Turbo PMAC面向复杂运动数控系统的开放特性研究

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。