浅谈并联机器人开放式数控系统构建

　　摘 要：并联机器人是新型自动化加工设备，并联机器人具有并联在很大程度上解决了纯并联机床在作业空间小的限制，为并联机床带来了很大的发展空间。控制系统采用“PC+Turbo PMAC”的开放模式，形成以PC机为上位机、Turbo PMAC多轴控制卡为下位机的分布式控制。在伺服系统中主要使用了伺服电机作为驱动器件，通过主轴系统来实现一般零件的加工，并数控系统中的运动控制器部分是系统的核心，它的功能将直接影响着数控系统的基本功能。并联机器人数控系统利用了Turbo PMAC提供的运动学计算功能，通过Turbo PMAC提供的段细分功能实现。给出机器人PLC控制系统的设计方案及I/O点分配与设计，可以实现整个机器人控制系统的安全可靠运行。 

　　关键词：并联机器人 数控系统 组成方案 

　　并联机器人是新型自动化加工设备，与传统并联数控机床相比，并联机器人具有并联在很大程度上解决了纯并联机床在作业空间小的限制，为并联机床带来了很大的发展空间。下面，谈谈在这方面的心得体会。 

　　1 开放式数控系统工作原理 

　　本着构建开放式数控系统的思想，该数控系统的构建模式为“PC+Turbo PMAC”，PC机作为上位机主要完成管理工作，而数控的核心工作由下位机Turbo PMAC多轴运动控制器完成。 

　　并联机床的控制比传统机床的控制更为复杂。传统数控系，每一台设备都成为自动化的“孤岛”，对企业的网络化和信息化发展是一个障碍；由于并联机床具有结构简单，但数学模型复杂的特点，所以必须通过机构的逆运动学进行变换，将虚轴的规划量转换为实轴的控制量，该过程又称为虚实映射。 

　　数控系统中的运动控制器部分是系统的核心，它的功能将直接影响着数控系统的基本功能。并联机器人数控系统利用了Turbo PMAC提供的运动学计算功能，通过Turbo PMAC提供的段细分功能实现。标准的数控程序可直接进入Turbo PMAC中，只需要在Turbo PMAC中进行简单的代码转换，就可以替换成Turbo PMAC指令格式，由Turbo PMAC自动完成粗插补、运动学变换和实轴电机控制。 

　　2 数控系统硬件组成方案 

　　控制系统采用“PC+Turbo PMAC”的开放模式，形成以PC机为上位机、Turbo PMAC多轴控制卡为下位机的分布式控制。主要硬件模块包括工控机、PMAC卡、I/O板、伺服驱动和检测、主轴驱动等。I/0板连接到Turbo PMAC上，通过内置的PLC功能控制机器的辅助功能设备、主轴启停、检测机床限位、驱动指示装置和报警装置、检测控制面板输入指令信号等。 

　　3 系统硬件组成介绍 

　　3.1 Turbo PMAC多轴运动控制器 

　　Turbo PMAC是美国Delta Tau公司在PMAC的基础上推出的基于工业PC和Windows操作系统的开放式多轴运动控制器。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。 

　　3.2 Turbo PMAC 

　　PC工控机选用研华AWS-2848VTP作为数控系统上位机，完成数控系统的控制管理和任务调度功能。AWS-2848VTP是一体化工作站，集成了CPU卡、防水触摸键盘和15″TFT液晶显示器，14-SLOT底板包含PCI和ISA总线接口，键盘控制器可实现一体化键盘的管理和功能键的硬件编程定义，LCD控制器完成对一体化显示器的驱动和转换。选用配置为：内存256 M、硬盘40 G、CPU-P4/1.8 G。 

　　3.3 伺服系统 

　　控制系统包含六套伺服驱动系统，分别用于并联机构的三组直线电机驱动和工作台的两组交流伺服电机驱动，均采用光栅尺进行位置检测。直线电机为TB3810-ES-A4-C0-TH，筒式结构，三相交流驱动输入，霍尔元件模拟换相，输出推力为3 960/880/223 N。驱动器为Copley 7426AC，霍尔元件换相检测，单相AC220 V供电，三相驱动输出。交流伺服电机为GYS401DC2-T2，最大转速3 000 rpm，三相交流输入，功率0.4 kW；驱动器为RYC401D3-VVT2，单相AC220 V供电，三相驱动输出。光栅尺型号为RGH22S30D15，分辨力0.1μm，有零位和双极限检测，直流5 V供电。通过Turbo PMAC的五个伺服控制通道，实现五组伺服系统的全闭环控制。 

　　3.4 主轴系统 

　　主轴系统包括变频调速器和电主轴，变频器为西门子MM440，功率2.2 kW，单相220 V供电，三相输出，频率范围0～650 Hz；电主轴为80XD24C，最高转速24 000 rpm，功率1 kW。利用Turbo PMAC的第7号伺服通道进行变频器的开环控制，实现电主轴无级调速，以支持数控代码中的主轴速度（S指令）和控制指令（M指令）。 

　　P0006=1 显示方式，运行准备时显示设定频率，运行时显示实际输出频率；P0205=0恒转矩应用；P0304=220电机额定电压220 V；P0305=3.5电机额定电流3.5 A；P0307=1电机额定功率1 kW；P0310=400电机额定频率400 Hz；P0311=24 000电机额定转速24 000 rpm；P0700=2端子排数字端子输入命令；P0701=1 选择数字输入1（DIN1）控制电机正转/停止；P0756=0单极性0～10 V电压输入；P0757=0控制电压0 V；P0758=0%基准频率，即0 Hz；P0759=10控制电压10 V；P0760=100%基准频率，即400 Hz；P1000=2选择模拟端子1（AIN1）进行频率设定；P1080=5电机最小频率5 Hz（约300 rpm），该值用来限制低速运行；P1082=400电机最大频率400 Hz（24 000 rpm），该值用来限制高速运行；P1300=0线性V/f控制；P2000=400基准频率400 Hz。 

　　3.5 I/O控制 

　　实现I/O控制的ACC-34AA为外置32入/32出输入输出接口板，在每一位进行单独隔离，在输入点有1 ms的RC滤波，连接到Turbo PMAC的JTHW端口上，与Turbo PMAC串行通讯，并具有奇偶校验。通过Turbo PMAC内置的PLC功能控制机器的辅助功能设备、主轴启停、驱动指示装置和报警装置，检测控制面板输入信号等。 

　　并联机构运动平台由多杆支承，与串联结构相比刚度大、结构稳定。并联机器人广泛应用于数控加工业，解决传统并联数控机床的不足。在伺服系统中主要使用了伺服电机作为驱动器件，通过主轴系统来实现一般零件的加工，并给出机器人PLC控制系统的设计方案及I/O点分配与设计，可以实现整个机器人控制系统的安全可靠运行。 

　　参考文献 

　　[1] 文立伟，路华，王永章，等.基于开放式控制器的六轴数控系统的研究与开发[J].机床与液压，2003（3）：32-34. 

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　　[3] 李研彪.新型6-PTS并联机床的性能分析[D].秦皇岛：燕山大学，2004. 

　　[4] 王立平，汪劲松，张华.并联机床数字化快速开发平台研究的意义[J].工具技术，2003（10）：3-7.