1 引言
目前,比较现实的实现开放式数控系统的途径是“PC +多轴控制器”,在这种结构中, PC机处理非实时部分,实时控制部分由多轴控制器来承担,形成多级分布式控制模式。这样架构出来的数控系统既具有前端PC机的柔性,又具有专用CNC系统的稳定性和可靠性。在国内市场上, 性能价格比较高的当属基于PMAC ( Programable Multi2axes Controller)多轴运动控制器的开放式控制系统。由于PMAC多轴运动控制器优异的轨迹跟踪能力和精度,在很多高性能的数控系统和研究项目中选用它构建开放式控制系统。
Turbo PMAC多轴运动控制器是PAMC系列的升级版本,保持了PMAC的优良性能,其特有的开放的运动学计算特性,更适合于构建面向复杂运动的开放式数控系统,如并联机床和机器人数控系统。
2 Turbo PMAC的性能和开放特性
Turbo PMAC是美国Delta Tau公司在PMAC的基础上推出的基于工业PC和W indows操作系统的开放式多轴运动控制器,采用了更高速度的DSP56300 系列数字信号处理器,提供全新的高性能技术和Win2dows平台, 满足用户在运动控制各个领域的需要。Turbo PMAC可同时控制1～32个轴,实现多轴联动控制。Turbo PMAC既可单独执行存储于控制器内部的程序,也可执行运动程序和PLC程序。它可以自动对任务优先级进行判别,从而进行实时多任务处理。在硬件结构上,只需通过适当的参数设置和使用不同的接口卡, Turbo PMAC便能与各种伺服系统匹配,可以方便地连接各种模拟或数字伺服驱动器。Turbo PMAC与PC机的通讯有三种方式:串行、总线和双端口RAM方式,可以按照实际硬件条件和需要选择最适合的方式。Turbo PMAC可以在PC XT/AT、VME、STD 总线上运行,由此提供了多平台的支持特性,同时也使同一控制软件可以在不同的硬件平台上运行,这种特性体现了Turbo PMAC 在硬件结构上的开放性。
在软件结构上, Turbo PMAC提供了Windows平台下的驱动程序,支持VC + +、VB、Delphi、C + +Builder等编程语言环境,实现W indows环境下的人机界面设计。此外, Turbo PMAC也支持DOS环境下控制程序的开发,由此可对Turbo PMAC进行高实时性控制,为开发高性能的嵌入式数控系统提供了条件。TurboPMAC对多种程序设计语言和多种操作系统平台的支持,体现了Turbo PMAC对开发环境的开放性。Turbo PMAC提供了强大的运动控制功能,如直线插补、圆弧插补、样条曲线插补等模式,用户也可以通过这些基本模式定制出自己合适的运动模式。TurboPMAC支持数控G代码和M代码指令控制,支持刀具补偿功能,可方便地开发机床数控系统。Turbo PMAC采用了带陷波滤波器的P ID算法进行电动机的伺服控制,能有效地克服电动机运行中的机械振动,该伺服环引入了速度和加速度前馈,进一步提高了伺服控制中的轨迹跟踪精度和加速性能。Turbo PMAC内含了逻辑功能强大的可编程控制器(PLC) ,可以和运动控制程序密切配合实现外部设备的开关量( I/O)控制。
同PMAC系列多轴运动控制器相比, Turbo PMAC除运算速度和内存增加外,还增加了新控制特性,主要有:先进的加速超前预测,内建的正向运动学和逆向运动学计算能力,三维刀具半径补偿功能,在线改变运动目标,多端口连续通讯,为每个电动机制定正弦转换表,可单独选择电动机的P ID伺服控制算法或使用外部定义的算法,大大增加了同步M变量缓冲区,为每个坐标系设置两个伺服速率定时器,运动轨迹反求能力。其中,正向/逆向运动学计算功能和伺服控制算法定义功能,体现了Turbo PMAC运动平台在面向用户的开放性方面向前跨了一大步,使用户能灵活地在该平台上配置自己的运动算法,快速开发复杂数控系统的应用产品。
3 Turbo PMAC开放的运动学计算特性
对于面向复杂运动的控制系统,如并联机床控制和多轴机器人控制,尽管PMAC仍然可以作为一个优秀的控制平台,但主要是利用了PMAC的伺服控制功能和多轴联动控制功能,而那些高性能的辅助功能很难直接使用,较典型的就是G代码和刀具补偿等功能,这就增加了产品的开发难度。在基于Windows平台上的应用,甚至会造成在线实时控制失败,究其原因,主要是因为PMAC的辅助功能是以笛卡尔坐标为基础,而并联机床和机器人的实际控制轴一般不是笛卡尔几何形状,目标运动轨迹与驱动轴关节坐标系为非线性关系,因此运动轨迹规划之后,还需要上位机完成粗插补、坐标运动转换和虚、实轴变换等运动学运算,形成实际轴的密化控制数据,在非实时操作系统平台下(如W indows)大量密化的数据传输成为实时控制的难点和瓶颈。在并联机床数控系统开发中,由于不能直接使用PMAC提供的辅助功能,需要开发者编制对标准G代码数控程序的解释程序和刀具补偿程序,会大大降低系统开发效率和产品的可靠性。上述存在的问题在Delta Tau 公司开发的新一代多轴控制器Turbo PMAC中得到了较好的解决。
Turbo PMAC提供了一种机制,使用户很容易实现复杂的运动学运算。当刀尖坐标和驱动轴关节坐标系之间为非线性关系时,运动学计算功能变得尤为重要。典型例子就是并联机床和机器人系统。在并联机床控制中,只要将对应机构的运动学程序嵌入到TurboPMAC控制器中, Turbo PMAC可以根据刀尖轨迹自动按照给定的运动学算法计算出实际驱动轴的位置坐标。Turbo PMAC的这种能力,允许在笛卡尔坐标系(虚轴坐标系)对刀尖轨迹编程,而不用考虑实际控制轴的坐标形态。Turbo PMAC的运动算法程序编制方法简单,与PLC程序语法规则一致,该程序放在TurboPMAC的专用缓冲区中,作为子程序供运动程序调用。Turbo PMAC中运动学计算的定义与机构学中定义的基本思想一致。正向运动学运算是指,以驱动轴关节坐标作为输入量,计算出刀尖的轨迹位置坐标。在并联机床控制中,通过正向运动学计算可以获得控制初始的刀尖位置,也可以在加工过程中报告刀尖轨迹位置。正向运动学运算往往无封闭解,因此TurboPMAC支持迭代处理,以解决复杂的正向运动学计算。逆向运动学运算是指,以刀尖位置坐标作为输入,计算出驱动关节的位置坐标。在并联机床控制中,刀尖的每个编程端点都需要进行逆向运动学计算。特别指出的是,在非线性程度很高的并联机床控制中,如只对编程端点进行逆解运算,则意味着所有插补均在关节空间中进行,一般情况下刀尖轨迹不会是一条直线。因此,必须首先对编程段进行粗插补(即编程段细分) ,对每一个细分段再进行逆解运算,而在关节空间只进行精插补,则刀尖轨迹误差会很小,甚至可忽略不计。这种处理方式在Turbo PMAC中得到支持,通过控制分段时间变量来定义粗插补周期,实现在直线和圆弧运动模式下基于时间分割的粗插补功能。
4 结论
Turbo PMAC的开放特性为开发复杂的数控系统提供了一个良好的运动控制平台,通过其开放的运动学运算功能封装了设备结构的复杂性,并可以直接使用Turbo PMAC提供的数控G代码和刀具半径补偿等辅助功能,从而减少上位机计算量和与Turbo PMAC的通讯数据量,提高控制的实时性能,可以降低开发成本,使开发者把更多精力投入到设备控制功能和性能研究中。可以预见, Turbo PMAC将在并联加工机床和机器人控制领域得到广泛的应用,并可为我国自行研制的高性能、开放性多轴运动控制器提供技术参考。