并联机床数控系统软件设计

并联机床数控系统软件设计

倪雁冰，杨亚威，王　辉，孔德庆

（天津大学　机械工程学院，天津　３０００７２）

Development of CNC system software of a tripod-based parallel machine tool

NI Yan-bing ,Y ANG Ya-wei ,WANG Hui KONG De-qing

Abstract: Based on the architectural characteristics of the parallel machine tool under consideration,

the open architecture technique is used in the CNC system development with IPC+PMAC and Windows 98 as the hardware and software platforms. The system software is developed by using modular concept.

Key words : parallel machine tool; open architecture; CNC system; software

摘　要：结合3-HSS 并联机床结构特点，确定了采用以“PC+适配器”为硬件平台，以Windows

操作系统为软件平台建造样机的开放式数控系统的总体方案，并介绍了数控系统控制结构和系统软件各模块的设计。关键词：并联机床；开放式结构；C N C 系统；软件中图分类号：　ＴＧ６５９；　ＴＰ２４２ 文献标识码：Ａ文章编号：１００９－０１３４（２００２）０８－００１０－０４

(Tianjin University, Tianjin 300072, China)

收稿日期：　2002-02-23

基金项目：天津市科委科技发展项目（003101411）

作者简介：倪雁冰（１９６４—），男，工学博士，天津大学机械工程学院副教授，主要从事计算机辅助制造和

并联机床数控技术研究和教学工作。

０ 前言

２０世纪９０年代问世的并联机床（Ｐａｒａｌｌｅｌ　Ｍａ－ｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌ），它是将并联机构作为进给传动机构的数控机床，具有高刚度、高精度、高速度、高柔性、轻重量、低成本等诸多优点，面向多品种、小批量、灵活多变的生产环境，因此开发我国自己的并联机床产品对于振兴我国的制造装备工业具有重要意义，其中数控系统开发是其重要一个领域，本文介绍了系统软件设计方法。

１ 机床运动的控制模型

图１为机床等效机构示意图，　３－ＨＳＳ并联机床（在此，Ｈ─螺旋副，Ｓ─球面副）的主进给机构采用三自由度并联机构，由动平台和３对立柱─滑鞍─支链组成；每条支链中含３根平行定长杆件，各

杆件一端与滑鞍，另一端与动平台用球铰（或虎克铰）连接，滑鞍由伺服电机和滚珠丝杠螺母副驱动，沿安装在立柱上的滚动导轨作上下移动，进而使动平台仅提供沿笛卡儿系３个方向的平动。

图１ ３－ＨＳＳ等效机构示意图

在进行刀具运动控制时，需要事先将给定的刀具位置和速度信息变换为伺服系统的控制指令，并驱动并联机构实现刀具的期望运动，为此需要建立并联机构的位置逆解模型。考虑到平行四边形支链中各杆运动规律等同，故可在运动学分析时可将原机构简化为如图１所示的等效机构。在工作台台面和动平台上端球铰所在平面形心处分别建立固定参考系O -xyz 和连体参考系O -x’y’z’，则根据机构装配模式可导出滑鞍位置坐标与动平台参考点位置坐标之间关系为

（１）式中

，为点Ａｉ和Ｂｉ在系O -xyz 和O -x’y’z’的位置矢量；ｒａ，ｒｂ为动、静平台半径；βｉ为点Ａｉ和Ｂｉ在O -xyz 和O -x’y’z’下位置角，且有 Ｌ为支链杆长；ｑｉ为滑鞍ｉ相对丝杠参考点Ｂｉ的位移。

可以看出并联机床与传统机床的本质区别在于，刀具在操作空间的运动是关节空间线性伺服运动的非线性映射，由于目前数控系统轨迹控制算法是针对笛卡儿坐标系开发的，不能直接用于并联机床伺服驱动的运动控制。并联机床轨迹控制器必须根据上式中的运动学关系开发。

２ 并联机床控制方案

图２为３－ＨＳＳ并联机床数控系统总体结构体系。为了延长数控产品的生命周期，降低开发成本，同时保证用户能以模块为单位进行升级，设计系统时着重考虑了开放式数控系统的可拓扑性。

３－ＨＳＳ并联机床采用“ＰＣ＋适配器”结构形

式建造数控系统的硬件平台，其中以工业ＰＣ为主控计算机，组件采用商用标准化模块，总线采用ＰＣ总线形式；以多轴运动轴控制器ＰＭＡＣ板为系统从机，进而构成主从式结构体系。采用这种体系结构，可充分利用ＰＣ机的系统软件和数据处理能力，并采用模块化、层次化的思想开发控制软件和系统管理软件，进而通过统一的应用程序接口，使得系统软件具有良好的可移植性、可扩展性、互操作性。此外，由于ＣＮＣ系统是强实时控制系统，要求实时完成伺服更新、插补、任务管理、主从计算机通讯、机床显示和插补预处理等任务，因此在Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下开发具有多任务实时调度功能的ＣＮＣ系统软件构成并联机床数控系统开发的核心内容。

并联机床轨迹控制较传统数控机床复杂，其数控系统对硬件性能要求相应也较高，而硬件的模块化设计，也使得软件开发要求和成本提高。

３ 数控系统数据流程

并联机床数控系统数据流见图３，它是一个两级计算机控制系统。主计算机负责整个系统的管理、加工程序读入、状态信息处理、位置与速度计算、粗插补和实时通讯等工作。ＰＭＡＣ板负责完成伺服更新、位置反馈、精插补及开关量ＰＬＣ控制等任务。

３．１ 译码解释

读入零件数控加工程序（标准Ｇ代码），进行译码和预处理，转化为系统内部刀位文件格式，并可通过屏幕编辑在线修改加工程序和机床参数。３．２　粗插补与速度过渡

按照ＰＡＭＣ

板提供的插补周期，对经预处理