摘要：設計了基于“PC+TurboPMAC”開放模式的數控系統，實現3PRS-XY混聯型并聯運動機床的運動控制。利用TurboPMAC開放的運動學計算功能，將運動學變換計算嵌入到TurboPMAC中，在TurboPMAC中完成軌跡粗插補，提高了控制系統的實時性和可靠性，降低了系統的開發周期。

1 引言

　　并聯運動機床(Parallel Kinematics Machine Tool，PKM)，簡稱并聯機床(Parallel MachineT001)，也稱虛擬軸機床，它以空間并聯機構為基礎，充分利用計算機數字控制的潛力，以軟件取代部分硬件，以電氣裝置和電子器件取代部分機械傳動，使將近兩個世紀以來以笛卡兒坐標直線移動為基礎的機床結構和運動學原理發生了根本變化。混聯型并聯運動機床(HybridPKM)，簡稱混聯機床，屬于并聯運動機床概念范疇。混聯結構包括串并聯型、并串聯型和復雜混聯型，由少自由度純并聯機構再串聯其它運動方向的驅動機構構成。混聯運動機床混合了并聯機構和串聯機構，并兼具兩者的特點。混聯運動機床在很大程度上解決了純并聯機床在加工范圍上的限制，使并聯機構的應用更具靈活性和實用性。各種不同的串聯并聯結合，為并聯運動機床帶來了很大的發展空間。
　　并聯機床與傳統機床在運動傳遞原理上有著本質的區別，而且結構和配置呈多樣化形式，很難有一種控制系統適合所有并聯機床的要求，因此需要機床開發者自行配置控制硬件和軟件，并要求并聯機床的控制系統必須是開放結構，以提高系統適用性。目前，比較現實的實現開放式數控系統的途徑是PC+多軸控制器。這種結構中，PC機處理非實時部分，實時控制部分由多軸控制器來承擔，形成多級分布式控制模式。這樣架構出來的數控系統既具有前端PC機的柔性，又具有專用CNC系統的穩定性和可靠性。目前在國內市場上，性能價格比較高的當屬PMAC開放式控制系統。由于PMAC運動控制器優異的軌跡跟蹤能力和開放特性，在很多高性能的數控系統和研究項目中選用它構建開放式控制系統。TurboPMAC多軸運動控制器是PAMC系列的升級版本，保持了PMAC的優良性能，其特有的多種開放特性，更適合于構建復雜的開放式數控系統。
　　北京理工大學在“985”項目的支持下，研制成功了3PRS-XY混聯型并聯機床樣機，作者結合該機床的研制，設計了基于“PC+TurboPMAC”模式的開放式數控系統。

2 混聯機床結構

　　新型3PRS-XY型混聯機床為五軸聯動加工機床，實物如圖1所示，由并聯機構和串聯機構兩部分構成。上半部分為一個3自由度的3-PRS型并聯機構，包括固定平臺和動平臺，固定平臺和動平臺之間通過三個定長桿件聯接，每一桿件鏈包含移動副(P)、轉動副(R)和球面副(S)。三個移動副水平120°均勻分布在固定平臺的立柱上，并由直線電機驅動。該機構的動平臺具有一個平動自由度(Z軸)和兩個旋轉自由度(A、B軸)。下半部分為X-Y工作臺，具有兩個平動自由度(X、Y軸)。 圖1 3PRS-XY混聯機床
3 數控系統硬件構成

　　控制系統采用“PC+運動控制器”的開放模式，如圖2所示。 圖2 數控系統硬件構成
　　PC機選用研華AWS-2848VTP一體化工作站，運動控制器為美國DeltaTau公司的TurboPMAC多軸運動控制卡。控制系統包含五套伺服驅動系統，分別用于并聯機構的三組直線電機驅動和串聯機構的兩組交流伺服電機驅動。采用光柵尺進行位置檢測。通過TurboPMAC的五個伺服控制通道，實現五組伺服系統的閉環控制。利用TurboPMAC的第六個伺服通道控制主軸電機變頻器實現主軸調速，以支持數控代碼中的主軸速度指令。I/O板連接到Turbo PMAC上，通過內置的PLC功能控制機器的輔助功能設備、主軸啟停、檢測機床限位、驅動指示裝置和報警裝置、檢測控制面板輸入指令信號等。
　　控制系統的特點是，以PC總線工業控制計算機為控制核心，以PMAC多軸控制卡為運動控制模塊，形成以PC機為上位機、TurboPMAC多軸控制卡為下位機的分布式控制。

4 數控系統工作原理

　　圖3為數控系統的工作流程，順序由PC、TurboPMAC和伺服驅動系統三部分完成整個數控過程。該控制流程在組成結構上與目前基于“PC+PMAC”并聯機床數控系統的研究成果相比，最大特點就是將粗插補和逆運動學變換嵌入到TurboPMAC中，使3PRS-XY混聯機床數控系統實時控制性能明顯提高。 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空間伺服運動的非線性映射。刀尖軌跡規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點上，是基于關節坐標的，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。軟件系統采用多任務調度模式開發，根據預定的調度策略調整各功能事件的運行狀態。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；機床狀態模塊顯示刀尖坐標值、主軸轉速、進給速度、操作狀態和故障狀態等信息；誤差補償模塊動態加載誤差補償規則、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數據區狀態和伺服系統運行狀態，將檢查數據傳送到軌跡顯示模塊和機床狀態顯示模塊，實現刀具軌跡、伺服軸運動軌跡、控制狀態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。