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基于PC的虚拟轴机床数控系统

基于PC的虚拟轴机床数控系统 2011年12月09日 来源： 1 前言在芝加哥IMTS'94国际展览会上，美国Gidding & Lewis公司以及英国Geodetic公司展出了基于Stewart平台的机床，这种机床通过改变驱动杆长度来改变带有刀具的活动平台的位姿，不用任何导轨与滑板，因而被称为虚拟轴机床。它具有高精度、高刚度、高速度等优良性能，被誉为本世纪机床结构的最大变革。国内外很多单位都在进行此种新型机床的开发。但由于此种机床数控系统兼有数控机床与机器人的特点，使得其数控系统尚处于完善当中。Giddign & Lewis公司采用了CNC 8000H控制系统，虽然性能不错，但由于是专用系统，其开放性差，不利于进一步开发、扩展和更新维护。人们需要更通用的数控系统。 当前，随着微电子技术、计算机技术的发展，PC机发展迅速，价格不断下降，软件资源越来越丰富，开发基于PC的数控系统已成为发展潮流。美国Ormec Systems公司仅花两年多时间便成功地开发出基于IBM-PC的能为14轴提供运动控制的产品Orion，便是最有说服力的例子。 东北大学为自行研制的三杆三自由度虚拟轴机床试验样机(已通过“863”专家组验收及省级技术鉴定，见图1)开发设计了一套基于PC的数控系统。该系统集CAD、CAM于一体，充分吸收了传统CAD/CAM技术的成果。其分级控制充分发挥了主控制处理器与伺服控制器各自的优势。模块化设计，便于扩展，界面中文，操作方便。机床本体已申请专利，所有软件都是国产软件，这为具有完全自主产权的虚拟轴机床的国产化创造了条件。 图1 三杆三自由度虚拟轴机床示意图 2 虚拟轴机床数控系统 控制原理 硬件 软件 如图1所示，机床通过三驱动杆的伸缩，使活动平台带动刀具在空间实现三自由度平移及期望的轨迹运动，以满足加工的工艺要求。 本机床采用连续轨迹控制。三杆伸缩速度vl与机床活动平台速度vp的关系为： vl＝J－1vp (1) 式中J－1为机床雅可比矩阵的逆矩阵： 式中 若在单位时间内，活动平台位置微小变动为、驱动杆长度微小变化为，驱动三杆的电机的转角增量为、转角与杆直线位移间的比值为k，则有 (2) 据此可设计本机床数控系统。 本虚拟轴机床数控系统见图2。 图2 虚拟轴机床控制系统图 本机床采用多CPU两级控制。Intel 80486作主控制处理器，完成轨迹规划、坐标变换、界面管理以及开关量I/O管理等。其中开关量I/O包括驱动杆上下极限开关、控制电源及电机电源与程序之间的安全连锁信号等。这些信号全部经过光电隔离以提高安全性及抗干扰性。用运动控制器LM628作从属CPU，完成实时性很强的各轴的运动伺服控制。这种采用轴控制器的方式有利于实现系统的模块化。从式(1)、(2)可以看出，本虚拟轴机床运动学方程简单、雅可比矩阵及其逆矩阵为显式，计算量小，为实时控制提供了条件。采用80486完全可以满足10ms控制周期的要求。 本系统主要硬件基于PC机ISA总线，因此在ISA总线上增加新的元件可以很容易地实现功能扩展。 每个轴处理器与D/A、放大器和反馈元件构成半闭环伺服控制单元(见图3)。反馈元件是与电机同轴安装的增量式光电编码器和测速发电机。其中速度环用模拟PI调节器，采用测速机反馈，该反馈回路增大了系统阻尼，减小了静态误差，改善了系统动态特性。 图3 伺服控制单元 主控制处理器将各杆理论长度换算为伺服电机应转过的理论角度值(脉冲数)，并将此数值传给轴控制器。轴控制器对光电编码器传回的脉冲进行鉴相、四倍频处理和计数，得到伺服电机转过的实际角度值。处理器对计数器作周期性采样，把采样值与理论值作比较，根据所得的差值进行PID控制策略的计算，经过一定的增益变换后输出到D/A，将其转换成模拟信号，经功率放大，再输出到伺服电机进行控制。LM628芯片构成一个数字PID控制器。 虚拟轴机床数控系统兼具传统数控机床与机器人的特点，这个特点主要体现在数控软件上(见图4)。 图4 虚拟轴机床数控软件流程图 本系统充分发挥了PC机软件资源丰富的优势，吸收了现有CAD/CAM技术的成果，用国产优秀软件ME(制造工程师)完成曲面造型及G代码生成。ME界面非常友好，具有丰富的曲线和曲面造型功能，可对三维模型进行放大、缩小、旋转、渲染等。可按多种加工方法生成G代码。可对加工过程进行手动、连续及真实感仿真。它还具有IGES及DXF等接口。 译码、坐标变换及运动学变换三部分是自行开发的虚拟轴机床数控软件的特有模块。它将G代码转换为控制虚拟轴机床三驱动杆电机的数据，解决了现有CAD/CAM软件与虚拟轴机床的接口问题。其中译码程序如图5所示。 图5 G代码译码程序 坐标变换模块是将译码后得到的模具造型坐标系O-XYZ中的轨迹坐标转换成虚拟轴机床坐标系O-XYZ中的坐标。运动学变换模块是将机床坐标系O-XYZ中的坐标转换成电机转角。伺服控制模块包括中断处理模块和PID控制模块。前者处理反馈的脉冲信息，后者进行PID控制。 虚拟轴模块全部用C语言编写，模块化设计，可扩充性好。 3 结论 三杆三自由度虚拟轴机床试验样机的数控系统采用了基于PC的软硬件，缩短了开发周期，降低了成本。它解决了现有的CAD/CAM软件与虚拟轴机床的接口问题，系统模块化好，可进行二次开发和扩充。另外，机床本体已申请专利，软件全为国产，为生产具有完全自主产权的虚拟轴机床提供了条件。

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