2 三桿虛擬軸機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)

1. 數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)
   控制系統(tǒng)(圖2)以美國Delta Tau公司的基于PC的多軸運(yùn)動(dòng)控制器PMAC為核心，采用松下數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)，構(gòu)成一個(gè)開放式數(shù)控系統(tǒng)。利用PMAC的運(yùn)動(dòng)控制功能，將6套交流伺服系統(tǒng)與PMAC的6個(gè)通道分別相連，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號的輸出及光電編碼器反饋信號的采集，以控制各軸的運(yùn)動(dòng)。通過PMAC卡I/O接口來實(shí)現(xiàn)PLC功能，如檢測行程限位、機(jī)床回零等信號，控制機(jī)床的冷卻、換刀等功能。此外，利用其PLC功能進(jìn)行面板操作，控制程序運(yùn)行和手動(dòng)調(diào)整機(jī)床。
   
   PMAC必須與PC機(jī)通訊才能完成機(jī)床的控制任務(wù)。通過PC機(jī)的外設(shè)可實(shí)現(xiàn)程序的輸入、編輯，參數(shù)的設(shè)置，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示及軟件仿真等功能。利用PC機(jī)的通訊口還可使虛擬軸機(jī)床成為柔性生產(chǎn)線上的一個(gè)制造單元。
   圖2 三桿虛擬軸機(jī)床控制系統(tǒng)總圖
   圖3 虛擬軸機(jī)床數(shù)控軟件流程圖
   雙端口RAM(DPRAM)用于解決主控制處理器與PMAC的通訊瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)PMAC與主控制處理器之間的高速重復(fù)不需握手的數(shù)據(jù)通信。
2. 控制系統(tǒng)工作原理及軟件設(shè)計(jì)
   1. 工作原理及流程圖　本虛擬軸機(jī)床以兼容普通加工中心的加工能力為主要目標(biāo)之一，因而在數(shù)控加工程序編制上遵循使用傳統(tǒng)的NC代碼指令，以便于編程和程序的移植與交流。然而由于機(jī)床結(jié)構(gòu)的根本不同使得與傳統(tǒng)機(jī)床直接控制X、Y、Z軸不同，在三桿虛擬軸機(jī)床上不能從NC代碼直接到伺服控制，要實(shí)現(xiàn)一定刀具位姿，必須轉(zhuǎn)換為控制空間時(shí)刻變動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副的長度或轉(zhuǎn)角，這里面就必須包含NC代碼格式變換、插補(bǔ)、坐標(biāo)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)變換等。這些就構(gòu)成了虛擬軸機(jī)床數(shù)控軟件不同于傳統(tǒng)機(jī)床的虛擬軸模塊。軟件流程圖見圖3。
   2. 造型及NC代碼生成　本系統(tǒng)充分發(fā)揮了PC機(jī)軟件資源豐富的優(yōu)勢，吸收了現(xiàn)有CAD/CAM技術(shù)的成果，造型及NC代碼生成采用了國產(chǎn)優(yōu)秀軟件ME(制造工程師)。它是一個(gè)性能價(jià)格比較高的CAD/CAM軟件。ME界面非常友好，具有豐富的曲線、曲面造型功能，可對三維模型進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、渲染等，可對加工過程進(jìn)行手動(dòng)、連續(xù)及真實(shí)感仿真。它還具有IGES及DXF等接口?？砂炊喾N加工方法，進(jìn)行不同的后置處理以生成NC代碼。這為在虛擬軸機(jī)床上實(shí)現(xiàn)CAD/CAM一體化奠定了基礎(chǔ)。
   3. NC代碼格式變換　PMAC允許執(zhí)行機(jī)床類型的RS-274(NC代碼)程序，PMAC把G、M、T和H代碼作為子程序來調(diào)用。對于由造型軟件生成的NC代碼中因指令續(xù)效功能而出現(xiàn)的省去代碼標(biāo)志的X...Y...Z...等程序段，由于虛擬軸機(jī)床控制的軸不是X、Y、Z三方向運(yùn)動(dòng)軸，而是空間時(shí)刻變動(dòng)的軸，它不能執(zhí)行這類程序段。為了使PMAC可以識(shí)別這些程序段并進(jìn)而調(diào)用相應(yīng)子程序執(zhí)行，必須對NC代碼進(jìn)行格式變換，增加所有因續(xù)效省去的代碼標(biāo)志。#p#分頁標(biāo)題#e#
   4. 插補(bǔ)　直線和圓弧插補(bǔ)都采用了時(shí)間分割法。其中在圓弧插補(bǔ)的算法上采用了一種基于坐標(biāo)變換的新方法，即根據(jù)圓弧相對其圓心的位置，將圓弧分為上半平面型圓弧、下半平面型圓弧及復(fù)合型圓弧三種，對不同種類的圓弧建立不同形式的輔助坐標(biāo)系，通過坐標(biāo)變換將原坐標(biāo)系中圓弧插補(bǔ)轉(zhuǎn)換為輔助坐標(biāo)系中圓弧插補(bǔ)，利用輔助坐標(biāo)系的不同設(shè)置及改變步長的正負(fù)號解決各種圓弧的插補(bǔ)問題。算法簡捷、實(shí)用。
   5. 坐標(biāo)變換與運(yùn)動(dòng)學(xué)變換　插補(bǔ)模塊將上述NC代碼數(shù)據(jù)進(jìn)行離散，得到造型坐標(biāo)系中刀尖坐標(biāo)數(shù)據(jù)[x_iy_i z_i]^T(i=1,2,…)。通過插補(bǔ)得到的數(shù)據(jù)僅是在造型坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，為了控制虛擬軸機(jī)床，必須進(jìn)行坐標(biāo)變換，以得到機(jī)床坐標(biāo)系O-XYZ中的坐標(biāo)[X_iY_i Z_i]^T(i=1,2,…)為
        (1)式中[x₀ y₀ z₀]^T為造型坐標(biāo)系o-xyz的坐標(biāo)原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系O-XYZ中的坐標(biāo)。
      虛擬軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解是控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。通過本虛擬軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解方程(2)得到的[l_1il_2i l_3i]^T(i=1,2,…)便是控制虛擬軸機(jī)床所需的桿的長度。
        (2)式中w為固定平臺(tái)與活動(dòng)平臺(tái)邊長之差，hh為刀尖到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中心的距離。
   6. 用戶界面設(shè)計(jì)　友好的用戶界面是實(shí)現(xiàn)虛擬軸機(jī)床工業(yè)運(yùn)行不可忽視的重要因素。由于操作者已習(xí)慣傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床操作面板及相關(guān)術(shù)語和指令系統(tǒng)，故基于方便終端用戶使用的考慮，在開發(fā)虛擬軸機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)用戶界面時(shí)，必須將其在工作原理方面的特點(diǎn)隱藏在系統(tǒng)內(nèi)部，而使提供給用戶或需要用戶處理的信息盡可能與傳統(tǒng)機(jī)床一致。這些信息通常包括操作面板的顯示、數(shù)據(jù)程序代碼和坐標(biāo)定義等。PMAC附帶的PTALK軟件能實(shí)現(xiàn)和PMAC運(yùn)動(dòng)控制器通訊的功能。利用Visual Basic在自己開發(fā)應(yīng)用軟件中嵌入PTALK與PMAC運(yùn)動(dòng)控制器通訊的功能，可以制作出友好的用戶界面。所制作的用戶界面包括手工編程處理模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、機(jī)床手動(dòng)調(diào)整模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊以及其它輔助功能模塊。

3 結(jié)束語