三維平動并聯(lián)機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　三維平動并聯(lián)機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　摘 要：結(jié)合三維平動并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用以“PC機(jī)+GTS運(yùn)動控制器”為基礎(chǔ)的硬件平臺，以Windows操作系統(tǒng)為軟件平臺，以delphi為開發(fā)工具，完成了該并聯(lián)機(jī)床控制系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計。該系統(tǒng)可對該并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行實(shí)時信息監(jiān)測和控制，包括動作同步監(jiān)測、開關(guān)量顯示、手動操控、運(yùn)動編程、程序測試、參數(shù)設(shè)置等功能。 </p>

2、<p>　　關(guān)鍵詞：并聯(lián)機(jī)床;運(yùn)動控制;軟件平臺 </p><p>　　前言：并聯(lián)機(jī)床是一種將并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床，具有高剛度、高精度、高速度、高動態(tài)性能、高承載能力等優(yōu)點(diǎn)[1]，三維平動并聯(lián)機(jī)床在我國經(jīng)濟(jì)活躍的地區(qū)用于非金屬切割、雕刻、打孔等方面，得到快速發(fā)展，但目前的加工設(shè)備價格昂貴，控制系統(tǒng)復(fù)雜，難以保證加工精度。本文設(shè)計了一種基于PC機(jī)和GTS運(yùn)動控制器的三維加工用并聯(lián)機(jī)床的控制系

3、統(tǒng)，利用Delphi 7.0編程工具所開發(fā)的控制系統(tǒng)能夠?qū)υ撊S平動并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和控制。 </p><p>　　一、三維平動并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)簡介 </p><p>　　三維平動并聯(lián)機(jī)床的動平臺通過3根連桿和安裝在絲杠上的三個滑塊與靜平臺相連。通過控制交流伺服電動機(jī)的運(yùn)動控制三滑塊協(xié)調(diào)運(yùn)動，從而精確控制動平臺的位置，即控制加工點(diǎn)的位置。 </p><p>　　三根

4、連桿兩端均采用胡克鉸與絲桿螺母和動平臺相連。 </p><p>　　二、控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成 </p><p>　　系統(tǒng)硬件組成如圖1所示，其中包括三套伺服電機(jī)作為電氣執(zhí)行元件;GTS運(yùn)動控制器作為運(yùn)動控制核心部件[9]，完成各個電機(jī)之間的實(shí)時運(yùn)動插補(bǔ)、運(yùn)動控制功能;PC機(jī)作為上位機(jī)，完成路徑規(guī)劃、文件處理、仿真顯示、手動控制等功能。 </p><p>　　其中，GTS

5、運(yùn)動控制器是固高科技的運(yùn)動控制產(chǎn)品之一，基于計算機(jī)PCI總線，可同時控制4軸運(yùn)動。 </p><p>　　圖1 并聯(lián)機(jī)床控制系統(tǒng)硬件圖 </p><p>　　三、控制系統(tǒng)軟件總體框架設(shè)計 </p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)對三維平動并聯(lián)機(jī)床的實(shí)時監(jiān)測，同時考慮到人機(jī)交互的便捷性，利用Delphi 7.0編寫上位機(jī)程序，上位機(jī)調(diào)用運(yùn)動控制器的指令，運(yùn)動控制器按照主機(jī)發(fā)送

6、的指令工作，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動，改變滑塊位置，即移動動平臺。 </p><p>　　該控制系統(tǒng)主要由5個模塊組成：手動模塊、自動模塊、測試模塊、編程模塊、參數(shù)設(shè)置模塊。 </p><p>　　手動模塊主要用于動平臺的小位移的運(yùn)動控制和手輪操作控制。 </p><p>　　自動模塊主要用于程序的自動運(yùn)行，運(yùn)動軌跡的實(shí)時顯示。 </p><p>　　測

7、試模塊主要用于對于所編寫好的程序進(jìn)行運(yùn)動軌跡的模擬仿真，可選擇進(jìn)行單步或單次等不同的調(diào)試方式。 </p><p>　　編程模塊主要用于新建任務(wù)，進(jìn)行運(yùn)動程序的編寫等，在編寫程序的過程中要能對一些明顯的編程錯誤進(jìn)行報錯提醒。 </p><p>　　參數(shù)設(shè)置模塊主要用于設(shè)定機(jī)床零點(diǎn)和默認(rèn)進(jìn)給速度等。 </p><p>　　手動模塊和自動模塊的界面都以顯示燈的形式實(shí)時顯示

8、外部輸入信息：如主軸開關(guān)、冷卻液開關(guān)、極限限位等信息，并實(shí)時顯示坐標(biāo)數(shù)據(jù)。 </p><p><b>　　四、主要功能模塊 </b></p><p>　　本三維平動并聯(lián)機(jī)床的控制系統(tǒng)以Delphi 7.0作為編程工具進(jìn)行控制系統(tǒng)的開發(fā)。Delphi 7.0是Borland公司推出的Delphi編程軟件的新且成熟的一個版本，它采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計、組件化的編程方式，其

9、開發(fā)功能強(qiáng)大，且易于學(xué)習(xí)使用[1]。本控制系統(tǒng)采用GTS系列運(yùn)動控制卡，只需將運(yùn)動控制卡的動態(tài)鏈接庫和函數(shù)聲明文件復(fù)制到工程文件夾中，并將函數(shù)聲明文件添加到工程中，并添加對函數(shù)聲明文件的引用，用戶就可以在Delphi中調(diào)用函數(shù)庫中的任何函數(shù)，編寫應(yīng)用程序，進(jìn)行控制系統(tǒng)的開發(fā)[2]。 </p><p>　　圖2 作業(yè)編輯處理過程 </p><p>　?。ㄒ唬┚幊棠K。該模塊主要用于進(jìn)行作業(yè)

10、管理：新建作業(yè)、編輯作業(yè)、刪除作業(yè)。當(dāng)初次建立編程任務(wù)時，設(shè)置編程環(huán)境，創(chuàng)建臨時作業(yè)區(qū)，讀取臨時作業(yè)區(qū)內(nèi)容并顯示，默認(rèn)將程序起始語句“START”和結(jié)束語句“END”置于程序首末，并設(shè)置第一個語句的序號“001”。若僅是編輯作業(yè)，則復(fù)制當(dāng)前作業(yè)到臨時作業(yè)區(qū)，然后顯示。進(jìn)行正常語句編寫，包括機(jī)床作業(yè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)以及運(yùn)動速度。每個語句結(jié)束處，鍵入回車鍵即可進(jìn)入下一行程序編輯狀態(tài)，同時自動輸入行號。除了運(yùn)動位置輸入外，還可依據(jù)運(yùn)動中的要求（如

11、打開冷卻液、主軸開啟等）選擇或設(shè)置指令。程序編輯中也可以進(jìn)行刪除行、插入行、更改內(nèi)容等工作。編輯完畢，即可保存該運(yùn)動程序，也可直接執(zhí)行該文件。編程過程如圖2所示，運(yùn)行界面如圖3所示。 </p><p>　　圖3 程序編輯界面 </p><p>　　（二）手動模塊。手動模塊完成的功能主要有：歸零（回機(jī)床零點(diǎn)），設(shè)定進(jìn)給量、進(jìn)給速度，手動驅(qū)動，手輪驅(qū)動等，運(yùn)行控制界面如圖4所示。 </

12、p><p>　　無論手輪驅(qū)動還是手動驅(qū)動動平臺運(yùn)動，均可以實(shí)現(xiàn)三電機(jī)聯(lián)動，這樣做的目的是為了避免一個電機(jī)的過度運(yùn)動，使并聯(lián)機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉。如圖4所示，在手動運(yùn)行的界面可以實(shí)時刷新顯示加工點(diǎn)位置。 </p><p>　　圖4 手動運(yùn)行控制界面 </p><p>　　回零操作，是借助于極限開關(guān)和GTS運(yùn)動控制的限位功能進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)的，具體的操作將在下一節(jié)進(jìn)行描述。 <

13、/p><p>　　圖5 測試運(yùn)行控制界面 </p><p>　?。ㄈy試模塊。測試模塊主要用來對已有作業(yè)任務(wù)進(jìn)行測試，檢驗編程的正確與否，有三種測試模式：單步、單次、循環(huán)。 </p><p>　　根據(jù)用戶所選定的測試模式，可以確定程序測試時是按何種方式進(jìn)行運(yùn)行，需要注意的是在測試模式下，作業(yè)中的輔助功能指令不起作用?？刂平缑嫒鐖D5所示。 </p>&l

14、t;p>　?。ㄋ模┳詣幽K。對于已經(jīng)通過測試，確認(rèn)正確的作業(yè)，可以在自動模式下進(jìn)行運(yùn)行。自動模塊的控制運(yùn)行界面如圖6所示。 </p><p>　　圖6 自動運(yùn)行控制界面 </p><p>　　該界面右上角為當(dāng)前坐標(biāo)的顯示，中上部為仿真界面，左邊的指示燈同步顯示個外部輸入信號，中下部顯示正在運(yùn)行的任務(wù)。 </p><p>　　五、零位、限位報警設(shè)置 </

15、p><p>　　本三維平動并聯(lián)機(jī)床的零位及左右極限位置的確定使用的是限位開關(guān)和硬件捕獲的功能確定的，限位開關(guān)按圖7所示的方式進(jìn)行布置（以其中一條絲杠的限位開關(guān)布置進(jìn)行說明）。 </p><p>　　圖7 各限位開關(guān)的布置 </p><p>　　根據(jù)整個并聯(lián)機(jī)床的工作空間，由逆解可求得滑塊所要求的運(yùn)動區(qū)域，根據(jù)該區(qū)域的長度可安裝左右限位開關(guān)A、B，零位開關(guān)選擇安裝在滑塊

16、工作區(qū)域外的左側(cè)，這樣安排的好處是，在每次找零時都可直接使對應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動滑塊左移，進(jìn)行找零。找到零位開關(guān)后，進(jìn)行相應(yīng)的偏置，設(shè)定零點(diǎn)。與將零位開關(guān)安裝在工作區(qū)域中間相比，簡化了找零過程，因為斷電后重新上電再次找零，并不能記錄滑塊位置，即不知道滑塊在零位的左側(cè)還是右側(cè)。將零位開關(guān)安裝在工作區(qū)域中進(jìn)行找零時需要配合左右極限開關(guān)進(jìn)行找零。 </p><p>　　結(jié)束語：系統(tǒng)通過上位機(jī)控制該三維平動并聯(lián)機(jī)床的使用，能夠控

17、制三電機(jī)聯(lián)動，對并聯(lián)機(jī)床的運(yùn)動進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和控制，具有較好的人機(jī)交互性，并且操作使用也比較簡單方便。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1] 黃真，孔令富，方躍法.并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997. </p><p>　　[2] 張霏霏，吳洪濤，嚴(yán)偉. 三維平動并聯(lián)機(jī)床的運(yùn)