1　前言

　　DSX5-70型三桿虛擬軸機床(圖1)，由三桿并聯(lián)機構及兩自由度串聯(lián)機構組成。兩自由度串聯(lián)機構置于運動平臺上。通過三桿伸縮(l1、l2、l3)及兩驅動軸旋轉(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)，可實現(xiàn)五軸聯(lián)動，完成多種作業(yè)任務。本文介紹為它開發(fā)設計的一套基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)。整個數(shù)控系統(tǒng)軟件模塊化設計，面向用戶，方便操作，具有良好的可擴展性及可維護性。

圖1　三桿五自由度虛擬軸機床示意圖

2　三桿虛擬軸機床數(shù)控系統(tǒng)

2.1　數(shù)控系統(tǒng)構成及特點
　　控制系統(tǒng)(圖2)以美國Delta Tau公司的基于PC的多軸運動控制器PMAC為核心，采用松下數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)，構成一個開放式數(shù)控系統(tǒng)。利用PMAC的運動控制功能，將6套交流伺服系統(tǒng)與PMAC的6個通道分別相連，實現(xiàn)電動機轉速信號的輸出及光電編碼器反饋信號的采集，以控制各軸的運動。通過PMAC卡I/O接口來實現(xiàn)PLC功能，如檢測行程限位、機床回零等信號，控制機床的冷卻、換刀等功能。此外，利用其PLC功能進行面板操作，控制程序運行和手動調整機床。
　　PMAC必須與PC機通訊才能完成機床的控制任務。通過PC機的外設可實現(xiàn)程序的輸入、編輯，參數(shù)的設置，運動狀態(tài)的實時顯示及軟件仿真等功能。利用PC機的通訊口還可使虛擬軸機床成為柔性生產(chǎn)線上的一個制造單元。

圖2　三桿虛擬軸機床控制系統(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，實現(xiàn)PMAC與主控制處理器之間的高速重復不需握手的數(shù)據(jù)通信。
2.2　控制系統(tǒng)工作原理及軟件設計
　　(1)工作原理及流程圖　本虛擬軸機床以兼容普通加工中心的加工能力為主要目標之一，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。然而由于機床結構的根本不同使得與傳統(tǒng)機床直接控制X、Y、Z軸不同，在三桿虛擬軸機床上不能從NC代碼直接到伺服控制，要實現(xiàn)一定刀具位姿，必須轉換為控制空間時刻變動的運動副的長度或轉角，這里面就必須包含NC代碼格式變換、插補、坐標變換及運動學變換等。這些就構成了虛擬軸機床數(shù)控軟件不同于傳統(tǒng)機床的虛擬軸模塊。軟件流程圖見圖3。

圖3　虛擬軸機床數(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機軟件資源豐富的優(yōu)勢，吸收了現(xiàn)有CAD/CAM技術的成果，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)。它是一個性能價格比較高的CAD/CAM軟件。ME界面非常友好，具有豐富的曲線、曲面造型功能，可對三維模型進行放大、縮小、旋轉、渲染等，可對加工過程進行手動、連續(xù)及真實感仿真。它還具有IGES及DXF等接口?？砂炊喾N加工方法，進行不同的后置處理以生成NC代碼。這為在虛擬軸機床上實現(xiàn)CAD/CAM一體化奠定了基礎。
　　(3)NC代碼格式變換　PMAC允許執(zhí)行機床類型的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)的省去代碼標志的X...Y...Z...等程序段，由于虛擬軸機床控制的軸不是X、Y、Z三方向運動軸，而是空間時刻變動的軸，它不能執(zhí)行這類程序段。為了使PMAC可以識別這些程序段并進而調用相應子程序執(zhí)行，必須對NC代碼進行格式變換，增加所有因續(xù)效省去的代碼標志。
　　(4)插補　直線和圓弧插補都采用了時間分割法。其中在圓弧插補的算法上采用了一種基于坐標變換的新方法［5］，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系，通過坐標變換將原坐標系中圓弧插補轉換為輔助坐標系中圓弧插補，利用輔助坐標系的不同設置及改變步長的正負號解決各種圓弧的插補問題。算法簡捷、實用。
　　(5)坐標變換與運動學變換　插補模塊將上述NC代碼數(shù)據(jù)進行離散，得到造型坐標系中刀尖坐標數(shù)據(jù)［xi yi zi］T(i=1,2,…)。通過插補得到的數(shù)據(jù)僅是在造型坐標系中的坐標，為了控制虛擬軸機床，必須進行坐標變換，以得到機床坐標系O-XYZ中的坐標［Xi Yi Zi］T(i=1,2,…)為

式中［x0 y0 z0］T為造型坐標系o-xyz的坐標原點在機床坐標系O-XYZ中的坐標。
　　虛擬軸機床的運動學逆解是控制系統(tǒng)軟件設計的關鍵之一。通過本虛擬軸機床的運動學逆解方程(2)得到的［l1i l2i l3i］T(i=1,2,…)便是控制虛擬軸機床所需的桿的長度。

式中w為固定平臺與活動平臺邊長之差，hh為刀尖到運動平臺中心的距離。
　　(6)用戶界面設計　友好的用戶界面是實現(xiàn)虛擬軸機床工業(yè)運行不可忽視的重要因素。由于操作者已習慣傳統(tǒng)數(shù)控機床操作面板及相關術語和指令系統(tǒng)，故基于方便終端用戶使用的考慮，在開發(fā)虛擬軸機床數(shù)控系統(tǒng)用戶界面時，必須將其在工作原理方面的特點隱藏在系統(tǒng)內部，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)程序代碼和坐標定義等。PMAC附帶的PTALK軟件能實現(xiàn)和PMAC運動控制器通訊的功能。利用Visual Basic在自己開發(fā)應用軟件中嵌入PTALK與PMAC運動控制器通訊的功能，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)設置模塊、機床手動調整模塊和運動控制模塊以及其它輔助功能模塊。

3　結束語

　　通過開發(fā)設計一套基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)，在DSX5-70三桿虛擬軸機床上利用傳統(tǒng)CAD/CAM技術優(yōu)秀成果，實現(xiàn)了三桿虛擬軸機床CAD/CAM的一體化，對三桿虛擬軸機床的應用推廣具有重要的現(xiàn)實意義。整個數(shù)控系統(tǒng)軟件模塊化設計，便于擴展，界面友好，操作方便