2 虚拟轴机床数控系统

1. 控制原理
   如图1所示，机床通过三驱动杆的伸缩，使活动平台带动刀具在空间实现三自由度平移及期望的轨迹运动，以满足加工的工艺要求。
   本机床采用连续轨迹控制。三杆伸缩速度vl与机床活动平台速度vp的关系为： (1)式中J－1为机床雅可比矩阵的逆矩阵：
   
   式中
   
   
   若在单位时间内，活动平台位置微小变动为、驱动杆长度微小变化为，驱动三杆的电机的转角增量为、转角与杆直线位移间的比值为k，则有

   (2)

   据此可设计本机床数控系统。
2. 硬件
   本虚拟轴机床数控系统见图2。
   
   图2 虚拟轴机床控制系统图
   本机床采用多CPU两级控制。Intel 80486作主控制处理器，完成轨迹规划、坐标变换、界面管理以及开关量I/O管理等。其中开关量I/O包括驱动杆上下极限开关、控制电源及电机电源与程序之间的安全连锁信号等。这些信号全部经过光电隔离以提高安全性及抗干扰性。用运动控制器LM628作从属CPU，完成实时性很强的各轴的运动伺服控制。这种采用轴控制器的方式有利于实现系统的模块化。从式(1)、(2)可以看出，本虚拟轴机床运动学方程简单、雅可比矩阵及其逆矩阵为显式，计算量小，为实时控制提供了条件。采用80486完全可以满足10ms控制周期的要求。
   本系统主要硬件基于PC机ISA总线，因此在ISA总线上增加新的元件可以很容易地实现功能扩展。
   每个轴处理器与D/A、放大器和反馈元件构成半闭环伺服控制单元(见图3)。反馈元件是与电机同轴安装的增量式光电编码器和测速发电机。其中速度环用模拟PI调节器，采用测速机反馈，该反馈回路增大了系统阻尼，减小了静态误差，改善了系统动态特性。
   
   图3 伺服控制单元
   主控制处理器将各杆理论长度换算为伺服电机应转过的理论角度值(脉冲数)，并将此数值传给轴控制器。轴控制器对光电编码器传回的脉冲进行鉴相、四倍频处理和计数，得到伺服电机转过的实际角度值。处理器对计数器作周期性采样，把采样值与理论值作比较，根据所得的差值进行PID控制策略的计算，经过一定的增益变换后输出到D/A，将其转换成模拟信号，经功率放大，再输出到伺服电机进行控制。LM628芯片构成一个数字PID控制器。
3. 软件
   虚拟轴机床数控系统兼具传统数控机床与机器人的特点，这个特点主要体现在数控软件上(见图4)。

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