淺談并聯機器人開放式數控系統構建

蘇勇

摘 要：并聯機器人是新型自動化加工設備，并聯機器人具有并聯在很大程度上解決了純并聯機床在作業空間小的限制，為并聯機床帶來了很大的發展空間。控制系統采用“PC+Turbo PMAC”的開放模式，形成以PC機為上位機、Turbo PMAC多軸控制卡為下位機的分布式控制。在伺服系統中主要使用了伺服電機作為驅動器件，通過主軸系統來實現一般零件的加工，并數控系統中的運動控制器部分是系統的核心，它的功能將直接影響著數控系統的基本功能。并聯機器人數控系統利用了Turbo PMAC提供的運動學計算功能，通過Turbo PMAC提供的段細分功能實現。給出機器人PLC控制系統的設計方案及I/O點分配與設計，可以實現整個機器人控制系統的安全可靠運行。

關鍵詞：并聯機器人 數控系統 組成方案

中圖分類號：TG65 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（c）-0018-02

并聯機器人是新型自動化加工設備，與傳統并聯數控機床相比，并聯機器人具有并聯在很大程度上解決了純并聯機床在作業空間小的限制，為并聯機床帶來了很大的發展空間。下面，談談在這方面的心得體會。

1 開放式數控系統工作原理

本著構建開放式數控系統的思想，該數控系統的構建模式為“PC+Turbo PMAC”，PC機作為上位機主要完成管理工作，而數控的核心工作由下位機Turbo PMAC多軸運動控制器完成。

并聯機床的控制比傳統機床的控制更為復雜。傳統數控系，每一臺設備都成為自動化的“孤島”，對企業的網絡化和信息化發展是一個障礙；由于并聯機床具有結構簡單，但數學模型復雜的特點，所以必須通過機構的逆運動學進行變換，將虛軸的規劃量轉換為實軸的控制量，該過程又稱為虛實映射。

數控系統中的運動控制器部分是系統的核心，它的功能將直接影響著數控系統的基本功能。并聯機器人數控系統利用了Turbo PMAC提供的運動學計算功能，通過Turbo PMAC提供的段細分功能實現。標準的數控程序可直接進入Turbo PMAC中，只需要在Turbo PMAC中進行簡單的代碼轉換，就可以替換成Turbo PMAC指令格式，由Turbo PMAC自動完成粗插補、運動學變換和實軸電機控制。

2 數控系統硬件組成方案

控制系統采用“PC+Turbo PMAC”的開放模式，形成以PC機為上位機、Turbo PMAC多軸控制卡為下位機的分布式控制。主要硬件模塊包括工控機、PMAC卡、I/O板、伺服驅動和檢測、主軸驅動等。I/0板連接到Turbo PMAC上，通過內置的PLC功能控制機器的輔助功能設備、主軸啟停、檢測機床限位、驅動指示裝置和報警裝置、檢測控制面板輸入指令信號等。

3 系統硬件組成介紹

3.1 Turbo PMAC多軸運動控制器

Turbo PMAC是美國Delta Tau公司在PMAC的基礎上推出的基于工業PC和Windows操作系統的開放式多軸運動控制器。Turbo PMAC既可單獨執行存儲于控制器內部的程序，也可執行運動程序和PLC程序。

3.2 Turbo PMAC

PC工控機選用研華AWS-2848VTP作為數控系統上位機，完成數控系統的控制管理和任務調度功能。AWS-2848VTP是一體化工作站，集成了CPU卡、防水觸摸鍵盤和15″TFT液晶顯示器，14-SLOT底板包含PCI和ISA總線接口，鍵盤控制器可實現一體化鍵盤的管理和功能鍵的硬件編程定義，LCD控制器完成對一體化顯示器的驅動和轉換。選用配置為：內存256 M、硬盤40 G、CPU-P4/1.8 G。

3.3 伺服系統

控制系統包含六套伺服驅動系統，分別用于并聯機構的三組直線電機驅動和工作臺的兩組交流伺服電機驅動，均采用光柵尺進行位置檢測。直線電機為TB3810-ES-A4-C0-TH，筒式結構，三相交流驅動輸入，霍爾元件模擬換相，輸出推力為3 960/880/223 N。驅動器為Copley 7426AC，霍爾元件換相檢測，單相AC220 V供電，三相驅動輸出。交流伺服電機為GYS401DC2-T2，最大轉速3 000 rpm，三相交流輸入，功率0.4 kW；驅動器為RYC401D3-VVT2，單相AC220 V供電，三相驅動輸出。光柵尺型號為RGH22S30D15，分辨力0.1μm，有零位和雙極限檢測，直流5 V供電。通過Turbo PMAC的五個伺服控制通道，實現五組伺服系統的全閉環控制。

3.4 主軸系統

主軸系統包括變頻調速器和電主軸，變頻器為西門子MM440，功率2.2 kW，單相220 V供電，三相輸出，頻率范圍0～650 Hz；電主軸為80XD24C，最高轉速24 000 rpm，功率1 kW。利用Turbo PMAC的第7號伺服通道進行變頻器的開環控制，實現電主軸無級調速，以支持數控代碼中的主軸速度（S指令）和控制指令（M指令）。

P0006=1 顯示方式，運行準備時顯示設定頻率，運行時顯示實際輸出頻率；P0205=0恒轉矩應用；P0304=220電機額定電壓220 V；P0305=3.5電機額定電流3.5 A；P0307=1電機額定功率1 kW；P0310=400電機額定頻率400 Hz；P0311=24 000電機額定轉速24 000 rpm；P0700=2端子排數字端子輸入命令；P0701=1 選擇數字輸入1（DIN1）控制電機正轉/停止；P0756=0單極性0～10 V電壓輸入；P0757=0控制電壓0 V；P0758=0%基準頻率，即0 Hz；P0759=10控制電壓10 V；P0760=100%基準頻率，即400 Hz；P1000=2選擇模擬端子1（AIN1）進行頻率設定；P1080=5電機最小頻率5 Hz（約300 rpm），該值用來限制低速運行；P1082=400電機最大頻率400 Hz（24 000 rpm），該值用來限制高速運行；P1300=0線性V/f控制；P2000=400基準頻率400 Hz。

3.5 I/O控制

實現I/O控制的ACC-34AA為外置32入/32出輸入輸出接口板，在每一位進行單獨隔離，在輸入點有1 ms的RC濾波，連接到Turbo PMAC的JTHW端口上，與Turbo PMAC串行通訊，并具有奇偶校驗。通過Turbo PMAC內置的PLC功能控制機器的輔助功能設備、主軸啟停、驅動指示裝置和報警裝置，檢測控制面板輸入信號等。

并聯機構運動平臺由多桿支承，與串聯結構相比剛度大、結構穩定。并聯機器人廣泛應用于數控加工業，解決傳統并聯數控機床的不足。在伺服系統中主要使用了伺服電機作為驅動器件，通過主軸系統來實現一般零件的加工，并給出機器人PLC控制系統的設計方案及I/O點分配與設計，可以實現整個機器人控制系統的安全可靠運行。

參考文獻

[1] 文立偉，路華，王永章，等.基于開放式控制器的六軸數控系統的研究與開發[J].機床與液壓，2003（3）：32-34.

[2] 蔣俊香.關于并聯機床分析設計的理論研究[J].科技創新與應用，2012（20）：6.

[3] 李研彪.新型6-PTS并聯機床的性能分析[D].秦皇島：燕山大學，2004.

[4] 王立平，汪勁松，張華.并聯機床數字化快速開發平臺研究的意義[J].工具技術，2003（10）：3-7.