位置調整和工件坐標系的確定；仿真模塊根據加工程序進行機構的運動學仿真，校驗作業(yè)空間和運動干涉；軌跡跟蹤模塊實時顯示電機運動軌跡和虛軸刀尖軌跡；機床狀態(tài)模塊顯示刀尖坐標值、主軸轉速、進給速度、操作狀態(tài)和故障狀態(tài)等信息；誤差補償模塊動態(tài)加載誤差補償規(guī)則、算法和數據，修正運動控制量，減小加工誤差。誤差補償數據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計。

機床接口模塊負責處理與TurboPMAC有關的任務，其中：通訊模塊用于建立PC與Turbo PMAC之間的數據通訊渠道；卡設置模塊完成TurboPMAC的初始參數配置；實時監(jiān)控模塊用于完成數控程序和數控命令的下載，并實時檢查TurboPMAC數據區(qū)狀態(tài)和伺服系統運行狀態(tài)，將檢查數據傳送到軌跡顯示模塊和機床狀態(tài)顯示模塊，實現刀具軌跡、伺服軸運動軌跡、控制狀態(tài)和故障報警的實時顯示。

6 結束語

本文設計了基于“PC+TurboPMAC”架構的開放式數控系統，直接采用標準C代碼NC程序控制零件加工，對用戶屏蔽了機床并聯結構的運動控制復雜性。對運動學計算和粗插補功能采用了下載嵌入方式，減輕了主機運行和數據通訊負荷，提高了控制的實時性能和主機的管理功能。軟件系統充分利用了Windows平臺的資源優(yōu)勢，采用面向對象的設計方法建立友好的用戶操作界面和任務調度體系，使整個系統模塊化程度高、可操作性好且功能便于擴展。本文所設計和研制的數控系統已成功應用于北京理工大學3PRS-XY混聯機床樣機的控制中。