1 引言

並聯運動機床(Parallel Kinematics Machine Tool，PKM)，簡稱並聯機床(Parallel MachineT001)，也稱虛擬軸機床，它以空間並聯機構為(wei) 基礎，充分利用計算機數字控製的潛力，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(chuan) 動，使將近兩(liang) 個(ge) 世紀以來以笛卡兒(er) 坐標直線移動為(wei) 基礎的機床結構和運動學原理發生了根本變化。混聯型並聯運動機床(HybridPKM)，簡稱混聯機床，屬於(yu) 並聯運動機床概念範疇。混聯結構包括串並聯型、並串聯型和複雜混聯型，由少自由度純並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並聯機構和串聯機構，並兼具兩(liang) 者的特點。混聯運動機床在很大程度上解決(jue) 了純並聯機床在加工範圍上的限製，使並聯機構的應用更具靈活性和實用性。各種不同的串聯並聯結合，為(wei) 並聯運動機床帶來了很大的發展空間。

並聯機床與(yu) 傳(chuan) 統機床在運動傳(chuan) 遞原理上有著本質的區別，而且結構和配置呈多樣化形式，很難有一種控製係統適合所有並聯機床的要求，因此需要機床開發者自行配置控製硬件和軟件，並要求並聯機床的控製係統必須是開放結構，以提高係統適用性。目前，比較現實的實現開放式數控係統的途徑是PC+多軸控製器。這種結構中，PC機處理非實時部分，實時控製部分由多軸控製器來承擔，形成多級分布式控製模式。這樣架構出來的數控係統既具有前端PC機的柔性，又具有專(zhuan) 用CNC係統的穩定性和可靠性。目前在國內(nei) 市場上，性能價(jia) 格比較高的當屬PMAC開放式控製係統。由於(yu) PMAC運動控製器優(you) 異的軌跡跟蹤能力和開放特性，在很多高性能的數控係統和研究項目中選用它構建開放式控製係統。TurboPMAC多軸運動控製器是PAMC係列的升級版本，保持了PMAC的優(you) 良性能，其特有的多種開放特性，更適合於(yu) 構建複雜的開放式數控係統。

北京理工大學在“985”項目的支持下，研製成功了3PRS-XY混聯型並聯機床樣機，作者結合該機床的研製，設計了基於(yu) “PC+TurboPMAC”模式的開放式數控係統。

2 混聯機床結構

新型3PRS-XY型混聯機床為(wei) 五軸聯動加工機床，實物如圖1所示，由並聯機構和串聯機構兩(liang) 部分構成。上半部分為(wei) 一個(ge) 3自由度的3-PRS型並聯機構，包括固定平台和動平台，固定平台和動平台之間通過三個(ge) 定長杆件聯接，每一杆件鏈包含移動副(P)、轉動副(R)和球麵副(S)。三個(ge) 移動副水平120°均勻分布在固定平台的立柱上，並由直線電機驅動。該機構的動平台具有一個(ge) 平動自由度(Z軸)和兩(liang) 個(ge) 旋轉自由度(A、B軸)。下半部分為(wei) X-Y工作台，具有兩(liang) 個(ge) 平動自由度(X、Y軸)。

圖1 3PRS-XY混聯機床

3 數控係統硬件構成

控製係統采用“PC+運動控製器”的開放模式，如圖2所示。

圖2 數控係統硬件構成

PC機選用研華AWS-2848VTP一體(ti) 化工作站，運動控製器為(wei) 美國DeltaTau公司的TurboPMAC多軸運動控製卡。控製係統包含五套伺服驅動係統，分別用於(yu) 並聯機構的三組直線電機驅動和串聯機構的兩(liang) 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(ge) 伺服控製通道，實現五組伺服係統的閉環控製。利用TurboPMAC的第六個(ge) 伺服通道控製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(nei) 置的PLC功能控製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、檢測控製麵板輸入指令信號等。

控製係統的特點是，以PC總線工業(ye) 控製計算機為(wei) 控製核心，以PMAC多軸控製卡為(wei) 運動控製模塊，形成以PC機為(wei) 上位機、TurboPMAC多軸控製卡為(wei) 下位機的分布式控製。

4 數控係統工作原理

圖3為(wei) 數控係統的工作流程，順序由PC、TurboPMAC和伺服驅動係統三部分完成整個(ge) 數控過程。該控製流程在組成結構上與(yu) 目前基於(yu) “PC+PMAC”並聯機床數控係統的研究成果相比，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混聯機床數控係統實時控製性能明顯提高。

圖3 數控係統工作流程

並聯機床控製是並聯機床研究的關(guan) 鍵技術，也是難點，比傳(chuan) 統機床的控製更為(wei) 複雜。傳(chuan) 統機床的每一個(ge) 自由。度均有一套專(zhuan) 用的伺服驅動係統，每個(ge) 自由度的運動是獨立的。並聯機床的自由度是耦合的，刀具在操作空間的運動是關(guan) 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，一般基於(yu) 笛卡兒(er) 坐標，而實際驅動軸在並聯杆係的節點上，是基於(yu) 關(guan) 節坐標的，它們(men) 之間的運動是非線性關(guan) 係。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(wei) 實軸的控製量，該過程又稱為(wei) 虛實映射。由於(yu) 虛實變換具有很強的非線性，為(wei) 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(er) 坐標空間中進行粗插補。通過粗插補處理，可以有效地減少由於(yu) 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(chan) 生的此類誤差甚至可忽略不計，但插補所產(chan) 生的大量的數據需要傳(chuan) 送到運動控製器中，由於(yu) 通訊速率的限製而導致在線實時控製功能難以實現。本係統充分利用了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，並且由Turbo PMAC來完成粗插補處理，極大地降低了PC與(yu) TurboPMAC之間的數據傳(chuan) 輸量，提高了數控係統的實時性能。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，並通過特定的I變量設定粗插補周期。精插補采用TurboPMAC內(nei) 置的樣條插補功能，以此來提供伺服控製所需的位置指令數據。

控製係統的這種設計方法，使數控加工程序的運行過程不再依賴於(yu) 上位機操作係統的實時性能，完全通過TurboPMAC自身完成混聯機構的運動控製。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(chang) 功能，降低了係統的開發周期，提高整個(ge) 數控係統的實時控製功能。

5 數控係統軟件設計

數控係統軟件基於(yu) Windows操作係統平台，用Borland的C++Builder6.0開發。軟件係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(ge) 任務係統包括兩(liang) 大模塊：係統管理和機床接口。由於(yu) 運動學程序已嵌入到TurboPMAC中，數控係統軟件不再對運動學變換和插補進行任務分配。

圖4 控製係統軟件模塊

係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：參數設置模塊用於(yu) 設置刀具參數設置和機床結構參數；文件管理模塊用於(yu) 載人、存儲(chu) 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製；手動操作(MDA)模塊可手動輸入單條數控指令，直接控製機床單步運動；點動操作(Jog)模塊控製機床各虛擬軸的點動運行，進行刀具位置調整和工件坐標係的確定；仿真模塊根據加工程序進行機構的運動學仿真，校驗作業(ye) 空間和運動幹涉；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(chang) 模塊動態加載誤差補償(chang) 規則、算法和數據，修正運動控製量，減小加工誤差。誤差補償(chang) 數據可通過專(zhuan) 用儀(yi) 器檢查刀尖位置獲得，也可來源於(yu) 加工過程中的誤差測量統計。#p#分頁標題#e#

機床接口模塊負責處理與(yu) TurboPMAC有關(guan) 的任務，其中：通訊模塊用於(yu) 建立PC與(yu) 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；實時監控模塊用於(yu) 完成數控程序和數控命令的下載，並實時檢查TurboPMAC數據區狀態和伺服係統運行狀態，將檢查數據傳(chuan) 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、控製狀態和故障報警的實時顯示。

6 結束語

本文設計了基於(yu) “PC+TurboPMAC”架構的開放式數控係統，直接采用標準C代碼NC程序控製零件加工，對用戶屏蔽了機床並聯結構的運動控製複雜性。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，提高了控製的實時性能和主機的管理功能。軟件係統充分利用了Windows平台的資源優(you) 勢，采用麵向對象的設計方法建立友好的用戶操作界麵和任務調度體(ti) 係，使整個(ge) 係統模塊化程度高、可操作性好且功能便於(yu) 擴展。本文所設計和研製的數控係統已成功應用於(yu) 北京理工大學3PRS-XY混聯機床樣機的控製中。