三自由度并联机床控制系统设计与实现.pdf

第 3期 2 0 1 1 年 3月 机 械 设计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 5 9 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 3 0 1 5 9 ． - 0 3 三 自由度并联机床控制 系统设计与实现 术 田东兴 董 旭 李 蕊 ’ 北华航天工业学院， 廊坊 0 6 5 0 0 0 河北工业大学， 天津 3 0 0 1 3 0 De s i g n a n d r e a l i z a t i o n o f ．c o n t r o l s y s t e m f or t h r e e d e gr e e s o f f r e e d o m p a r a l l e I ma c h i n e t o o I TI AN Do n g -x i n g 1 , DONG Xu1 LI Ru i N o r t h C h i n a I n s t i t u t e o f A e r o s p a c e E n g i n e e r i n g ， L a n g f a n g 0 6 5 0 0 0 ， C h i n a He i b e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T i a n j i n 3 0 0 1 3 0 ， C h i n a f 【 摘要】 针对三自 由 度并联机 床运动控制的特点， 基于V c 开 发了一个应用于该 机床的控制系1 1统。 该系统采用了多轴运动控制卡为主体， 基于“ 工控机 多轴控制卡” 方式开发了硬件平台。 测试结果表 j明， 系统设计合理， 能准确实现并联机床控制系统的基本功能。 i 关键词 并联机床； V C ； 控制系统 j 【 A b s t r a c t 】 B a s e d o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e t h r e e d e g r e e s of f r e e d o m p ar a l l e l t o o l m ach i n e ’ s k i n e i ； m a t i c s c o n tr o l ， acc o r d i n g t o t h e V c ， a k i n e m a t i c s c o n tr o l s y s te m i s d e v e l o p e d t o t o p ar a l l e l m ach i n e c0 0 f ￡h re e d e g re e s e d o m ．T h e s y s te m a p p li,e s m tt 一 ．a x is m o t c 。 ro lle r as ￡h e m a n p a rt ,b as e d O Ft { t h ,e“ i n d u s t ri al c 。 n t r o l c 0 m p u t ,e r a n d m 4 t i a x is c 。 n t r o l lle r “ , d e v e z 0 l 9 g e n e r al h a r d w a r e p l at f o r m Of c 0 ,n t r o l i s y s te m ．T h 纰s 2in g re s u its s h o zh at s y s te m de s is t e as o n a b h a n d h a s 舭a b il ity re al iz e fh e m q i。 r ； f U Ft C t i o Ft 3 o fthe m ac] Ft e acc u r a t e l y ． 1 ； Ke y wo r d s Pa r a l l e l ma c h i n e t o o l ； VC ； Co n t r o l s t y s t e m 。 ◆。◆。◆。◆-。●。 ◆。 ◆_ -- - 。 p ◆。◆-◆。◆’◆。◆- 。 ◆- - ● 。◆- -。 。_。◆。◆。◆_ ◆。 ◆。◆。。◆。◆-◆_- - 。 ’◆。◆_● ◆。 ◆。 ◆_ 中图分类号 T H1 6 5 文献标识码 A l 弓 l 言 的 实 现 是 通 过 工 控 机 和 多 轴 运 动 控 制 卡 结 合 控 制 伺 服 电 机 转 动 并联机床是近年来学术界研究的热点，伴随着并联机床的 到达指定位置来实现的。工控机作为主控制器， 控制卡作为整个 控制系统也成为了人们关注的话题。 并联机床使将以笛卡尔坐标 系统的下位机 。 主控制器与下位机之间采用总线通讯方式， 这样 直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本的变化， 与 的配置方便开发系统控制软件。 进给伺服模块采用三个安川伺服 传统数控机床相 比， 并联机床有很多优点Ⅲ 并联机构的执行件 电机驱动机床工作。 执行本体主要是三自由度并联机床的机械结 容易达到高精度， 并且容易实现多 自由度联动， 从而实现曲面加 构。系统的软件平台部分是以 V c 为编程语言开发的， 设计控 工； 并联机床轨迹规划易于控制； 并联机床中的主要构件以承受 制系统时候采用模块化设计思想， 构造了开放式控制系统 。 拉 力 和 压 力 为 主 ， 使 机 床 具 有 较 高 的 刚 度 重 量 比 ； 并 联 机 床 移 动 3 控带 0 系统硬件平台 部件的响应速度快； 并联机床结构形式多样， 环境适应性强， 技术 控制系统的硬件平台的结构， 如图 1 所示。在系统的硬件平 附加值高。 常用的控制系统形式有“ 工控机 多轴运动控制卡” 。 台中， 控制部分为关键部分， 它采用了工控机和运动控制卡的主 本文所研究的并联机床是基于多轴运动控制卡的机床， 其能在硬 从分布结构。工控机作为整个系统的上位机， 主要完成运动学变 件配置下实现空间三方向的运动。本．S c T V c 语言构建了控 换、 数控程序代码编译 、系统文件管理以及轨迹仿真等控制任务。 制系统的基本功能模块， 并且在安装调试系统以后， 进行了实验， 系统的下位机多轴控制卡 ，主要完成位置控制、 计算轨迹 、 控制开 取得了满意的结果。 关量等调试任务。 控制卡的多轴通道通过位控板与多个交流伺服 2 控带 0 系统总体框架 系 统 分 别 相 连 ， 位 控 板 为 自 行 设 计 的 转 接 板 ， 通 过 位 控 板 可 以 方 本文开发的三自由度并联机床控制系统在整体上采用了软 便地实现运动控制卡端口和伺服单元相连接。在此分别应用了 件和硬件相互配合， 相互补充的格局。 硬件平台主要由控制模块、 J M A C H 1 端口， 此端口 是控制卡的A C C - 1 P 板上的4 通道控制信 伺服模块 、 机械执行本体三部分组成。控制模块采用研华工控机 号输出及信号反馈接 E l 和编码器反馈输入接口， 另外还应用了控 作为主控制机以及 P M A C作为运动控制器， 从而实现了对伺服 制卡中的J M A C H 2 端1 I ， 此端口 为脉冲加方向信号输出接口。 系统的多轴联动控制。P M A C是一种可编程的多轴运动控制卡，通过控制卡与伺服单元的综合作用可以实现电机控制多轴信 是集运动控制和逻辑控制以及处理数据的多功能的控制产品囹 。 号的输出， 实现三轴电机联动， 从而实现三自由度并联机床的联动 其功能强大并目 ．可以负责机床三个轴的伺服计算。 整个控制部分 控制， 完成复杂轨迹加工。本系统所用安川伺服电 机内部安装有编 ★来稿日 期 2 0 1 6 ． -0 5 1 5 ★ 基金项目 河北省教育厅科研计划项 目 2 0 0 9 4 0 3 1 6 0 田东兴等 三 自由度并联机床控制 系统设计与实现 第 3期 码器， 可以实现电机的速度反馈控制， 完成各轴对应环节的闭环运 动控制。系统中的开关量接口提供的输入偷 出接点与对应的执行 装置相连接， 从而实现了机床主轴起／ f 亭、 回零等功能。 图 1 三 自由度并联控制系统硬件平台结构图 4软件平台设计 本文开发的三自由度并联机床控制系统的软件平台是依托 Wi n d o w s 系统， 应用 v c 中的编程模块编制的。这种硬件与软件 完全分开的配置形式系统， 可以根据需要分别对相应的硬件和软件 升级。本系统软件整体上采用了 模块化设计思想， 按功能可划分为 管理模块和控制模块 。 管理模块包括运动仿真模块、 人机交互模块 等， 仿真模块主要实现刀具轨迹模拟仿真功能， 人机交互模块主要 实现用户与系统的交互沟通； 控制模块包括译码模块、 运动学变换 模块等， 译码模块主要实现系统对指令的编译处理， 运动学变换模 块主要是实现并联机床的逆解运算。如图2 所示， 为控制系统软件 结构图， 由此图可以看出系统软件各个模块的划分隋况。 图2并联机床控制系统软件结构 5控制系统基本功能模块 控制系统的用户界面是系统与使用者之间的接E l 。因此在 开发过程中尽量做到方便使用者输入指令数据， 这样可以提高工 作效率。软件平台是基于 v c 编程环境开发的， 若要通过软件 实现对并联机床的控制， 软件平台需要实时与多轴运动控制卡进 行通讯 ， 待通讯模块启动以后， 软件平台就可以从控制卡中提取 数据， 并且可以向控制卡发送数据罔 。由于控制卡在vc 环境下 提供了控件和动态链接库两种通讯方式，而本系统所需函数较 多， 所以应用动态链接库方式进行通讯设置。通讯模块设置的过 程为 先要初始化控制卡， 此过程关系到人机界面是否正常工作。 初始化主要包括控制卡动态链接库的装载以及控制卡的打开。 先 安装动态链接库 P C o m m3 2 ， 将动态链接库相应的D L L文件拷到 C ＼ w i n n t ＼ s y s t e m3 2目录下保证应用程序的调用。这些函数的定义 大部分是在头文件 m y R u n t i me ．h中， 将此文件导入并包含入应用 程序 ， 就可以连接函数 。设置好通讯管理模块后 ， 用户可以通过 机床控制系统人机界面实现各种控制功能， 如图3 所示。控制系 统主界面的功能有 编辑加工程序 、 运行管理系统 、 设定系统参 数。此界面主要用于完成各种工作模式的选择、 运动控制卡的调 试 、 程序的运行管理、 控制卡通讯参数设置等。 系统菜单功能主要 包括 程序自动运行、 电机调试、 点动进给、 系统仿真、 手动数据输 入指令等功能。在开发并联机床控制系统用户界面时， 需要加载 并联机床反解模块。用户按系统工作模式， 进行相应数据和命令 输入。控制系统则适时针对用户进行信息反馈 ， 向用户提供系统 的运行状态。在代码编辑区可以编辑程序， 图形输出区实时显示 当前刀具位置。按钮控制区域编辑了打开程序 、 译码、 MD I 、 图形 清除、 点动、 手轮等功能按钮。 图 3控制系统主界面 手动数据输入模块功能是执行输入命令。点击主界面中的 MD I 按钮， 出现如图4所示的加工方式的窗口。用户可以在此窗 口输入数控指令， 例如 快速点定位指令 G 0 0 X6 0 ．0Y 9 0 ．0。 另外， 点击“ 仿真” 按钮， 轨迹监控区可以实时地显示出当前刀具在机床 绝对坐标系下的位置， 这样可以很直观地验证系统执行数控指令 的准确性。 图 4输入控制指令 当并联机床处于数字控制工作方式，系统中的译码处理模 块将待加工的零件以一个程序段为单位进行处理， 把零件的各个 轮廓信息、 加工信息和辅助信息 ， 按照本系统规定的语法规则解 释成计算机能够识别的数据形式， 并加以 保存等待系统调用。如 果输入系统的程序严格按照语法规则， 则译码成功 ， 系统弹出对 话框显示“ 程序编译成功” 字样。如果在译码过程中， 经过程序段 的语法检查 ， 发现了语法错误 ， 系统会 自动弹出 “ 程序编译出现 问题” 对话框， 此时用户需重新检查程序。 编译成功后在主菜单中选择速度菜单，单击控制区运行按 钮则出现轨迹仿真 ， 如在轨迹仿真过程中单击暂停按钮 ， 轨迹仿 真暂停， 再次单击运行按钮可以接着完成轨迹仿真。这样系统就 NO ． 3 Ma r ． 2 0 1 l 机械 设 计 与制 造 1 6 1 可以实现实时动态的仿真功能。 为了测试系统能否准确执行圆弧 程序， 特进行了如下的仿真实验， 仿真如图5所示。 从图像输区输 出图形可以看出， 系统可以准确地执行圆弧程序。 图5圆弧程序仿真界面 手轮是实现并联机床三个轴联合运动的重要部件，直接关 系到并联机床的控制系统的实用性能。 手轮模块的功能就是控制 机床主轴的动作 ， 考虑到并联机床虚实映射的特点0 o] ， 需要经过 逆解运算将主轴运动转换为关节各个伺服轴的联合动作。 在手轮 的开发过程中需要结合“ 工控机 多轴控制卡” 的硬件结构 ， 调用 并联机床位置逆解数学模型，分别生成三个伺服电机进给指令， 实现机床各轴的联合动作。 手轮方式测试仿真如图 6 所示。 手轮 控制测试的过程 ， 如表 l 所示， 走刀量表示选中方向移动的距离， 单位是 m m 。在仿真界面中， 由 左到右依次为第一、 第二、 第三手 轮， 表格中的数字分别代表了选中手轮的转动的刻度。 表 1手轮动作顺序 图 6手轮测试仿真界面 6 工程实验 本文所用并联机床是作为雕刻用的机床，在主轴安装电磨 头， 实现雕刻加工。 当工控机和多轴控制卡都调试完毕后， 要进行 系统整体的联机调试 ， 在进行联机调试前 ， 先要检查并联机床的 机械结构和其控制系统硬件平台的电气接线情况 ， 如联轴器的安 装、 转接板的线路、 伺服单元的数据线等等。 首先要在空载情况下 对伺服电机进行测试， 确保能够实现正确控制， 接着将伺服电机 同负载相连接。 通过伺服驱动器调节电机的比例积分微分调节参 数， 待调试结果达到较为理想的状态后， 将控制卡同伺服驱动器 相连接 ， 通过控制卡进行比例积分微分参数的微调， 这样就可以 保证系统定位精度。 如图7所示理论 E 并联机床欲雕刻的图形。 图7待加工零件图形 并联机床实际走出的曲线轨迹如图 8 所示。由图可知在并 联机构的驱动下， 刀具走出了正确的轨迹， 取得了满意的结果。 图8并联机床实际加工轨迹 通过上述实验可知本并联机床能够实现特定条件下的曲线 轨迹， 验证了并联机床结构的合理l生 和控制系统的正确性。 7 结语 结合三自由度并联机床轨迹控制的特点， 以“ 工控机 多轴 控制卡” 为硬件平台， 基于控制系统的模块化设计思想， 在整体上 构造了并联控制系统。以Wi n d o w s 系统为软件平台， 基于V c 开发了数控系统软件基本的模块， 并联机床控制系统能够对数控 程序进行正确的编译处理 ， 通过实验调试 ， 并联机床主轴走出了 正确的轨迹， 从而验证了控制系统的正确性。 参考文献 1 李长河等．并联机床发展与国内外研究现状．青岛理工大学学报， 2 0 0 8 ， 2 9 1 7 - 1 3 2 李铁民等．虚拟轴机床数控系统的研究．制造技术与机床， 1 9 9 9 2 3 程丽等．五自由 度并联机床数控系统软件开发燕山大学学报， 2 0 0 8 3 2 0 1 4 G a o T i e - h o n g ， Qi J a n g b o ， Y u C h a n g - j u a n ， e t a 1 ． T h e R e a l i z a t i o n o f a N o v e l 3 一 DOF P a r a l l e l Ma c h i n e To o l a n d I t s NC Ar c h i t e c t u r e 1 EEE I C MA 2 0 0 6 L u o y a n g， 2 00 6 2 0 4 2 - 2 0 47 5 石勇．并联机床j J tl I O 心数控系统的研究． 制造技术与机床， 2 0 0 6 1 1 6 戚江波． 一种新型5 - D O F串并联机床及其数控系统的研究 [ 硕士学位 论文] ． 天津 河北工业大学， 2 0 0 6 7 孙立兵．基于 V C的三自由度并联机床数控系统软件开发．北华航天工业 学院学报 ， 2 0 0 9 3 1 9 - 2 1 8 郑右非． 基于 P M A C的3 - R R R T 并联机器人数控系统开发 [ 硕士学位 论文] ．天津 天津理工大学， 2 0 0 5 9 P M A C 软件手册版本 1 ． 1 ．北京元茂兴控制设备技术有限责任公司， 2 0 0 1 1 0 王辉等． 并联机床手轮功能的实现． 机械工程学报， 2 0 0 2 3 8 2 1 2 ～ 2 1 4