2 三杆虚拟轴机床数控系统

1. 数控系统构成及特点
   控制系统(图2)以美国Delta Tau公司的基于PC的多轴运动控制器PMAC为核心，采用松下数字式交流伺服系统，构成一个开放式数控系统。利用PMAC的运动控制功能，将6套交流伺服系统与PMAC的6个通道分别相连，实现电动机转速信号的输出及光电编码器反馈信号的采集，以控制各轴的运动。通过PMAC卡I/O接口来实现PLC功能，如检测行程限位、机床回零等信号，控制机床的冷却、换刀等功能。此外，利用其PLC功能进行面板操作，控制程序运行和手动调整机床。
   
   PMAC必须与PC机通讯才能完成机床的控制任务。通过PC机的外设可实现程序的输入、编辑，参数的设置，运动状态的实时显示及软件仿真等功能。利用PC机的通讯口还可使虚拟轴机床成为柔性生产线上的一个制造单元。
   图2 三杆虚拟轴机床控制系统总图
   图3 虚拟轴机床数控软件流程图
   双端口RAM(DPRAM)用于解决主控制处理器与PMAC的通讯瓶颈问题，实现PMAC与主控制处理器之间的高速重复不需握手的数据通信。
2. 控制系统工作原理及软件设计
   1. 工作原理及流程图　本虚拟轴机床以兼容普通加工中心的加工能力为主要目标之一，因而在数控加工程序编制上遵循使用传统的NC代码指令，以便于编程和程序的移植与交流。然而由于机床结构的根本不同使得与传统机床直接控制X、Y、Z轴不同，在三杆虚拟轴机床上不能从NC代码直接到伺服控制，要实现一定刀具位姿，必须转换为控制空间时刻变动的运动副的长度或转角，这里面就必须包含NC代码格式变换、插补、坐标变换及运动学变换等。这些就构成了虚拟轴机床数控软件不同于传统机床的虚拟轴模块。软件流程图见图3。
   2. 造型及NC代码生成　本系统充分发挥了PC机软件资源丰富的优势，吸收了现有CAD/CAM技术的成果，造型及NC代码生成采用了国产优秀软件ME(制造工程师)。它是一个性能价格比较高的CAD/CAM软件。ME界面非常友好，具有丰富的曲线、曲面造型功能，可对三维模型进行放大、缩小、旋转、渲染等，可对加工过程进行手动、连续及真实感仿真。它还具有IGES及DXF等接口。可按多种加工方法，进行不同的后置处理以生成NC代码。这为在虚拟轴机床上实现CAD/CAM一体化奠定了基础。
   3. NC代码格式变换　PMAC允许执行机床类型的RS-274(NC代码)程序，PMAC把G、M、T和H代码作为子程序来调用。对于由造型软件生成的NC代码中因指令续效功能而出现的省去代码标志的X...Y...Z...等程序段，由于虚拟轴机床控制的轴不是X、Y、Z三方向运动轴，而是空间时刻变动的轴，它不能执行这类程序段。为了使PMAC可以识别这些程序段并进而调用相应子程序执行，必须对NC代码进行格式变换，增加所有因续效省去的代码标志。#p#分页标题#e#
   4. 插补　直线和圆弧插补都采用了时间分割法。其中在圆弧插补的算法上采用了一种基于坐标变换的新方法，即根据圆弧相对其圆心的位置，将圆弧分为上半平面型圆弧、下半平面型圆弧及复合型圆弧三种，对不同种类的圆弧建立不同形式的辅助坐标系，通过坐标变换将原坐标系中圆弧插补转换为辅助坐标系中圆弧插补，利用辅助坐标系的不同设置及改变步长的正负号解决各种圆弧的插补问题。算法简捷、实用。
   5. 坐标变换与运动学变换　插补模块将上述NC代码数据进行离散，得到造型坐标系中刀尖坐标数据[x_iy_i z_i]^T(i=1,2,…)。通过插补得到的数据仅是在造型坐标系中的坐标，为了控制虚拟轴机床，必须进行坐标变换，以得到机床坐标系O-XYZ中的坐标[X_iY_i Z_i]^T(i=1,2,…)为
        (1)式中[x₀ y₀ z₀]^T为造型坐标系o-xyz的坐标原点在机床坐标系O-XYZ中的坐标。
      虚拟轴机床的运动学逆解是控制系统软件设计的关键之一。通过本虚拟轴机床的运动学逆解方程(2)得到的[l_1il_2i l_3i]^T(i=1,2,…)便是控制虚拟轴机床所需的杆的长度。
        (2)式中w为固定平台与活动平台边长之差，hh为刀尖到运动平台中心的距离。
   6. 用户界面设计　友好的用户界面是实现虚拟轴机床工业运行不可忽视的重要因素。由于操作者已习惯传统数控机床操作面板及相关术语和指令系统，故基于方便终端用户使用的考虑，在开发虚拟轴机床数控系统用户界面时，必须将其在工作原理方面的特点隐藏在系统内部，而使提供给用户或需要用户处理的信息尽可能与传统机床一致。这些信息通常包括操作面板的显示、数据程序代码和坐标定义等。PMAC附带的PTALK软件能实现和PMAC运动控制器通讯的功能。利用Visual Basic在自己开发应用软件中嵌入PTALK与PMAC运动控制器通讯的功能，可以制作出友好的用户界面。所制作的用户界面包括手工编程处理模块、参数设置模块、机床手动调整模块和运动控制模块以及其它辅助功能模块。

3 结束语