0 引言为满足加工汽轮机叶片、飞机螺旋桨等复杂曲面需求,哈尔滨工业大学和哈尔滨量具、刃具 厂合作开发了新一代并联机床,此机床是在传统六轴并联机床的基础上,附加一个转台,以实现七 轴联动,其数控系统建立在PC机上,以Windows2000为操作平台,主要运动控制核心 采用Kollmorgen公司的多轴运动控制卡.数控系统的创建不仅考虑到并联机床的结构和 控制特点,还考虑到复杂曲面的加工要求,并按现代开放化、模块化的数控思想开发.1 硬件组 成如图1所示,在所有硬件部分中,主PC机、运动控制卡和PLC组成数控系统控制核心.它们 在数控系统中承担不同的作用,在机床运行时,这3个部图1 数控系统硬件结构图分之间进行实 时通信保证机床的正常工作.1.1 主PC机主机是数控系统的核心,它提供了数控系统的用户 界面、编制和编译数控代码、模拟刀具的切削运动轨迹、协调、监控运动控制卡和PLC的运行等 功能.此外,主机通过局域网还可以和远程计算机相互通讯,传递加工文件和工艺文件等数据.1 .2 运动控制卡运动控制卡是运动控制的核心,接受从主机来的运动控制指令并控制7个伺服电 机同步运动.运动控制卡采用VxWorks实时操作系统,它和伺服驱动器之间采用SERCO S光纤通信,这种方式可保证通讯速度更快、通讯容量更大和抗干扰能力强.1.3 PLCPLC是机床电气控制的核心,它接受从主机传来的辅助控制指令数控代码的M指令 ,并控制机床辅助设备相应动作.它还通过主轴变频器控制电主轴的工作.此外,机床的刀库也由P LC来控制.并联机床在工作中还需要PLC监控不同电器元件之间的逻辑关系以及诊断机床的各 种故障.1.4 远程PC机远程PC机是多机床控制系统的控制核心,它通过局域网把多台机床的主机连接起来.远程PC·32·机械与电子 2003 2 机可与每个并联机床的主机通讯,传递零件工艺和制造加工数据,并能远程控制并联机床运动.用这 种方法,不同机床之间可共享数据资源和软件资源,并能统一管理零件的加工数据,防止数据管理 混乱.2 数控系统的软件组成并联机床数控系统的软件采用模块化设计,按照模块完成的功能可 以分为以下几个部分:编程和仿真模块、运动控制和监控模块以及测量模块<1-2>.2.1 编程和仿真模块<3>并联机床的编程和仿真流程如图2所示.在机图2 编程和仿真模块流程图 床的编程和仿真过程中使用了3种文件数据格式:刀具轨迹描述文件、刀具位置文件和运动控制文 件.并联机床的刀具轨迹描述语言基于APT轨迹描述语言而发展,为了用户使用的方便,机床软 件中提供了轨迹输入的用户图形界面,按照图形界面的提示,用户不仅可以输入基本的轨迹元素, 如直线、圆弧等,而且能输入特殊点和直线,如相交点、切点、垂直点和等距线等.运动控制文件 中存储有伺服电机的运动控制数据,它由机床的刀具位置文件生成.刀具位置文件是描述刀具在空 间的位置和姿态的一种数据格式,它是由刀具轨迹描述文件通过刀具补偿计算、轨迹插补计算等运 算后产生.编程和仿真模块中,刀具位置文件是软件编程的难点,该文件的主要功能可以描述如下 :a.机床的干涉校验.如果并联机床刀具的每一个位置在机床坐标系和工件坐标系统下干涉校验 是成功的,则从刀具位置文件产生的最终伺服电机运动控制数据文件.否则,通过一个工件位置自 动定位程序来调整工件在机床和工件坐标系下的相对位置,避免机床干涉,然后再由刀具位置文件 重新生成运动控制数据文件.b.模拟仿真.机床的仿真子模块中将调用刀具位置文件,用以生成 刀具模拟轨迹,并在用户界面上显示刀具的运动,刀具仿真图形可以在界面上调整方向,视角,比 例和运动速度等,便于用户观察.c.工艺管理.并联机床提供了工艺管理子模块,此模块可以管 理工件的每一个刀具位置文件,按要求编排加工工艺卡,保证机床自动连续地加工叶片.d.刀具 位置描述<4>.对于复杂曲面,用户可以借助大型造型软件,诸如UG、Pro/E、Mast erCAM等来产生刀具轨迹文件,进而生成APT语言格式的刀具位置文件,本数控系统能够识 别编译此文件.在七轴联动并联机床中,其6个驱动杆已经实现了6个自由度,机床上水平放置的 转台是1个冗余自由度,此自由度将保证机床刀具在最佳位置加工.考虑到转台反转时的反向间隙 ,在机床的编程和仿真模块中添加了转台反向间隙补偿.2.2 运动控制和监控模块此模块连接 所有的机床硬件,并且包括许多子模块,如自动运行模块、手动控制模块、监控和错误处理模块、 辅助指令执行模块、电主轴控制模块、刀库控制模块、I/O控制模块等.除了前面3个模块外, 后面的几个模块的功能与普通数控系统相似,下面就介绍一下这3个模块的功能.2.2.1 自 动运行模块此模块用于运行机床的连续加工,加工中使用的数据是在离线状态下,从刀具位置文件 编译的运动控制数据.Kollmorgen运动控制卡的电子凸轮的功能将保证机床的7个伺服 电机同步运动.模块中添加有刀具原路退回和沿轴线方向退刀的功能,保证机床在异常情况下暂停 后,能从断点恢复加工.2.2.2 手动控制模块模块用于以手轮控制机床的运动,在此模块程 序中使用了实时在线编译方法以保证并联机床手动控制的实时性.结合机床的手动模块和测量模块 ,可以使机床实现测量机的功能.2.2.3 监控和错误处理模块监控和错误处理模块用于处理 机床各硬件的异常情况.其中PLC负责监控不同电器元件之间的逻辑关系、电主轴和刀库的工作 .运动控制卡负责监控伺服电机的运行和监控与PLC之间的相互通讯,以保证运动控制卡和PL C之间的相互合作.PLC和运动控制卡的错误信息通过主PC机的用户界面显示,对某些致命错误做出及时响应.远程计算机获得这些错误信息后存储起来,做出相应诊断.2.3 测量模块由于并联机床动平台运动的灵活性,使此类机床更适合工件的测量 .为了充分利用机床的这个特点 ,本机床添加了 1个功能强大的测量模块以便机床当作测量机使用 ,测量模块的功能具体如下 :a.测量刀具的长度和直径 .通过使用测头在刀具的轴线方向和径向方向测量 .b.机床的标定 .通过使用 1个专用标定量具 ,用机床的自动标定程序可对机床自动进行标定 .c.基本几何元素的测量 .本模块可以测量基本几何元素 ,如直线、平面、圆弧、圆柱和球体等 .同时 ,它还提供了基本几何形体的逻辑操作 ,如交叉点、平行线和垂直面等的测量 .d.扫描工件表面轮廓 .本模块还提供了 2种工件表面轮廓扫描的方法 ,即网格投影法和封闭路径搜索法 .通过获得的工件表面上的测量点 ,用拟合计算可以容易地得到工件表面轮廓 .3 结束语以 Kollmorgen运动控制卡为运动控制核心的并联机床数控系统 .已成功用于新制造的并联机床 ,并用于加工汽轮机叶片 .此机床为了保证加工的连续性和刀具的最佳切削位置 ,在传统六轴并联机床的基础上安装了 1个回转台形成七轴联动 ,即增加了 1个冗余自由度 .通过使用局域网 ,机床主机可以和远程计算机相连 .采用这种方式 ,可以把多台并联机床连成一个集成加工系统 .此外 ,本数控系统中包括 1个测量模块 ,能将并联机床扩展成 1个测量机 .基于PC机的并联机床数控系统的研究@石勇$哈尔滨工业大学!黑龙江哈尔滨150001
@刘文涛$哈尔滨工业大学!黑龙江哈尔滨150001
@王知行$哈尔滨工业大学!黑龙江哈尔滨150001并联机床;;数控系统;;PC研究了基于 PC机的并联机床数控系统的设计和开发.此数控系统以Kollmorgen运动控制卡为运动 控制核心,包括多个软件控制模块.<1> 韩权利,马宏伟,张 斌,杨来侠.开放式数控系统
.机械设计与制造工程,2001,1:4-5.
<2> 郭长旺,朱国力,龚时华,段正澄.基于组件技术的开放式数控系统的研究.华中理工大学学报,2000,7:38-40.
<3> 叶伯生,朱志红,熊清平.计算机数控系统原理、编程与操作.武汉:华中理工大学出版社,1999.
<4> 魏永明,叶佩青,李铁民,杨向东.虚拟轴机床CNC系统的软件设计及系统特点. 制造技术与机床,1999,1:27-29.机的功能.2.2.3 监控和错误处理模块监控 和错误处理模块用于处理机床各硬件的异常情况.其中PLC负责监控不同电器元件之间的逻辑关 系、电主轴和刀库的工作.运动控制卡负责监控伺服电机的运行和监控与PLC之间的相互通讯, 以保证运动控制卡和PLC之间的相互合作.PLC和运动控制卡的错误信息通过主PC机的用户 界面显示,对某些致命错误做出及时响应.远程计算机获得这些错误信息后存储起来,做出相应诊断.2.3 测量模块由于并联机床动平台运动的灵活性,使此类机床更适合工件的测量 .为了充分利用机床的这个特点 ,本机床添加了 1个功能强大的测量模块以便机床当作测量机使用 ,测量模块的功能具体如下 :a.测量刀具的长度和直径 .通过使用测头在刀具的轴线方向和径向方向测量 .b.机床的标定 .通过使用 1个专用标定量具 ,用机床的自动标定程序可对机床自动进行标定 .c.基本几何元素的测量 .本模块可以测量基本几何元素 ,如直线、平面、圆弧、圆柱和球体等 .同时 ,它还提供了基本几何形体的逻辑操作 ,如交叉点、平行线和垂直面等的测量 .d.扫描工件表面轮廓 .本模块还提供了 2种工件表面轮廓扫描的方法 ,即网格投影法和封闭路径搜索法 .通过获得的工件表面上的测量点 ,用拟合计算可以容易地得到工件表面轮廓 .3 结束语以 Kollmorgen运动控制卡为运动控制核心的并联机床数控系统 .已成功用于新制造的并联机床 ,并用于加工汽轮机叶片 .此机床为了保证加工的连续性和刀具的最佳切削位置
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