1 导言
并联运动机床(Parallel Kinematics Machine Tool，PKM)，简称并联机床(Parallel MachineT001)，也称虚拟轴机床，它以空间并联组织为根底，充分使用核算机数字操控的潜力，以软件替代部分硬件，以电气设备和电子器件替代部分机械传动，使将近两个世纪以来以笛卡儿坐标直线移动为根底的机床结构和运动学原理发生了根本变化。混联型并联运动机床(HybridPKM)，简称混联机床，归于并联运动机床概念领域。混联结构包含串并联型、并串联型和杂乱混联型，由少自在度纯并联组织再串联其它运动方向的驱动组织构成。混联运动机床混合了并联组织和串联组织，并兼具两者的特色。混联运动机床在很大程度上处理了纯并联机床在加工范围上的约束，使并联组织的使用更具灵活性和实用性。各种不同的串联并联结合，为并联运动机床带来了很大的开展空间。
并联机床与传统机床在运动传递原理上有着实质的差异，而且结构和装备呈多样化办法，很难有一种操控体系合适一切并联机床的要求，因而需求机床开发者自行装备操控硬件和软件，并要求并联机床的操控体系有必要是敞开结构，以进步体系适用性。现在，比较实践的完结敞开式数控体系的途径是PC+多轴操控器。这种结构中，PC机处理非实时部分，实时操控部分由多轴操控器来承当，构成多级分布式操控形式。这样架构出来的数控体系既具有前端PC机的柔性，又具有专用CNC体系的稳定性和可靠性。现在在国内市场上，功用价格比较高的当属PMAC敞开式操控体系。因为PMAC运动操控器优异的轨道盯梢才能和敞开特性，在许多高功用的数控体系和研讨项目中选用它构建敞开式操控体系。TurboPMAC多轴运动操控器是PAMC系列的晋级版别，坚持了PMAC的优秀功用，其特有的多种敞开特性，更合适于构建杂乱的敞开式数控体系。
北京理工大学在“985”项目的支撑下，研发成功了3PRS-XY混联型并联机床样机，作者结合该机床的研发，规划了依据“PC+TurboPMAC”形式的敞开式数控体系。
2 混联机床结构
新式3PRS-XY型混联机床为五轴联动加工机床，什物如图1所示，由并联组织和串联组织两部分构成。上半部分为一个3自在度的3-PRS型并联组织，包含固定途径和动途径，固定途径和动途径之间经过三个定长杆件联接，每一杆件链包含移动副(P)、滚动副(R)和球面副(S)。三个移动副水平120°均匀分布在固定途径的立柱上，并由直线电机驱动。该组织的动途径具有一个平动自在度(Z轴)和两个旋转自在度(A、B轴)。下半部分为X-Y作业台，具有两个平动自在度(X、Y轴)。
图1 3PRS-XY混联机床
3 数控体系硬件构成
操控体系选用“PC+运动操控器”的敞开形式，如图2所示。
图2 数控体系硬件构成
PC机选用研华AWS-2848VTP一体化作业站，运动操控器为美国DeltaTau公司的TurboPMAC多轴运动操控卡。操控体系包含五套伺服驱动体系，别离用于并联组织的三组直线电机驱动和串联组织的两组沟通伺服电机驱动。选用光栅尺进行方位检测。经过TurboPMAC的五个伺服操控通道，完结五组伺服体系的闭环操控。使用TurboPMAC的第六个伺服通道操控主轴电机变频器完结主轴调速，以支撑数控代码中的主轴速度指令。I/O板连接到Turbo PMAC上，经过内置的PLC功用操控机器的辅佐功用设备、主轴启停、检测机床限位、驱动指示设备和报警设备、检测操控面板输入指令信号等。
操控体系的特色是，以PC总线工业操控核算机为操控中心，以PMAC多轴操控卡为运动操控模块，构成以PC机为上位机、TurboPMAC多轴操控卡为下位机的分布式操控。
4 数控体系作业原理
图3为数控体系的作业流程，次序由PC、TurboPMAC和伺服驱动体系三部分完结整个数控进程。该操控流程在组成结构上与现在依据“PC+PMAC”并联机床数控体系的研讨成果比较，最大特色便是将粗插补和逆运动学改换嵌入到TurboPMAC中，使3PRS-XY混联机床数控体系实时操控功用明显进步。
图3 数控体系作业流程
并联机床操控是并联机床研讨的关键技术，也是难点，比传统机床的操控更为杂乱。传统机床的每一个自在。度均有一套专用的伺服驱动体系，每个自在度的运动是独立的。并联机床的自在度是耦合的，刀具在操作空间的运动是关节空间伺服运动的非线性映射。刀尖轨道规划和编程在虚轴上进行，一般依据笛卡儿坐标，而实践驱动轴在并联杆系的节点上，是依据关节坐标的，它们之间的运动对错线性关系。因而，有必要经过组织的逆运动学进行改换，将虚轴的规划量转换为实轴的操控量，该进程又称为真假映射。因为真假改换具有很强的非线性，为确保精度，在实施运动学改换前，还有必要首要对规划轨道(包含直线段)进行数据点密化，即在笛卡儿坐标空间中进行粗插补。经过粗插补处理，能够有效地削减因为非线性映射形成的原理性差错。选用极小的采样周期进行粗插补，所发生的此类差错乃至可忽略不计，但插补所发生的很多的数据需求传送到运动操控器中，因为通讯速率的约束而导致在线实时操控功用难以完结。本体系充分使用了TurboPMAC供给的运动学核算功用，将逆运动学核算程序下载到TurboPMAC中，而且由Turbo PMAC来完结粗插补处理，极大地降低了PC与TurboPMAC之间的数据传输量，进步了数控体系的实时功用。粗插补选用了时刻切割算法，经过TurboPMAC供给的段细分功用完结，并经过特定的I变量设定粗插补周期。精插补选用TurboPMAC内置的样条插补功用，以此来供给伺服操控所需的方位指令数据。
操控体系的这种规划办法，使数控加工程序的运转进程不再依赖于上位机操作体系的实时功用，彻底经过TurboPMAC本身完结混联组织的运动操控。一起可直接使用TurboPMAC供给的C代码调用功用和刀具半径补偿功用，降低了体系的开发周期，进步整个数控体系的实时操控功用。
5 数控体系软件规划
数控体系软件依据Windows操作体系途径，用Borland的C++Builder6.0开发。软件体系选用多使命调度形式开发，依据预订的调度战略调整各功用事情的运转状况。图4所示，整个使命体系包含两大模块：体系办理和机床接口。因为运动学程序已嵌入到TurboPMAC中，数控体系软件不再对运动学改换和插补进行使命分配。
图4 操控体系软件模块
体系办理模块首要完结数控程序的预处理和人机信息交互，其间：参数设置模块用于设置刀具参数设置和机床结构参数;文件办理模块用于载人、存储或修改NC加工代码程序;主动操作(Auto)模块完结数控程序的主动下载和运转操控;手动操作(MDA)模块可手动输入单条数控指令，直接操控机床单步运动;点动操作(Jog)模块操控机床各虚拟轴的点动运转，进行刀具方位调整和工件坐标系的确认;仿真模块依据加工程序进行组织的运动学仿真，校验作业空间和运动干与;轨道盯梢模块实时显现电机运动轨道和虚轴刀尖轨道;机床状况模块显现刀尖坐标值、主轴转速、进给速度、操作状况和毛病状况等信息;差错补偿模块动态加载差错补偿规矩、算法和数据，批改运动操控量，减小加工差错。差错补偿数据可经过专用仪器查看刀尖方位取得，也可来源于加工进程中的差错丈量核算。
机床接口模块负责处理与TurboPMAC有关的使命，其间：通讯模块用于树立PC与Turbo PMAC之间的数据通讯途径;卡设置模块完结TurboPMAC的初始参数装备;实时监控模块用于完结数控程序和数控指令的下载，并实时查看TurboPMAC数据区状况和伺服体系运转状况，将查看数据传送到轨道显现模块和机床状况显现模块，完结刀具轨道、伺服轴运动轨道、操控状况和毛病报警的实时显现。
6 结束语
本文规划了依据“PC+TurboPMAC”架构的敞开式数控体系，直接选用规范C代码NC程序操控零件加工，对用户屏蔽了机床并联结构的运动操控杂乱性。对运动学核算和粗插补功用选用了下载嵌入办法，减轻了主机运转和数据通讯负荷，进步了操控的实时功用和主机的办理功用。软件体系充分使用了Windows途径的资源优势，选用面向对象的规划办法树立友爱的用户操作界面和使命调度体系，使整个体系模块化程度高、可操作性好且功用便于扩展。本文所规划和研发的数控体系已成功使用于北京理工大学3PRS-XY混联机床样机的操控中。
