PRS-XY混联加工平台开放式数控系统

　　并联机床的结构和配置呈多样化形式，与传统机床在运动传递原理上有着本质的区别。在传统的机床中，各伺服轴的运动相互独立，刀具的运动量是各伺服轴运动量的线性组合。而在并联机床中，各伺服轴的运动相互祸合，刀具运动量是各伺服轴运动量的非线性映射。因此很难有一种控制系统能适合所有并联机床的要求，这就要求机床开发者自行配置控制硬件和软件，并要求并联机床的控制系统必须是开放结构以提高系统的适用性。

　　目前，比较现实的实现开放式数控系统的途径是PC+多轴运动控制器。在这种结构中，PC机处理非实时部分，实时控制部分由多轴运动控制器来承担，形成多级分布式控制模式。这样架构出来的数控系统既具有前端PC机的柔性，又具有专用CNC系统的稳定性和可靠性。

　　目前，在国内市场上，性能价格比较高的当属可编程多轴运动控制器(Program Multiple Axis Controller,PMAC)开放式控制系统。由于PMAC优异的轨迹跟踪能力和精度，在很多高性能的数控系统和研究项目中都选用它构建开放式控制系统。Turbo PMAC是PMAC系列的升级版本，保持了PMAC的优良性能，其特有的多种开放特性更适合于构建复杂的开放式数控系统。

1 PRS-XY混联机构描述

　　图1所示为新型的PRS一XY混联机构结构布局简图。

　　该机构由并联机构和串联机构两部分构成。上半部分为一个3自由度的PRS型并联机构，包括固定平台和动平台，固定平台和动平台之间通过3个定长杆件连接，每一杆件链包含移动副、转动副和球面副。3个移动副水平120°均匀分布在固定平台的立柱上，并由直线电机驱动。该机构的动平台具有一个平动自由度(Z轴)和2个旋转自由度(A,B轴)。下半部分为X-Y工作台，具有2个平动自由度(X,Y轴)。该混联机构为五轴运动加工平台，采用了串联驱动和并联驱动并用的混联驱动原理，兼有并联机床和传统机床的优点，克服了并联机床工作空间小的缺点，可应用于复杂型面零件的加工。
 

2 数控系统硬件的构成和特点

　　控制系统采用“PC+运动控制器”的开放模式，如图2所示。

　　PC机选用研华AWS-2848VTP-体化工作站，运动控制器为美国Delta Tau公司的Turbo PMAC多轴运动控制卡。控制系统包含5套伺服驱动系统，分别用于并联机构的3组直线电机驱动和串联机构的2组交流伺服电机驱动。采用光栅尺进行位置检测。通过Turbo hMAC的5个伺服控制通道，实现5组伺服系统的闭环控制。利用Turbo PMAC的第6个伺服通道控制主轴电机变频器，实现主轴调速，以支持数控代码中的主轴速度指令。I/O板连接到Turbo PMAC上，通过内置的PLC功能控制机器的辅助功能设备，主轴启停，检测机床限位，驱动指示装置和报警装置，检测控制面板输人指令信号等。DPRAM为双端口存储器，用于实现PC机与Turbo PMAC之间的无需握手的高速数据通信，使数据传输更加流畅，保证机床的实时控制性能。

　　控制系统的特点是以PC总线工业控制计算机为控制核心，以PMAC多轴控制卡为运动控制模块，形成以PC机为上位机、Turbo PMAC多轴控制卡为下位机的分布式控制。

3 数控系统工作原理

　　图3为数控系统的工作流程，顺序由APT,PC,Turbo PMAC和伺服驱动系统4部分完成整个数控过程。

　　APT为自动编程工具，完成零件的曲面造型、轨迹规划和NC代码生成。可利用目前通用的CAD/CAM软件作为APT自动编程工具，典型的有UG和Pro/Engineer软件。对于APT生成的NC代码，需进行代码的后置处理，完成NC.代码的格式转换和语法规则检查，以适应五轴混联机床的NC代码控制。后置处理是专用模块，是面向该棍联机床专门开发的处理软件程序。

　　如前所述，并联机床的刀具在操作空间的运动是关节空间伺服运动的非线性映射，刀尖轨迹规划和编程在虚轴上进行，一般基于笛卡儿坐标，而实际驱动轴在并联杆系的节点上，是基于关节坐标的，它们之间的运动是非线性关系。因此，必须通过机构的逆运动学进行变换，将虚轴的规划量转换为实轴的控制量，该过程又称为虚实映射川。由于虚实变换很强的非线性性，为保证精度，在施行运动学变换前，还必须首先对规划轨迹(包括直线段)进行数据点密化，即在笛卡儿坐标空间中进行粗插补。通过粗插补处理，可以有效地减少由于非线性映射造成的原理性误差。采用极小的采样周期进行粗插补，所产生的此类误差甚至可忽略不计，但插补所产生的大量的数据需要传送到运动控制器中，由于通信速率的限制而导致在线实时控制功能难以实现。

　　本系统充分利用了Turbo PMAC提供的运动学计算功能，将逆运动学计算程序下载到Turbo PMAC中，并且由Turbo PMAC来完成粗插补处理，极大地降低了PC与Turbo PMAC之间的数据传输量，提高了数控系统的实时性能。粗插补采用时间分割算法，通过Turbo PMAC提供的段细分功能实现，并通过特定的I变量设定粗插补周期。精插补利用Turbo PMAC内置的样条插补功能，以此来提供伺服控制所需的位置指令数据。

　　控制系统的这种设计方法不仅能有效地解决PC与Turbo PMAC之间的数据传输瓶颈，而且可充分利用Turbo PMAC提供的G代码控制功能和刀具半径补偿功能，降低系统的开发周期，提高整个数控系统的实时在线控制功能。
 

4 数控系统软件规划

　　控制系统软件是基于Windows 2000系统平台的，用Borland的C + + Builder 6 . 0开发。软件系统采用多任务调度模式开发，根据预定的调度策略调整各功能事件的运行状态。

　　整个任务系统包括两大模块:系统管理和机床控制，如图4所示。

　　系统管理模块主要完成加工程序的预处理和人机信息交互界面。参数设置模块用于运行软件的参数设置、加工程序的刀具参数设置和机床结构参数设置。文件管理模块用于载人和存储NC加工代码程序文件。手动编程模块可支持人工NC编程，适合于较简单零件的加工。人机交互模块主要用于各种工作模式的选择、调试和运行管理，进行数据和命令的输人，反馈用户操作信息和系统运行状态。指令解释模块负责对用户的数控操作指令进行解释和处理。仿真模块按照NC加工程序要求完成机构的运动学仿真，进行作业空间校验和运动干涉检验。误差补偿模块用于动态加载误差补偿规则、算法和数据，修正运动控制量，减小加工误差。误差补偿数据可通过专用仪器检查刀尖位置获得，也可对来源于加工过程中的误差进行测量统计。

　　机床控制模块负责处理与Turbo PMAC有关的任务。通信模块用于建立PC与Turbo PMAC之间的数据通信渠道。运动学模块包含机构的运动学变换程序，在系统初始化时该程序被下载到Turbo PMAC的专用存储器中。PLC模块负责将PLC程序下载到Turbo PMAC，完成机床的开关量检测和顺序控制功能。卡设置模块完成Turbo PMAC的初始参数配置。实时监控模块用于实时检查Turbo PMAC数据区状态和伺服系统运行状态，并将检查数据传送到人机交互模块，实现刀具轨迹和伺服轴运动的模拟显示、控制状态显示和故障报警指示。

5 结束语

　　本课题结合新型PRS一XY混联加工平台，设计开发了基一于"PC十多轴运动控制器”架构的开放式数控系统，直接采用标准G代码NC程序控制零件加工，对用户屏蔽了机床并联结构的运动控制复杂性。对运动学计算和粗插补功能采用了下载嵌入方式，减轻了主机运行和数据通信负荷，提高了控制的实时性能和主机的管理功能。软件系统充分利用了Windows平台的资源优势，采用面向对象的设计方法建立友好的用户操作界面和任务调度体系，使整个系统模块化程度高、可操作性好且功能便于扩展。本文提出的设计思想适用于其他结构类型的并联机构和混联机构的数控系统开发。