1　前言

　　DSX5-70型三桿虛擬軸機(jī)床(圖1)，由三桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)及兩自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)組成。兩自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)置于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上。通過三桿伸縮(l1、l2、l3)及兩驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)(θ1、θ2)來改變刀具的位置和姿態(tài)(以o3代表刀心、o2o3代表刀具軸線)，可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，完成多種作業(yè)任務(wù)。本文介紹為它開發(fā)設(shè)計(jì)的一套基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)。整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)軟件模塊化設(shè)計(jì)，面向用戶，方便操作，具有良好的可擴(kuò)展性及可維護(hù)性。

圖1　三桿五自由度虛擬軸機(jī)床示意圖

2　三桿虛擬軸機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)

2.1　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(hào)的輸出及光電編碼器反饋信號(hào)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(cè)行程限位、機(jī)床回零等信號(hào)，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

　　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。
2.2　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。

圖3　虛擬軸機(jī)床數(shù)控軟件流程圖

　　(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(shì)，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(duì)三維模型進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、渲染等，可對(duì)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(duì)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(duì)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。
　　(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［5］，即根據(jù)圓弧相對(duì)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(duì)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(hào)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)［xi yi zi］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)［Xi Yi Zi］T(i=1,2,…)為

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［l1i l2i l3i］T(i=1,2,…)便是控制虛擬軸機(jī)床所需的桿的長度。

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

　　通過開發(fā)設(shè)計(jì)一套基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)，在DSX5-70三桿虛擬軸機(jī)床上利用傳統(tǒng)CAD/CAM技術(shù)優(yōu)秀成果，實(shí)現(xiàn)了三桿虛擬軸機(jī)床CAD/CAM的一體化，對(duì)三桿虛擬軸機(jī)床的應(yīng)用推廣具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)軟件模塊化設(shè)計(jì)，便于擴(kuò)展，界面友好，操作方便