基于3PRS-XY混联型并联运动机床数控系统研究

　　1 引言

　　并联运动机床(Parallel Kinematics Machine Tool，PKM)，简称并联机床(Parallel MachineT001)，也称虚拟轴机床，它以空间并联机构为基础，充分利用计算机数字控制的潜力，以软件取代部分硬件，以电气装置和电子器件取代部分机械传动，使将近两个世纪以来以笛卡儿坐标直线移动为基础的机床结构和运动学原理发生了根本变化。混联型并联运动机床(HybridPKM)，简称混联机床，属于并联运动机床概念范畴。混联结构包括串并联型、并串联型和复杂混联型，由少自由度纯并联机构再串联其它运动方向的驱动机构构成。混联运动机床混合了并联机构和串联机构，并兼具两者的特点。混联运动机床在很大程度上解决了纯并联机床在加工范围上的限制，使并联机构的应用更具灵活性和实用性。各种不同的串联并联结合，为并联运动机床带来了很大的发展空间。

　　并联机床与传统机床在运动传递原理上有着本质的区别，而且结构和配置呈多样化形式，很难有一种控制系统适合所有并联机床的要求，因此需要机床开发者自行配置控制硬件和软件，并要求并联机床的控制系统必须是开放结构，以提高系统适用性。目前，比较现实的实现开放式数控系统的途径是PC+多轴控制器。这种结构中，PC机处理非实时部分，实时控制部分由多轴控制器来承担，形成多级分布式控制模式。这样架构出来的数控系统既具有前端PC机的柔性，又具有专用CNC系统的稳定性和可靠性。目前在国内市场上，性能价格比较高的当属PMAC开放式控制系统。由于PMAC运动控制器优异的轨迹跟踪能力和开放特性，在很多高性能的数控系统和研究项目中选用它构建开放式控制系统。TurboPMAC多轴运动控制器是PAMC系列的升级版本，保持了PMAC的优良性能，其特有的多种开放特性，更适合于构建复杂的开放式数控系统。

　　北京理工大学在“985”项目的支持下，研制成功了3PRS-XY混联型并联机床样机，作者结合该机床的研制，设计了基于“PC+TurboPMAC”模式的开放式数控系统。

　　2 混联机床结构

　　新型3PRS-XY型混联机床为五轴联动加工机床，实物如图1所示，由并联机构和串联机构两部分构成。上半部分为一个3自由度的3-PRS型并联机构，包括固定平台和动平台，固定平台和动平台之间通过三个定长杆件联接，每一杆件链包含移动副(P)、转动副(R)和球面副(S)。三个移动副水平120°均匀分布在固定平台的立柱上，并由直线电机驱动。该机构的动平台具有一个平动自由度(Z轴)和两个旋转自由度(A、B轴)。下半部分为X-Y工作台，具有两个平动自由度(X、Y轴)。