五轴联动并联机床数控系统研究

现代制造工程2006年第7期数控加工技术

五轴联动并联机床数控系统研究

赵辉1,姜金三1,张春凤1,高峰2

(1郑州航空工业管理学院,郑州450015;2上海

交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室,上海200030)

摘要分析并联机床数控系统特点,研究并联机床数控系统涉及的几项关键技术。在此基础上,以D elta T au公司的P M AC运动控制卡为核心部件,基于工业控制计算机构建五轴联动并联机床的数控系统,然后在W i ndo w s平台上开发了该数控系统的数控软件系统,并对系统的软、硬件结构及其实现进行详细的介绍。

关键词:数控系统并联机床五轴联动运动控制

中图分类号:TP271文献标识码:A文章编号:1671)3133(2006)07)0042)03

Study on the CNC syste m of a fi ve-axis parallel ki ne m atic machi ne

Zhao H ui1,Ji a ng Jinsan1,Zhang Chun feng1,Gao Feng2

(1Zhengzhou I nstitute o fAeronautical I ndustry M anage m en,t Zhengzhou450015,C HN;

2State K ey Laboratory o fV i b ration,Shock&No ise,SJTU,Shanghai200030,C HN) Abstrac t B ased on the analysis about the features o f CNC sy stem o f a pa ra lle l k i nem ati c m ach i ne(PKM)and the study on t he key techno l ogy to rea lize it,a struc t ure of the CNC sy stem is i n troduced,w hich consists o f IPC and t he D elta T au Inc.c s m otion contro ller P M AC.T he soft w are used to contro l it i s also desi gned,and so m e modu les of the system are illustrated i n de tai.l K ey word s:CN C syste m Pa ra lle l k i ne m atic m ach i ne F i ve-ax i s li nkage M o tion contro l

0引言

并联机床的数控系统主要包括硬件系统和软件系统两大部分。并联机床数控系统主要有两类不同的解决方案[1-3]:一类是在现有的商业化开放式数控系统的基础上进行二次开发,如西门子公司的Sinu-m erik840D开放式数控系统[4];另一类则是硬件采用/工业控制用电脑(I PC)+运动控制器0的方式[5-10],自行开发数控软件系统。采用商业化的数控系统进行开发,主要的优势在于可以合理利用商业化产品已有的功能,且商业化产品的可靠性较高。采用后者的主要优势在于不论是在功能还是在实现方式上,有充分的自由空间,且性价比低。

从伺服控制的角度分析,并联机床数控系统和传统机床的数控系统差别不大。但是由于它们运动传递原理完全不同,决定了在数控软件方面,两者有较大差异。并联机床数控软件系统主要涉及到的几项技术包括:代码识别与检查、插补算法、速度控制等。

本文将提出一种并联机床数控系统框架,研究其中涉及到的一些关键技术问题,对其软、硬件进行详细的介绍,并应用在一台五轴联动的并联机床上。

1并联机床数控系统特点

由于并联机床和传统机床运动传递原理完全不同,这决定了并联机床数控系统的特殊性。单从伺服控制的角度来分析,开发并联机床所需要的控制知识与开发传统多坐标机床所需的知识没有太大差别。它们之间最大不同体现在数控装置上。并联机床的运动传递原理和传统机床不同,而且并联机床的工作空间小且复杂,并联机床的性能如刚度、灵活度、奇异性、加减速等都和位姿密切相关。

对于数控系统而言,主要有两方面的任务:用户操作和机床控制。

用户操作主要包括下面几个部分:人机交互、故障诊断等。其中,人机交互又包括:输入数控代码或者简单的运动指令、查看机床运动状态和代码执行情况等。

机床控制主要包括:控制功能、准备功能、插补功能、补尝功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具管理功能和通信功能等。

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数控加工技术

现代制造工程2006年第7期

数控系统包括数控硬件系统和软件系统两部分,由于这两部分的特点不同,在进行功能分配时,有多种不同方案,这些不同的分工方式决定了硬件系统和软件系统复杂程度。根据目前的实际情况,硬件系统选用/I PC +运动控制器0的方式,因此,在软件系统和硬件系统之间的功能分配就非常明显了:硬件完成位置控制、速度控制和伺服电动机控制及对运动信号反馈的处理;软件完成代码输入、预处理、插补运算等功能。

2 并联机床数控系统硬件结构

由于国外长期以来限制向我国出口一些产品,商品化的数控系统很难获得,且从我国并联机床数控系统发展的角度来分析,采用/I PC +运动控制器0的方案更有价值。

本文研制的五轴联动并联机床数控系统采用了这种类型的开放式数控系统。该系统采用I PC 作为主控制器,运动控制器采用了D eltaTau 公司的产品

:

图1 并联机床数控硬件系统

P MAC [8]

,该运动控制器内置有可编程控制器(PLC ),可以对开关量进行监控。系统主要包括:I PC 、P MAC 卡、伺服系统和辅助系统四大部分,其外形如图1所示。

在该系统中,I PC 是一台研华工作站,它同时还具有数控操作面板;P MAC 运动控制卡插在I PC 机箱内部,它和I PC 之间的通信方式有三种:总线方式、串口方式和共享双端口存储器(DPRAM )方式,为了获得更快的通信速度,在本系统中主要通过DPRAM 和I PC 进行通信;伺服系统采用了松下的伺服控制器和交流伺服电动机,各有五台;而伺服电动机本身带有2500线的编码器,经倍频处理后每转可以发出1万个脉冲检测信号,主要用于电动机转速、位置等信息的反馈;辅助系统主要包括:电源、强电控制部分、主轴变频器、冷却控制部分等。

P MAC 和伺服系统以及编码器之间的通讯通过两块DSP -GATE 来进行。P MAC 通过接线端子板ACC8P 和伺服系统、电源以及I/O 等连接在一起。

在数控系统内部,信息传递如图2所示。在图中,箭头方向表示部件双方之间存在的通信关系,箭头上

的文字则描述了这种通信关系所传递的信息内容。

3 并联机床软件系统

311 软件系统构建

目前,数控软件系统主要有两种结构[9]

:

一种是

图2 数控系统硬件之

间的信息传递

/前后台型0,另一种是/中断型0。前后台型软件系统是把数控系统的功能划分为两类:一类作为/前台0程序来运行,实时性比较强;另一类作为/后台0程序来运行,实时性较差。

/中断型0数控系

统则把数控系统

的所有功能都划分为执行优先级不同的中断,根据中断优先级的不同,决定处理哪一部分的功能,优先级高的功能被优先处理,从整体看来,此时的数控软件系统为一中断管理和处理系统。

考虑到目前的技术特点和发展趋势,采用W i n -do w s98操作系统作为数控程序运行的平台,整个数控软件系统是运行在W i n dow s 操作系统下的一个应用程序。这样,数控软件系统很多方面都是按照W i n -do w s 操作系统下应用程序的特点进行设计而不是完全按照传统方式进行,如在输入方式上,提供数控文件输入和点动输入两种方式。

在W i n do w s 操作系统下编制程序有两个主要优点:可以实现多线程编程,使用方便;有丰富的软件资源可供利用。但同时带来的主要缺点是难以处理临时事件。另外,P MAC 自身内嵌有一/软0PLC ,它可以完成所有的PLC 功能,且程序编写和调试非常方便。用户开发的PLC 程序在系统后台运行。为了适应系统的特点,以及更加高效地处理数控系统中的信息,该数控系统软件采用/前后台型0结构方式。但是,和传统的/前后台型0数控软件不同的是:在前台运行的程序之间,调度的方式采用中断调度而不是抢先式调度,保证了数控系统功能更加便捷地实现。

从使用者的角度出发,结合信息传递关系,将软件功能划分为:输入处理、人机界面、译码和代码转换、运动控制、插补运算、故障处理和PLC 功能六大模块。其中,输入、输出处理、人机界面和PLC 功能作为

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