1 引言

　　目前,比較現實的實現開放式數控系統的途徑是PC +多軸控制器,在這種結構中, PC機處理非實時部分,實時控制部分由多軸控制器來承擔,形成多級分布式控制模式。這樣架構出來的數控系統既具有前端PC機的柔性,又具有專用CNC系統的穩定性和可靠性。在國內市場上, 性能價格比較高的當屬基于PMAC ( Programable Multi2axes Controller)多軸運動控制器的開放式控制系統。由于PMAC多軸運動控制器優異的軌跡跟蹤能力和精度,在很多高性能的數控系統和研究項目中選用它構建開放式控制系統。

　　Turbo PMAC多軸運動控制器是PAMC系列的升級版本,保持了PMAC的優良性能,其特有的開放的運動學計算特性,更適合于構建面向復雜運動的開放式數控系統,如并聯機床和機器人數控系統。

2 Turbo PMAC的性能和開放特性

　　Turbo PMAC是美國Delta Tau公司在PMAC的基礎上推出的基于工業PC和W indows操作系統的開放式多軸運動控制器,采用了更高速度的DSP56300 系列數字信號處理器,提供全新的高性能技術和Win2dows平臺, 滿足用戶在運動控制各個領域的需要。Turbo PMAC可同時控制1～32個軸,實現多軸聯動控制。Turbo PMAC既可單獨執行存儲于控制器內部的程序,也可執行運動程序和PLC程序。它可以自動對任務優先級進行判別,從而進行實時多任務處理。在硬件結構上,只需通過適當的參數設置和使用不同的接口卡, Turbo PMAC便能與各種伺服系統匹配,可以方便地連接各種模擬或數字伺服驅動器。Turbo PMAC與PC機的通訊有三種方式:串行、總線和雙端口RAM方式,可以按照實際硬件條件和需要選擇最適合的方式。Turbo PMAC可以在PC XT/AT、VME、STD 總線上運行,由此提供了多平臺的支持特性,同時也使同一控制軟件可以在不同的硬件平臺上運行,這種特性體現了Turbo PMAC 在硬件結構上的開放性。

　　在軟件結構上, Turbo PMAC提供了Windows平臺下的驅動程序,支持VC + +、VB、Delphi、C + +Builder等編程語言環境,實現W indows環境下的人機界面設計。此外, Turbo PMAC也支持DOS環境下控制程序的開發,由此可對Turbo PMAC進行高實時性控制,為開發高性能的嵌入式數控系統提供了條件。TurboPMAC對多種程序設計語言和多種操作系統平臺的支持,體現了Turbo PMAC對開發環境的開放性。Turbo PMAC提供了強大的運動控制功能,如直線插補、圓弧插補、樣條曲線插補等模式,用戶也可以通過這些基本模式定制出自己合適的運動模式。TurboPMAC支持數控G代碼和M代碼指令控制,支持刀具補償功能,可方便地開發機床數控系統。Turbo PMAC采用了帶陷波濾波器的P ID算法進行電動機的伺服控制,能有效地克服電動機運行中的機械振動,該伺服環引入了速度和加速度前饋,進一步提高了伺服控制中的軌跡跟蹤精度和加速性能。Turbo PMAC內含了邏輯功能強大的可編程控制器( PLC) ,可以和運動控制程序密切配合實現外部設備的開關量( I/O)控制。

　　同PMAC系列多軸運動控制器相比, Turbo PMAC除運算速度和內存增加外,還增加了新控制特性,主要有:先進的加速超前預測,內建的正向運動學和逆向運動學計算能力,三維刀具半徑補償功能,在線改變運動目標,多端口連續通訊,為每個電動機制定正弦轉換表,可單獨選擇電動機的P ID伺服控制算法或使用外部定義的算法,大大增加了同步M變量緩沖區,為每個坐標系設置兩個伺服速率定時器,運動軌跡反求能力。其中,正向/逆向運動學計算功能和伺服控制算法定義功能,體現了Turbo PMAC運動平臺在面向用戶的開放性方面向前跨了一大步,使用戶能靈活地在該平臺上配置自己的運動算法,快速開發復雜數控系統的應用產品。

3 Turbo PMAC開放的運動學計算特性

　　對于面向復雜運動的控制系統,如并聯機床控制和多軸機器人控制,盡管PMAC仍然可以作為一個優秀的控制平臺,但主要是利用了PMAC的伺服控制功能和多軸聯動控制功能,而那些高性能的輔助功能很難直接使用,較典型的就是G代碼和刀具補償等功能,這就增加了產品的開發難度。在基于Windows平臺上的應用,甚至會造成在線實時控制失敗,究其原因,主要是因為PMAC的輔助功能是以笛卡爾坐標為基礎,而并聯機床和機器人的實際控制軸一般不是笛卡爾幾何形狀,目標運動軌跡與驅動軸關節坐標系為非線性關系,因此運動軌跡規劃之后,還需要上位機完成粗插補、坐標運動轉換和虛、實軸變換等運動學運算,形成實際軸的密化控制數據,在非實時操作系統平臺下(如W indows)大量密化的數據傳輸成為實時控制的難點和瓶頸。在并聯機床數控系統開發中,由于不能直接使用PMAC提供的輔助功能,需要開發者編制對標準G代碼數控程序的解釋程序和刀具補償程序,會大大降低系統開發效率和產品的可靠性。上述存在的問題在Delta Tau 公司開發的新一代多軸控制器Turbo PMAC中得到了較好的解決。

　　Turbo PMAC提供了一種機制,使用戶很容易實現復雜的運動學運算。當刀尖坐標和驅動軸關節坐標系之間為非線性關系時,運動學計算功能變得尤為重要。典型例子就是并聯機床和機器人系統。在并聯機床控制中,只要將對應機構的運動學程序嵌入到TurboPMAC控制器中, Turbo PMAC可以根據刀尖軌跡自動按照給定的運動學算法計算出實際驅動軸的位置坐標。Turbo PMAC的這種能力,允許在笛卡爾坐標系(虛軸坐標系)對刀尖軌跡編程,而不用考慮實際控制軸的坐標形態。Turbo PMAC的運動算法程序編制方法簡單,與PLC程序語法規則一致,該程序放在TurboPMAC的專用緩沖區中,作為子程序供運動程序調用。Turbo PMAC中運動學計算的定義與機構學中定義的基本思想一致。正向運動學運算是指,以驅動軸關節坐標作為輸入量,計算出刀尖的軌跡位置坐標。在并聯機床控制中,通過正向運動學計算可以獲得控制初始的刀尖位置,也可以在加工過程中報告刀尖軌跡位置。正向運動學運算往往無封閉解,因此TurboPMAC支持迭代處理,以解決復雜的正向運動學計算。逆向運動學運算是指,以刀尖位置坐標作為輸入,計算出驅動關節的位置坐標。在并聯機床控制中,刀尖的每個編程端點都需要進行逆向運動學計算。特別指出的是,在非線性程度很高的并聯機床控制中,如只對編程端點進行逆解運算,則意味著所有插補均在關節空間中進行,一般情況下刀尖軌跡不會是一條直線。因此,必須首先對編程段進行粗插補(即編程段細分) ,對每一個細分段再進行逆解運算,而在關節空間只進行精插補,則刀尖軌跡誤差會很小,甚至可忽略不計。這種處理方式在Turbo PMAC中得到支持,通過控制分段時間變量來定義粗插補周期,實現在直線和圓弧運動模式下基于時間分割的粗插補功能。

4 結論

　　Turbo PMAC的開放特性為開發復雜的數控系統提供了一個良好的運動控制平臺,通過其開放的運動學運算功能封裝了設備結構的復雜性,并可以直接使用Turbo PMAC提供的數控G代碼和刀具半徑補償等輔助功能,從而減少上位機計算量和與Turbo PMAC的通訊數據量,提高控制的實時性能,可以降低開發成本,使開發者把更多精力投入到設備控制功能和性能研究中。可以預見, Turbo PMAC將在并聯加工機床和機器人控制領域得到廣泛的應用,并可為我國自行研制的高性能、開放性多軸運動控制器提供技術參考。