混聯機構是并聯機構與串聯機構相結合的一種機械結構形式，并聯機構是其核心組成部分。并聯機床的典型結構是Stewart平臺，由動靜平臺和6根可伸縮桿件構成。并聯機床自1994年問世以來，因其結構簡單、剛度大、重量輕、加速性能好、承載能力強、模塊化程度高等優點，受到國際機床行業的高度重視。目前全世界已有數十家公司進行這一新型機床的研究，并已經開發出了多種不同結構類型的并聯機床。

　　并聯機床的結構和配置呈多樣化形式，與傳統機床在運動傳遞原理上有著本質的區別。在傳統的機床中，各伺服軸的運動相互獨立，刀具的運動量是各伺服軸運動量的線性組合。而在并聯機床中，各伺服軸的運動相互禍合，刀具運動量是各伺服軸運動量的非線性映射。因此很難有一種控制系統能適合所有并聯機床的要求，這就要求機床開發者自行配置控制硬件和軟件，并要求并聯機床的控制系統必須是開放結構以提高系統的適用性。

　　目前，比較現實的實現開放式數控系統的途徑是PC+多軸運動控制器。在這種結構中，PC機處理非實時部分，實時控制部分由多軸運動控制器來承擔，形成多級分布式控制模式。這樣架構出來的數控系統既具有前端PC機的柔性，又具有專用CNC系統的穩定性和可靠性。

　　目前，在國內市場上，性能價格比較高的當屬可編程多軸運動控制器(Program Multiple Axis Controller,PMAC)開放式控制系統。由于PMAC優異的軌跡跟蹤能力和精度，在很多高性能的數控系統和研究項目中都選用它構建開放式控制系統。Turbo PMAC是PMAC系列的升級版本，保持了PMAC的優良性能，其特有的多種開放特性更適合于構建復雜的開放式數控系統。

1 PRS-XY混聯機構描述

　　該機構由并聯機構和串聯機構兩部分構成。上半部分為一個3自由度的PRS型并聯機構，包括固定平臺和動平臺，固定平臺和動平臺之間通過3個定長桿件連接，每一桿件鏈包含移動副、轉動副和球面副。3個移動副水平120均勻分布在固定平臺的立柱上，并由直線電機驅動。該機構的動平臺具有一個平動自由度(Z軸)和2個旋轉自由度(A,B軸)。下半部分為X-Y工作臺，具有2個平動自由度(X,Y軸)。該混聯機構為五軸運動加工平臺，采用了串聯驅動和并聯驅動并用的混聯驅動原理，兼有并聯機床和傳統機床的優點，克服了并聯機床工作空間小的缺點，可應用于復雜型面零件的加工。

2 數控系統硬件的構成和特點

　　控制系統采用PC+運動控制器的開放模式

　　PC機選用研華AWS-2848VTP-體化工作站，運動控制器為美國Delta Tau公司的Turbo PMAC多軸運動控制卡。控制系統包含5套伺服驅動系統，分別用于并聯機構的3組直線電機驅動和串聯機構的2組交流伺服電機驅動。采用光柵尺進行位置檢測。通過Turbo hMAC的5個伺服控制通道，實現5組伺服系統的閉環控制。利用Turbo PMAC的第6個伺服通道控制主軸電機變頻器，實現主軸調速，以支持數控代碼中的主軸速度指令。I/O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，檢測控制面板輸人指令信號等。DPRAM為雙端口存儲器，用于實現PC機與Turbo PMAC之間的無需握手的高速數據通信，使數據傳輸更加流暢，保證機床的實時控制性能。

　　控制系統的特點是以PC總線工業控制計算機為控制核心，以PMAC多軸控制卡為運動控制模塊，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。

3 數控系統工作原理

　　順序由APT,PC,Turbo PMAC和伺服驅動系統4部分完成整個數控過程。

　　APT為自動編程工具，完成零件的曲面造型、軌跡規劃和NC代碼生成。可利用目前通用的CAD/cam/" title="CAM軟件">CAM軟件作為APT自動編程工具，典型的有UG和Pro/Engineer軟件。對于APT生成的NC代碼，需進行代碼的后置處理，完成NC.代碼的格式轉換和語法規則檢查，以適應五軸混聯機床的NC代碼控制。后置處理是專用模塊，是面向該棍聯機床專門開發的處理軟件程序。

　　如前所述，并聯機床的刀具在操作空間的運動是關節空間伺服運動的非線性映射，刀尖軌跡規劃和編程在虛軸上進行，一般基于笛卡兒坐標，而實際驅動軸在并聯桿系的節點上，是基于關節坐標的，它們之間的運動是非線性關系。因此，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川。由于虛實變換很強的非線性性，為保證精度，在施行運動學變換前，還必須首先對規劃軌跡(包括直線段)進行數據點密化，即在笛卡兒坐標空間中進行粗插補。通過粗插補處理，可以有效地減少由于非線性映射造成的原理性誤差。采用極小的采樣周期進行粗插補，所產生的此類誤差甚至可忽略不計，但插補所產生的大量的數據需要傳送到運動控制器中，由于通信速率的限制而導致在線實時控制功能難以實現。

　　本系統充分利用了Turbo PMAC提供的運動學計算功能，將逆運動學計算程序下載到Turbo PMAC中，并且由Turbo PMAC來完成粗插補處理，極大地降低了PC與Turbo PMAC之間的數據傳輸量，提高了數控系統的實時性能。粗插補采用時間分割算法，通過Turbo PMAC提供的段細分功能實現，并通過特定的I變量設定粗插補周期。精插補利用Turbo PMAC內置的樣條插補功能，以此來提供伺服控制所需的位置指令數據。

　　控制系統的這種設計方法不僅能有效地解決PC與Turbo PMAC之間的數據傳輸瓶頸，而且可充分利用Turbo PMAC提供的G代碼控制功能和刀具半徑補償功能，降低系統的開發周期，提高整個數控系統的實時在線控制功能。

4 數控系統軟件規劃

　　控制系統軟件是基于Windows 2000系統平臺的，用Borland的C + + Builder 6 . 0開發。軟件系統采用多任務調度模式開發，根據預定的調度策略調整各功能事件的運行狀態。

　　整個任務系統包括兩大模塊:系統管理和機床控制

　　系統管理模塊主要完成加工程序的預處理和人機信息交互界面。參數設置模塊用于運行軟件的參數設置、加工程序的刀具參數設置和機床結構參數設置。文件管理模塊用于載人和存儲NC加工代碼程序文件。手動編程模塊可支持人工NC編程，適合于較簡單零件的加工。人機交互模塊主要用于各種工作模式的選擇、調試和運行管理，進行數據和命令的輸人，反饋用戶操作信息和系統運行狀態。指令解釋模塊負責對用戶的數控操作指令進行解釋和處理。仿真模塊按照NC加工程序要求完成機構的運動學仿真，進行作業空間校驗和運動干涉檢驗。誤差補償模塊用于動態加載誤差補償規則、算法和數據，修正運動控制量，減小加工誤差。誤差補償數據可通過專用儀器檢查刀尖位置獲得，也可對來源于加工過程中的誤差進行測量統計。

　　機床控制模塊負責處理與Turbo PMAC有關的任務。通信模塊用于建立PC與Turbo PMAC之間的數據通信渠道。運動學模塊包含機構的運動學變換程序，在系統初始化時該程序被下載到Turbo PMAC的專用存儲器中。PLC模塊負責將PLC程序下載到Turbo PMAC，完成機床的開關量檢測和順序控制功能。卡設置模塊完成Turbo PMAC的初始參數配置。實時監控模塊用于實時檢查Turbo PMAC數據區狀態和伺服系統運行狀態，并將檢查數據傳送到人機交互模塊，實現刀具軌跡和伺服軸運動的模擬顯示、控制狀態顯示和故障報警指示。

5 結束語

　　本課題結合新型PRS一XY混聯加工平臺，設計開發了基一于"PC十多軸運動控制器”架構的開放式數控系統，直接采用標準G代碼NC程序控制零件加工，對用戶屏蔽了機床并聯結構的運動控制復雜性。對運動學計算和粗插補功能采用了下載嵌入方式，減輕了主機運行和數據通信負荷，提高了控制的實時性能和主機的管理功能。軟件系統充分利用了Windows平臺的資源優勢，采用面向對象的設計方法建立友好的用戶操作界面和任務調度體系，使整個系統模塊化程度高、可操作性好且功能便于擴展。本文提出的設計思想適用于其他結構類型的并聯機構和混聯機構的數控系統開發。