三自由度并联机床控制系统设计与实现
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MDI
运 动 变 换 模
程 序 编 辑
通 讯 模 块
插 补 模 块
译 码 模 块
仿 真 模 块
执 行 模 块
联 动 控 制 模
程序输 入 坐标显示 X： Y： Z：
轨 迹 监 控
图 2 并联机床控制系统软件结构
状态显示 主轴 伺服 电机 编译
插入单句程序
超程 联机 状态 仿真
删除单句程序
5 控制系统基本功能模块
[8]
加工
输出程序链表
急停
清空程序链表 ESC
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
3 控制系统硬件平台
控制系统的硬件平台的结构， 如图 1 所示。在系统的硬件平 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 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 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。 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 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 系统分别相连[6]， 位控板为自行设计的转接板， 通过位控板可以方 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 JMACH1 端口， 此端口是控制卡的 ACC-1P 板上的 4 通道控制信 号输出及信号反馈接口和编码器反馈输入接口， 另外还应用了控 制卡中的 JMACH2 端口， 此端口为脉冲加方向信号输出接口。 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 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 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
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、 MDI、 图形 点动、 手轮等功能按钮。 清除、
No.3 Mar.2011
机械设计与制造
161
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。
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 所示理论上并联机床欲雕刻的图形。
R1 0
30 10
60
图 7 待加工零件图形 图 5 圆弧程序仿真界面
并联机床实际走出的曲线轨迹如图 8 所示。由图可知在并 刀具走出了正确的轨迹， 取得了满意的结果。 联机构的驱动下，
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[10]， 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 1 所示， 走刀量表示选中方向移动的距离， 单位是 mm。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
第3期 2011 年 3 月
文Baidu Nhomakorabea编号： 1001-3997 （2011 ） 03-0159-03
机械设计与制造 Machinery Design ＆ Manufacture
159
三自由度并联机床控制系统设计与实现 *
田东兴 1 董 旭 1 李 蕊 2 （1 北华航天工业学院， 廊坊 065000 ） （2 河北工业大学， 天津 300130 ）
工 控 机
多 轴 控 制 卡
位 控 板
驱 动 器 编 码 器
伺 服 电 机
机 床 本 体
限位开关
图 1 三自由度并联控制系统硬件平台结构图
菜单栏
图像输出区
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 Windows 系统， 应用 VC++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[7]。 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情况。
控制系统软件平台
代码编辑区 控制按钮区 代码显示区 坐标系选择区
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 MDI 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 G00 X60.0 Y90.0 。 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。
1 引言
并联机床是近年来学术界研究的热点，伴随着并联机床的 并联机床使将以笛卡尔坐标 控制系统也成为了人们关注的话题。 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 传统数控机床相比， 并联机床有很多优点[1]： 并联机构的执行 件 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 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 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 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
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 件配置下实现空间三方向的运动。本文基于 VC++语言构建了控 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， 取得了满意的结果。
2 控制系统总体框架
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 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、 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 作为主控制机以及 PMAC 作为运动控制器，从而实现了对伺服 系统的多轴联动控制。PMAC 是一种可编程的多轴运动控制卡， 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 。 其功能强大并且可以负责机床三个轴的伺服计算。 整个控制部分
Design and realization of control system for three degrees of freedom parallel machine tool
TIAN Dong-xing1， DONG Xu1， LI Rui2 （1North China Institute of Aerospace Engineering， Langfang 065000， China ） Tianjin 300130， China ） （2Heibei University of Technology， 【摘 要】针对三自由度并联机床运动控制的特点，基于 VC++开发了一个应用于该机床的控制系 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 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。 关键词： 并联机床； VC++； 控制系统 【Abstract】Based on the characteristics of the three degrees of freedom parallel tool machine’ s kine － matics control， according to the VC++， a kinematics control system is developed to apply to parallel machine tool in three degrees of freedom.The system applies multi-axis motion controller as the main part， based on the “industrial control computer and multi-axis controller” ， develops general hardware platform of control system.The testing results show that the system design is reasonable and has the ability to realize the major functions of the machine accurately. Key words： Parallel machine tool； VC++； Control stystem 中图分类号： TH165 文献标识码： A
[3]
＊来稿日期： 2010-05-15 ＊基金项目： 河北省教育厅科研计划项目 （2009403 ）
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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/输出接点与对应的执行 装置相连接， 从而实现了机床主轴起/停、 回零等功能。
[2] 附加值高。常用的控制系统形式有 “工控机+多轴运动控制卡” 。
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 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 系统的下位机[4]。 主控制器与下位机之间采用总线通讯方式， 这样 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 执行本体主要是三自由度并联机床的机械结 电机驱动机床工作。 构。系统的软件平台部分是以 VC++为编程语言开发的， 设计控 制系统时候采用模块化设计思想， 构造了开放式控制系统[5]。
控制系统的用户界面是系统与使用者之间的接口。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 VC++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 。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 PComm32， 将动态链接库相应的 DLL 文件拷到 C:\winnt\system32 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 myRuntime.h 中， 将此文件导入并包含入应用 程序， 就可以连接函数[9]。设置好通讯管理模块后， 用户可以通过
运 动 变 换 模
程 序 编 辑
通 讯 模 块
插 补 模 块
译 码 模 块
仿 真 模 块
执 行 模 块
联 动 控 制 模
程序输 入 坐标显示 X： Y： Z：
轨 迹 监 控
图 2 并联机床控制系统软件结构
状态显示 主轴 伺服 电机 编译
插入单句程序
超程 联机 状态 仿真
删除单句程序
5 控制系统基本功能模块
[8]
加工
输出程序链表
急停
清空程序链表 ESC
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
3 控制系统硬件平台
控制系统的硬件平台的结构， 如图 1 所示。在系统的硬件平 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 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 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。 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 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 系统分别相连[6]， 位控板为自行设计的转接板， 通过位控板可以方 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 JMACH1 端口， 此端口是控制卡的 ACC-1P 板上的 4 通道控制信 号输出及信号反馈接口和编码器反馈输入接口， 另外还应用了控 制卡中的 JMACH2 端口， 此端口为脉冲加方向信号输出接口。 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 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 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
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、 MDI、 图形 点动、 手轮等功能按钮。 清除、
No.3 Mar.2011
机械设计与制造
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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。
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 所示理论上并联机床欲雕刻的图形。
R1 0
30 10
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图 7 待加工零件图形 图 5 圆弧程序仿真界面
并联机床实际走出的曲线轨迹如图 8 所示。由图可知在并 刀具走出了正确的轨迹， 取得了满意的结果。 联机构的驱动下，
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[10]， 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 1 所示， 走刀量表示选中方向移动的距离， 单位是 mm。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
第3期 2011 年 3 月
文Baidu Nhomakorabea编号： 1001-3997 （2011 ） 03-0159-03
机械设计与制造 Machinery Design ＆ Manufacture
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三自由度并联机床控制系统设计与实现 *
田东兴 1 董 旭 1 李 蕊 2 （1 北华航天工业学院， 廊坊 065000 ） （2 河北工业大学， 天津 300130 ）
工 控 机
多 轴 控 制 卡
位 控 板
驱 动 器 编 码 器
伺 服 电 机
机 床 本 体
限位开关
图 1 三自由度并联控制系统硬件平台结构图
菜单栏
图像输出区
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 Windows 系统， 应用 VC++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[7]。 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情况。
控制系统软件平台
代码编辑区 控制按钮区 代码显示区 坐标系选择区
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 MDI 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 G00 X60.0 Y90.0 。 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。
1 引言
并联机床是近年来学术界研究的热点，伴随着并联机床的 并联机床使将以笛卡尔坐标 控制系统也成为了人们关注的话题。 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 传统数控机床相比， 并联机床有很多优点[1]： 并联机构的执行 件 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 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 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 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
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 件配置下实现空间三方向的运动。本文基于 VC++语言构建了控 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， 取得了满意的结果。
2 控制系统总体框架
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 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、 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 作为主控制机以及 PMAC 作为运动控制器，从而实现了对伺服 系统的多轴联动控制。PMAC 是一种可编程的多轴运动控制卡， 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 。 其功能强大并且可以负责机床三个轴的伺服计算。 整个控制部分
Design and realization of control system for three degrees of freedom parallel machine tool
TIAN Dong-xing1， DONG Xu1， LI Rui2 （1North China Institute of Aerospace Engineering， Langfang 065000， China ） Tianjin 300130， China ） （2Heibei University of Technology， 【摘 要】针对三自由度并联机床运动控制的特点，基于 VC++开发了一个应用于该机床的控制系 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 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。 关键词： 并联机床； VC++； 控制系统 【Abstract】Based on the characteristics of the three degrees of freedom parallel tool machine’ s kine － matics control， according to the VC++， a kinematics control system is developed to apply to parallel machine tool in three degrees of freedom.The system applies multi-axis motion controller as the main part， based on the “industrial control computer and multi-axis controller” ， develops general hardware platform of control system.The testing results show that the system design is reasonable and has the ability to realize the major functions of the machine accurately. Key words： Parallel machine tool； VC++； Control stystem 中图分类号： TH165 文献标识码： A
[3]
＊来稿日期： 2010-05-15 ＊基金项目： 河北省教育厅科研计划项目 （2009403 ）
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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/输出接点与对应的执行 装置相连接， 从而实现了机床主轴起/停、 回零等功能。
[2] 附加值高。常用的控制系统形式有 “工控机+多轴运动控制卡” 。
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 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 系统的下位机[4]。 主控制器与下位机之间采用总线通讯方式， 这样 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 执行本体主要是三自由度并联机床的机械结 电机驱动机床工作。 构。系统的软件平台部分是以 VC++为编程语言开发的， 设计控 制系统时候采用模块化设计思想， 构造了开放式控制系统[5]。
控制系统的用户界面是系统与使用者之间的接口。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 VC++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 。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 PComm32， 将动态链接库相应的 DLL 文件拷到 C:\winnt\system32 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 myRuntime.h 中， 将此文件导入并包含入应用 程序， 就可以连接函数[9]。设置好通讯管理模块后， 用户可以通过