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3-PUU 並聯機構（gòu）激光（guāng）平麵切割機數控係統的研究

2020-5-16 來源（yuán）：廣西科技大學江蘇（sū）海德威激光發展作者：丁偉張宏獻吳德林

摘要：基於 3-PUU 並聯機構，利用運動學反解原理（lǐ）推導出一種簡單的運動控製算法。采用PC+SMC6490 運動控製器的開放式數控係統結構，並用 Visual B6.0 作為上位機軟件開發（fā）工（gōng）具，研究並開發出平麵激光（guāng）切割機數控係統。經過實際應用，證明算法正確可行，控製（zhì）係統滿足激（jī）光切（qiē）割對效率（lǜ）及精度的要求。

關鍵詞： 並（bìng）聯機構；激光切割機（jī）；運動學反（fǎn）解；開放式；數控係統

0 引言

近年來,不鏽鋼板材由於耐腐蝕性好，且具有較高的強度（dù）、韌性和加工塑性，在航空航天、醫療（liáo）器械、核工業（yè）、機械儀表（biǎo），以及煤礦機（jī）械設備中（zhōng）得到越來越廣泛的應用。激光切割由於具有（yǒu）熱影響區麵（miàn）積小（xiǎo），切口窄等優點，是不鏽鋼板材切割的首選方法。但是（shì）傳統激（jī）光平麵切割（gē）機（jī）床從結構上看，屬於龍門式串聯型直角坐標機床，結構相對複雜、剛度較低、運動（dòng）慣量（liàng）大、有運動累積誤差，無法滿足高速、高（gāo）精度（dù）的（de）要求。並聯機構的結構相對簡單，同時具（jù）有高（gāo）剛性、高速（sù）度、高加速度、高精度、高柔性、高靈活性、無累積誤差的優點（diǎn），非常適合激光切割的要求。本文提出將並聯機構應用於激光切割，並設計一種更經濟、更開放的控製係統有著積極（jí）的意（yì）義。

1、機（jī）械（xiè）結構

並聯機構的（de）種類（lèi）很多，但是相對於多自由度而言（yán），少自由度（dù）並聯機構具有結構簡單（dān）、造價低、靈活性高等特點，因此，少自由度並（bìng）聯機（jī）構具有更實際的應用價（jià）值，出現了（le）各（gè）種不同的三自由並聯機構。如3-PRPU 三平動並聯機構、3-SPS-S 空（kōng）間（jiān）三轉動並聯（lián）機構（gòu）、3-PUU 平動並聯機構等。其中 3-PUU 並聯機構結構相對簡單，可以滿足激光平麵切割的要求（qiú）。采（cǎi）用圖 1 的 3-PUU 並聯機構，每一個傳動鏈由1 個移（yí）動副（P），2 個轉動副（U）組成，3 條（tiáo）導軌成（chéng）等邊三角形垂直布置，電（diàn）機帶動 3 個（gè）滑塊上下運動，通過 12 個（gè）虎克鉸鏈和 3 個（gè）平行四邊形機構，帶動動平台實現三維平動，激（jī）光切割頭安裝在動平（píng）台上，從而完成平麵（miàn）切割加工（gōng）。

圖（tú） 1 3-PUU 並聯機構（gòu）示意圖

1. 滑塊 2. 虎克鉸鏈 3. 連杆 4. 導軌（guǐ） 5. 激光切割頭 6. 動平台 7. 定平台

2、數控係（xì）統的硬件結構及控製原理

由於（yú） 3-PUU 並聯機構（gòu）動平台的運（yùn）動是通過 3個滑塊的移動來實現（xiàn）的，需要（yào）同時控製 3 個驅動電機。因此，采用 SMC6490 運動控製器+工業 PC 機為硬（yìng）件基礎開（kāi）發（fā）數控係統，SMC6490 運動控製器是基於10/100M 以太網的通用型獨立式四軸運動控製器，結合 PC 機豐富的軟硬件資源，人機界麵（miàn）美觀，開放性好。

平麵激光切割機，除了要求高（gāo）效、高（gāo）可靠性、高精度外，還（hái）應具有較高（gāo）的性價比，采用半（bàn）閉環伺服數控係統，硬（yìng）件（jiàn）構成（chéng）如圖 2 所（suǒ）示。用 3 個交流伺服電機作為驅動（dòng）電機，控製動平台運動；SMC6490 運動（dòng）控製器通（tōng）過網線接收 PC 機發出（chū）的控製指令，並（bìng）承擔加工控製所需（xū）的實時任務，如多軸（zhóu）插補、發送電機驅動器的脈衝（chōng）和方向（xiàng）信號（hào）、激（jī）光開（kāi）啟（qǐ）關閉（bì）信號、處理跟隨（suí）信號以及其他 I/O 開關量信號等，同時將工作狀態反饋給 PC 機； PC 機則處理非實時部分，如人機對話、界麵管（guǎn）理、複雜的算法、參數設置等，同（tóng）時通過調用運動控製器函數庫裏的函數向運動控製器（qì）發（fā）送指令。該數控係（xì）統的優點是結構簡單（dān）、開放性（xìng）好，可以滿足高精度、高速度的激光切割加工的要求（qiú）。

圖（tú） 2 數控係統的硬件結構

3、算法及軟（ruǎn）件設計

3-PUU 並聯機構不同於傳統機床的直角坐標結構，不能像傳統機床那樣直接控製 X、Y、Z 軸的運動，也不能直接使用通用的 ISO 代碼進行控製，因此3-PUU 並聯機構的運動控製算法及軟件設計成了該數控係統的關鍵。

（1）運動控製算法（fǎ）

3-PUU 並聯機構的最終控製對象為動平台，其運動可以看成是在 XYZ 直角坐（zuò）標係內的（de）三維平動（dòng），而電機（jī）所驅動滑塊是在垂直於底麵的 3 個導軌上滑動，如何建立二者之（zhī）間的聯係是該算法的主要任（rèn）務（wù）。如圖 3 所示，將（jiāng） 3-PUU 並聯機構進行了簡化，1、2、3 軸分別（bié）為 3 根（gēn）導（dǎo）軌的橫截麵中心線，以 O 為原點建立機床（定平（píng）台）坐（zuò）標係，以 O1為原點建立動平台（tái）坐（zuò）標係，3 個滑塊分別看成 3 個點，雙連杆（gǎn）簡化為單連杆。

平麵激光切（qiē）割機要能加工高質量的產品，其切割頭在切割運動中必須始終與工件保持一定的法向距離，也就是隨動裝置。那麽在加（jiā）工過程中動平台則需要（yào）能（néng）延 Z 軸做（zuò）直線（xiàn）運動和平行於 XY 平麵做插補運動。延 Z 軸做直線運動（dòng）隻需將隨動信號控製 3 個滑塊（kuài）同步運動就可以了（le），因此重點要研究動平台上做平行於 XY 平麵（miàn）插補運動時，3 個滑塊（kuài）的運動狀態。采用運（yùn）動（dòng）學反解的原（yuán）理（lǐ），假設動平台在某一高（gāo）度做平動時（shí），其平麵與 1、2、3 軸分別有交點 A、B、C 為定點，此時滑塊的位置分別為 A2、B2、C2，為動點，求出其在（zài）每個插補點坐標（biāo）變化量則可反映滑塊的運（yùn）動。

圖3 3-PUU 並聯機構運動簡圖

下麵以 1 軸為例，分析（xī）其滑塊的運動：設定平台（tái）三角形邊長為 L，動平台三角形（xíng）邊長為 L1，連杆長度為 L2，動（dòng）平台坐標係原點 O1在機床坐標（biāo）係的坐標值為 XO、YO、ZO，可以求出 A、A1 兩點在（zài）動平台坐標係中坐標

同樣的方法可以求出 2、3 軸滑塊在 Z 方向的坐標值，假設（shè）動平台（tái）的（de）運動軌跡經粗插補後（hòu）得到若幹插補數（shù）據點，進而得到相鄰兩插補點間的（de） A2、B2、C2三點在 Z 方向的變（biàn）化量。再將隨動信號疊加（jiā），從而確定了動平台在在某一（yī）高度（dù）進行平麵輪廓切割運動時（shí），3 個（gè）滑塊直線運動。

（2）軟件（jiàn）設計

數控係統上位機軟（ruǎn）件（jiàn）采用 Visual B6.0 作為（wéi）軟件開發工具，利用 SMC6480 運動控製器內容（róng）豐富的（de）函（hán）數庫，隻需（xū）要（yào）調用庫（kù）內相應的函數，即可對複雜的運動與 I/O 開關量的（de）進（jìn）行控製。使人（rén）機聯係變得（dé）簡單、直觀。由於係統工作的實時任（rèn）務由SMC6480 運動控製（zhì）器承擔，因此上位（wèi）機軟件結（jié）構采用較為簡單的前後台結構。

如圖 4 所示，後台程序為主程（chéng）序，由初始（shǐ）化、回參考點、讀入並顯示圖形、數據處（chù）理、激光器啟停（tíng）、循環加工等（děng）幾個部分組成；前台程序是一個定時中斷服務程序，在初始化後啟動該程序，定時掃描（miáo）運動控製器的各（gè） I/O 端口，發現有超程、故障報（bào）警等（děng）信號時，暫停或退出主程序，並提（tí）示報警（jǐng）信息。

圖 4 上位機（jī）軟件結構

由於並聯機構動平台的（de）插補控製不能由步（bù）進（jìn）電機直（zhí）接控製（zhì），必須（xū）先對動（dòng）平台的運動曲線進行粗插補，經（jīng）過（guò）前述反解的算法得到各運（yùn）動滑塊的插（chā）補增量，再通過 SMC6480 運動控製器的多軸連續插補函數控製伺服（fú）電機運動（dòng）。因此，係統軟件必須將原（yuán）始圖形數據經粗插補並轉換成各運動滑塊的插補增量，形成最終的加工數據。

以逆圓（yuán）弧插補（bǔ）為例，如圖 5 所示： R 為圓弧半徑，H 為圓弧弧度，XO、YO為圓心坐標， XP、YP為起點坐標；X（i）、Y（i）為動（dòng）平台坐標原點, ΔABC 為定平台，N 為插補（bǔ）次數。

圖 5 逆圓弧插補

其插補子程序流程圖如圖 6 所示（shì）。

每一段曲線必須先完成所有插補點的計算，並轉換為運動軸的增（zēng）量值，用二維數組 P（i，j）記錄，才能調用多直線連續插補函數 SMCVectMoveMultiLineN控製激光切割頭從起點運動到終點，下位（wèi）機（運動控製（zhì）器）對機床進行位置控製的同時（shí），上位機又（yòu）在進行下一段曲線的粗插補和增（zēng）量計算了。

圖 6 圓弧插補（bǔ）子程序流（liú）程圖

4、結語

采用 3-PUU 並聯機構通過運動學反解（jiě）的算法，並配合（hé） PC+運動控製器的開放式控製係統對算法的（de）實現（xiàn），應用在平麵激光切割機上完（wán）全可行，滿足效率及精度的要求。以此為基礎，還可以將該研究成果應用在類似有三維（wéi）平動、輕載荷要求的設備上、具有廣（guǎng）闊的實用前景。

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