基于EMC2的并联运动机床的控制系统设计与仿真.pdf

第 8期 2 0 1 0年 8月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i ne r y De s i g nMa n u f a c t ur e 1 71 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 8 0 1 7 1 0 2 基于 E MC 2的并联运动机床 的控制 系统设计与仿真 李滨城杨丹顾金凤 江苏科技大学 机械工程学院， 镇江 2 1 2 0 0 3 Co n t r o l s y s t e m d e s i gn a n d s i m u l a t i on o f p a r a l l e l k i n e ma t i c ma c h i n e b a s e d o n EMC2 L I Bi n c h e n g ， YANG Da n， GU J i n - f e n g C o l l e g e o f Me c h a n i c E n g i n e e r i n g ， J i a n g S u U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Z h e i a n g 2 1 2 0 0 3 ， C h i n a 【 摘要】 针对六自 由 度并联运动机床， 首先 在u G三维造型器中 虚拟构建了 其模型， 通过M a t l a b 软 j l件计算 其运动学逆解模型， 继而 通过A d a m s 软件验证了 该逆解 模型的正 确性。最后通过重新编译E M C 2 l l运动学逆解模块， 并通过数控加工代码实 例加以 仿真验证， 为后续的样机制造及电 机输出 控制奠定了重 ； ；要基础 。 ； ； 关键词 并联机床； 运动学逆解模开型； 开放式控制系统； E MC 2 { 【 A b s t r a c t 】 ／ t a n a l y z e d 6 - D O F p a r al l e l k i n e m a t ic m a c h i n e P K M k i n e m at i c s c h a r a c t e r ， s o l v e d i t s{ ；i n v e r s e m o d e l v i a M A T L A B s ojl t w ar e a n d c o n s t r u c t e d P K M m o d e l u n d e r U G e n v i r o n m e n t． K i n e m at i c s s im u - ； V _ 6 l ati o n w a s p e o r m e d t h r o u g h i n t r o d u c i n g t h e m o d e l i n t o AD AMS w h i c h d e m o n s t r at e s t h at t h e i n v e r s e mo d j } e f ’5 c 。 r re c 凡 e s s ． A t la s t ，it re c 。 m p ile d k in e m c s in v e e m 。 d e f of E M C 2 a n d e r e d th ro u g h s im M la ti。 n l o f C N C c o d e ， w h i c h l ie s a f o u n d at i o n f o r l at e r p r o to t y p e c o n s t r u c t io n a n d m o t o r o u tp u t c o n t r o 1 ． 1 ； Ke y wo r d s P KM ； Ki n e ma t i c s i n v e r s e mo d e l ； T h e o p e n n u me r i c a l c o n t r o l s y s t e m； E MC2 l C ～⋯⋯】 ⋯⋯⋯⋯⋯】 ⋯⋯⋯】 ⋯⋯⋯⋯⋯】 ⋯～⋯⋯⋯】 ⋯ I 中图分类号 T H1 6 ， T P 3 9 1 文献标识码 A ．￡ 』 一 1日 IJ舌 并联机 床的控制 系统 主要包括 硬件 系统 和软件系统两大部 分 。并联机床控制系统主要有两类不 同的解决方案[t 3 1 一类 是在 现有 的商业化开放式控制系统的基础上进行二次开发 ； 另一类则 是硬件采用“ 工业控制用电脑 I P C 运动控制器” 的方式 ， 白行开 发控制软件系统。由于并联运动机床的结构和配置形式的多样 化， 很难有一种控制系统能够适合所有并联运动机床的要求。因 此， 并联运动机床的控制系统应该是开放式结构的。 本文采用的开发模式 ， 是将并联机床不同于传统机床的部分 组成功能模块， 直接嵌入开放控制平台， 从而能够共享平台上的 通用功能。 本文 以 E MC开放式控制 系统为平台 ， 在运动模块中嵌 入该并联运 动机床逆解数学模型 ， 重新编译 ， 并用实例加以验证 。 2 六 自由度并联机床的运动学分析 2 _ 1利用 UG软件建 立并联机床模型 如图 1 所示， 利用 U G软件建立的并联机床模型， 该并联机 床由伸缩杆、 刀具、 主轴和机架组成。 在进行运动学分析时， 假设各零件质量分布均匀， 且为刚体。 机架固定在 地面上 ， 伸缩杆和机架之 间使用万相铰链连接 ， 与动 平台使用球铰连接， 通过伺服电动机驱动六根伸缩杆， 实现动平 台在空间的移动和转动， 从而得到动平台的不同位姿； 主轴部件 固定在动平台上 ， 带动刀具旋转 ， 实现对工件的切削加 要求。 2 _ 2运用 MA T L A B软件求解并联机床 的逆解模型 本文采用欧拉角坐标变换的方法求解并联机床的逆解模型。 首先 ， 分别建立 同定平 台 A和动平 台 B上 的坐标系 0 l ， ， Z 和 ★来稿 日期 2 0 0 9 1 0 0 7 0 2 - XY Z ， 如图2所示。从图中可见， 动平台的位置和姿态可用固 定平台的一个位置向量 [ ] 和一组欧拉角 、 来表 示 。其 中 回转角 ， 卢 俯仰角 ， 偏转角。 图 1六 自由度并联机床的实体模型 图 2并联机床结构图 为了计算动平台铰链在固定平台坐标系中的位置向量， 必须 进行坐标变换 。 已知并联机床的结构设计参数 ， 其中， 上下 固定平 台的半径分别为 r ． 和 F 2 ， 上下定平 台的间距 为 h ． ， 动平 台的半径 为 r 3 ， 上下动平台的间距为 h ， ， 下层 定平台距离动平 台的距离为 h ， 动平台各环间间距 为 h ， 由此可得定平台上各铰链点的绝对坐 1 7 2 李滨城等 基 于 E MC 2的并联运动机床的控制 系统设计与仿真 第 8期 标为 Al r lc o s t r ／ 6 ， 一 r l s i n T r ／ 6 ， 0 A 2 0 ， r l ， 0 A 3 - r 1 c o s r ／ 6 ， _ ， j s i n r ／ 6 ， 0 A 4 一 r 2 c o s 1 x ／ 6 ， r s i n ／ 6 ， - h 1 5 O ， 一 r E ， 一 h i A 6 r z c o s r ／ 6 ； r 2 s i n r ／ 6 ， 一 h 1 写 成 矩 阵 的 形 式 为 A ； 。 动平台各铰链点的相对坐标为 B l r 3 c o s r ／ 6 ， 一 r 3 s i n r r ／ 6 ， O ， r 3 ， 3 _ ， 3 c o s 7 ／ 6 ， - r 3 s i n T r ／ 6 ， 一 d - 2 h B 4 -- r 3 c o s ff ／ 6 ， r 3 s i n T r ／ 6 ， 3 一 d 曰 5 0 ， ～ r 3 ， - h 3 4 - d B 6 r c o s I r ／ 6 ， r a s i n r r ／ 6 ， 一 h 3 - 5 h 写 成 矩 阵 的 形 式 为 B o B1 B1 B14 B15 B16 从而可以求出玩在定坐标系中的绝对坐标B。即 B RxB o 1 最后求出杆长的向量 ￡ ， 即 L B A 2 在 Ma t l a b中求出六根长的杆长。同时将求得的模型导入 A D A MS 软件中对其进行运动学仿真， 验证了逆解模型的正确性。 本文对于 A D A MS 仿真不再进行详细的叙述， 具体可参见文献 。 3六 自由度并联机床的控制系统设计 3 ． 1 E MC控制器 本文中的并联机床整个系统的外部硬件部分只需要一台P c 机和一个控制卡 运动控制 。 该控制卡作用于直接与机床相连的 电源激励 。如 图 3 所示 ， 是硬件连接方式。 图3是由E MC 2 控制的 6 杆 饥床的系统方框 图。 图中用的是 步进电机系统。以L i n u x为操作系统的计算机通过并行接口发送 脉冲信号控制步进电机驱动器 ， 进而驱动步进电机。E MC 2同样 可以通过伺服接 口卡或和外部控制板相连的扩展并行接口驱动 伺服 电机。 图 3硬件连接图 E MC 2具有 以下几个主要特点 1 多用户界 面； 2 G代码 解释器； 3 带有反馈的运动控制系统； 4 与传感器、 电机控制器 等电子器件相兼容； 5 简单的配置结构； 6 简单的．d e b 安装包。 E MC 2 运动控制器模块支持笛卡尔坐标系， 可以针对不同的 机床建立不同的运动模块。 E MC 2 只运行在 L i n u x 系统下， 这样可 以保证系统及时更新， 稳定， 安全， 最重要的是工作在实时系统下。 如图 4 所示， 是 E MC软件的结构模型。 图形用户界面 G U I 中性制造语 言 N ML 任务执行器 E MC T A S K f R s_ 2解7 4释G器 码 f [ 互 壹 圈 l 解 释 器 I l 竺l 中性制造语言 N M L 运动控制器 E M C MO T 中性制造语言 N ML I O控制器 E MC I O 图4 E MC 软件的结构模型 3 ． 2运动学模块分析 E MC运动控制器的代码是用C语言写成的， 并使用． i n i 文件 配置轴的数量， 轴是线性的还是旋转的， 所用的计量单位， 最大速 度和加速度， 反馈补偿， 轨迹规划器和其他系统参数。 本文中的六 自由度并联机床的运动学方程用C语言编写，然后连接并代替 原来默认的笛卡尔 3 坐标系的机床运动学程序。 G代码所规定的 直线和圆周运动首先通过轨迹规划器， 生成运动轨迹， 然后运动 轨迹通过逆解函数求出机床各个关节的坐标 ， 再将它们输入到电 机中去 。 由于并联机床在控制方面是与普通机床一致的， 所以只 要将其逆解函数进行修改并进行相应的匹配链接工作， 就能够使 E MC控制并联运动机床。 3 ． 3 j , - r 实例 做好编译和配置以后就可以运行 E MC 2 。 在 E M C 2中是通过 G代码来完成所要求的加工任务。本文通过 U G软件首先生成三 维模型，然后通过数控加工模块生成相应的刀轨文件运动轨， 再 过后处理模块生成所需的数控加工代码， 最后将生成的代码导入 E MC 2的图形用户界面即可进行加工仿真， 示例如图 5 所示。此 外用户也可以在 E M C 2中通过 M D I 代码手工输入区 输入相应 的加工代码 。 图 5加工轨迹 4结论 通过重新编译 E MC 2 运动学逆解模块， 并运用数控加工代码 实例加以仿真验证， 为后续的样机制造及电机输出控制方面的研 究奠定了重要基础。 参考文献 1 张曙， U ． H e i s e k并联运动机床[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 3 2 王洋． 并联机床开放式数控系统开发Ⅲ ． 天津 天津大学出版社， 2 0 0 2 3 魏永明． 虚拟轴机床数控系统的建造[ J ] _ 北京 清华大学出版社 ， 1 9 9 8 4 谢红． 五杆五环并联运动机床开发没计及 关键技术研究[ D ] [ 博士学位论 文] ． 上海 同济大学， 2 0 0 7 1 2 3 4 5 6 轴 轴 轴 轴轴轴