一、引言我国于2001年正式加入WTO以来，经济发展迅速。随着汽车、航空航天以及一批高新技术产业的发展，含有自由曲面的零件所占的比例越来越大，对自由曲面的加工质量和效率要求也越来越高。但是目前对自由曲面的精加工主要还依靠熟练工人的手工操作。由于手工操作生产效益低下，加工质量不稳定，难以适应自由曲面低成本、短周期、高质量的要求，研究一种高效自动化的研抛设备势在必行。本文针对用于自由曲面研抛加工的JDYP51型五坐标虚拟轴研抛机床，研究出了一种基于PMAC的开放式数控系统。二、虚拟轴机床机构设计的分析本课题所研究的是并联、串联组合在一起的混联机床，该机床为3+2式虚拟轴机床，即3个并联轴实现X、Y、Z向3个坐标运动，并联机构带动动平台实现平动，在动平台上安装2自由度串联机器手，串联机构下加装主轴装置。用此机床进行模具自由曲面的研抛加工。机床照片如图1 所示， 图1 JDYP51型五坐标虚拟轴研抛机床 图2 机床总体结构示意图虚拟轴机床的总体结构如图2所示，它的并联机构由静平台、动平台和三<WP=70>个导轨立柱—滑块—支链相结合的机构组成?，支链采用定长杆，各杆件一端与滑块，另一端与动平台用虎克铰连接，滑块由伺服电机和滚珠丝杠螺母副驱动，沿导轨作上下移动。机床的串联机构连接在动平台上，由两个转动关节构成，分别绕轴转动来调整研抛工具的位姿。虚拟轴机床的位姿分析是求解机床的输入与输出之间的位置关系，当已知机床输入件的位置，求解机床的输出件的位置和姿态称为位置分析的正解，若已知机床输出件的位置和姿态，求解机床输入件的位置称为位置分析的逆解。根据该机床的运动特性，利用解析法可以建立并联机构的位置正解方程，首先要建立并联机构的解析图形，如图3所示，两端取模平方知： 图3 机床并联机构解析图通过几何关系，解出动平台的三个输入与输出的关系：由上式知： 以上所述即为并联机构的位置关系，同时可以利用齐次变换的方法建立机床串联机构的位置方程，并将串并联机构通过动平台为纽带，得到机床整体的位置关系。三、开放式数控系统的硬件设计与实现我们通过对JDYP51型虚拟轴研抛机床的研究，设计使用了一种基于PMAC的开放式数控系统。根据此数控系统所设计的数控装置目前已经完成，如图4所示，控制装置区域划分由上至下为：实时显示区，饲服控制区，控制电路区，核心控制区和主轴控制区。 <WP=71>机床的开放式数控系统构成如图5所示，在工业控制机（IPC）平台基础上，采用PMAC控制器和双端口存储器（DPRAM），从而构成数控系统的控制中心。工控机上的CPU与PMAC的CPU（DSP56001）构成上下位机式的双微处理器结构，两个CPU各自实现相应的功能。下位机由PMAC控制器来实现，主要承担实时性任务，如伺服控制、轨迹规划、可编程逻辑控制等；上位机为工业控制计算机，主要完成数控编程、数控仿真、图形插补和人机界面处理、网络功能等非实时任务。控制系统硬件主要由主频为566MHz的工业控 图4 JDYP51型机床数控装置图5 基于PMAC的开放式数控系统构成框图制机、PMAC运动控制器、双端口RAM（DPRAM）、伺服单元及交流伺服<WP=72>电机等组成。图中的虚线将上位机和下位机的功能模块分开，实线框以外部分为系统的外部设备。由框图可以看出，PMAC控制器与主机（IPC）之间的通讯采用了两种方式。一种是总线通讯方式，另一种是利用DPRAM进行数据通信，主机与PMAC运动控制器主要通过ISA总线通讯，至于控制器和电机的状态、所处的位置、速度、跟随误差等数据则通过DPRAM交换信息。四、开放式数控系统的软件研究虚拟轴机床数控系统实现正常工作，需要三个部分的系统软件来执行：IPC的用户界面应用程序；IPC与PMAC上下位机间的通讯程序；PMAC中对各种输入、输出量进行监控的PLC程序。其中通讯程序的开发工作量最大、最困难、也最具有技巧性，Delta Tau公司提供的Pcomm32已经对通讯程序进行了充分的开发，我们可以通过Pmac.dll进一步利用。人机界面应用程序采用Visual C++6.0语言进行开发。PLC程序采用Delta Tau公司提供的语言进行设计开发。系统软件工作机理如图6所示，图6 系统软件工作机理图开发人机界面应用程序主要是将数控系统的操作界面显示在屏幕上，为系统用户提供一个直观的操作环境。虚拟轴机床系统控制的用户主界面如图7所示，此控制界面软件实现了部分的硬件软件化，将部分控制按钮和指示灯等硬设施转化为软件控制，同时可以根据需要添加多个I/O通道，具有良好的开放性和实时性。在系统操作主界面上，用户可以实时观测到虚拟轴研抛机床在工作过程中的运动坐标情况，也可以通过指示灯显示系统的工作状态，同时可以看到数控功能代码的输入情况。人机界面由手动运动界面，回零运动界面，自动运动界面和参数设置界面组成。 <WP=73>图7 数控系统人机主