PMAC应用（共7篇）
PMAC应用 篇1
0 前言
近年来,随着现代制造业的发展,尤其是计算机集成制造系统(computer integrated manufacturing systems,CIMS)的发展,产品更新速度的不断加快,中小批量生产比重的加大以及数控系统,应用领域的不断扩大,使得用户对CNC系统的需求呈现多元化:在通信组网方面要求CNC系统可以与CAD/CAM/CAPP等系统实现通信;在系统的灵活性、可移植性方面则要求CNC系统具有模块化和可重新配置的特点,可根据不同的用户需求,迅速、高效、低成本地构建面向用户的控制系统。
而传统的CNC系统由于专用性强,功能扩展困难,软件移植性差,组网通讯能力差等缺点,明显已跟不上发展的要求。为了满足对数控系统更具柔性、灵活性和通用性的要求,出现了对开放式数控系统结构的研究[1]。
1 传统CNC系统介绍
数控系统是数字控制系统简称,英文名称为Numerical control system,早期是由硬件电路构成的称为硬件数控(Hard NC),1970年代以后,硬件电路元件逐步由专用的计算机代替称为计算机数控系统。
计算机数控(computerized numerical control,CNC)系统是用计算机控制加工功能,实现数值控制的系统。CNC系统是根据计算机存储器中存储的控制程序,执行部分或全部数值控制功能,并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。
CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置(CNC装置)、可编程逻辑控制器(PLC)、主轴驱动装置和进给(伺服)驱动装置(包括检测装置)等组成[2],如图1所示。
传统的CNC系统专用性强,通用性差,软件为系统的制造商所有,不便于功能的扩展和各种软件的支撑、更新,软件的可移植性差,组网通讯能力差,对机床制造商和用户的要求较高。同时随着数控技术的不断向前发展,传统的数控系统也变得越来越复杂,其自身的缺陷又限制了它的应用,数控系统的这一现状已很难适应当今制造业更新换代快,产品批量小的发展趋势,也不能满足现代制造业向信息化、柔性化、敏捷制造模式发展的需要。鉴于此,创建一个新的强有力的开放性体系结构已是数控发展的最重要趋势。
2PMAC运动控制器结构与功能
PMAC全称为可编程多轴控制器(programmable multi-axis controller),是美国Delta Tau Data Systems 公司于1990年推出的基于PC机平台的开放式运动控制器,它集运动控制和PLC控制于一体,具有优秀的插补计算、伺服和I/O接口等实时控制能力,可以同时操纵1～8根轴,由于每一根轴都是完全独立的,一块PMAC可以同时操纵8台不同机器的8根单轴,或者同一台机器的8根轴,或者两者之间的任意组合,最多可控制32根轴(turbo PMAC)。板上的MACRO接口允许将诸多的PMAC卡联成环形网进行控制。它支持多种总线规范(ISA,PCI,VME和STD),同一控制软件可在不同的总线上运行,从而提供了多平台支持特性。PMAC还支持多种电机(如直流伺服电机、交流同步电机、交流异步电机、步进电机,直线电机等)和检测反馈元件(增量编码器、绝对编码器、旋转变压器、线性磁传感器等)。PMAC以Motorola 56000系列 DSP为CPU,板上的存储器用于存放系统控制软件和用户程序、I/O接口和伺服接口用于连接外部输入/输出信号和伺服电机,板上的显示接口允许连接一个2×40的字符液晶显示器。此卡本身就是一个NC系统可以单独使用,也可以插入PC机中,构成开放式控制系统,其硬件结构如图2所示[3]。
3 基于PMAC的开放式数控系统
目前在国内,针对开放式数控研究比较多的方式是采用PC+NC型,即把专用的运动控制器或者完整的NC单元嵌入到工业控制计算机的扩展插槽中。现采用PMAC多轴运动控制器作为NC模块,这种研究方法具有成本低、可运行用户自定义软件、界面友好等优点,且系统开发周期短,运行速度快,控制精度高[4]。
3.1 系统结构
基于PMAC的开放式数控系统采用PMAC多轴运动控制器作为伺服运算和控制主体插入PC机的标准插槽中,插卡为带CPU的智能模块,再加上一些外围设备,如伺服驱动及放大器、交流伺服电机、位置检测部件、接口控制电路、编码器、电源等,以Windows操作系统为软件平台、VC++6.0为开发工具,构成一个模块化的基于PC+PMAC的开放式数控系统,其硬件结构如图3所示。
数控系统的软件结构如图4所示,各功能模块为用户提供一个友好的系统操作界面,在此界面下,系统的各功能模块以菜单的形式被调用。系统的功能模块可分为实时控制模块和非实时管理模块两大类。实时控制模块是控制机床当前运动和动作的软件模块。非实时管理模块主要完成系统初始化、参数输入、加工程序编制及提供人机操作界面、与PMAC通信等功能。
在该体系结构中,数控系统硬件采用PC机为基础,PMAC多轴运动控制器为核心,使用PC机的串口与多轴运动控制器PMAC通信,形成该设备的控制中心。PC机上的CPU与PMAC卡的CPU构成主从式双微处理器结构,两个CPU各自实现相应的功能。数控系统的伺服运算、反馈控制、实时任务处理等程序工作都由PMAC多轴运动控制器和PLC可编程逻辑控制器来完成,其中PMAC主要完成轴的运动控制、开关量的控制和数字化采集等实时性控制;PC机及各种通用接口都处于整个数控系统的终端地位,PC机则主要实现系统的管理功能等非实时性控制,同时PC还具有充足的支持软件来改善系统的用户界面、图形显示、故障诊断等功能,这样的体系结构具有很大的通用性、开放性,是切实可行的。
3.2 系统优势
基于PC+PMAC运动控制器的数控系统,其硬件具有稳定性、实时性,可靠性好,运行速度快,控制精度高等优点。由其提供的强大功能,使系统软件开发变得更为容易,上、下位机之间只需建立简单的通信协议和设置即可实现PC主机与PMAC之间的可靠连接。同时,PMAC运动控制器开放性的特点,为建立开放性的数控体系结构提供了保证,使开发的系统能真正体现开放性的概念和内涵,并易于以后的系统改造、升级[5]。该方案的优点是结构简单、集成方便;由于采用多个处理器部件,系统性能高,可以满足多坐标、高精度、高速度的机械加工的要求;能在保证系统性能的条件下,充分利用PC机的软件资源。
4 应用
数控系统作为数控机床的核心装备,对国民经济的一些重要行业(如国防军工、航天航空、IT行业、汽车、轻工、冶金、医疗等)的发展起着越来越重要的作用。目前,采用基于PC+PMAC运动控制器的数控系统的产品规格有车、铣、磨、滚齿、切割、弯板、冲压、绕簧,还广泛应用在纺
织、印染、印刷、包装、玻璃、饲料、微电子等机械上,市场占有率越来越高。
5 结语
开放式数控系统是数控技术发展的必然趋势,随着计算机性能的提高和实时操作系统的应用软件化,PC+PMAC卡的数控系统将被广泛采用,它使得数控系统具有更大的柔性和开放性,方便系统的重构和扩展,降低系统的成本。
摘要：介绍了一种功能强大的多轴运动控制器PMAC卡,并对其特性进行了分析。研究了采用PC+PMAC卡的开放式数控系统的结构及其应用领域。该开放式数控系统具有较强的可操作性和较高的实用价值。
关键词：可编程多轴控制器,开放式,计算机数控系统,应用
参考文献
[1]曹豪英,王小椿,张彬.一种高速CNC雕铣机数控系统的设计[J].组合机床与自动化加工技术,2005(12):68-70.
[2]什么是数控系统[DB/OL].http://www.jdzyjs.com/jixie/gc/12558.html.
[3]PMAC开放式运动控制卡[DB/OL].http://www.c-cnc.com/news/newsfile/2008/8/7/14491.Shtml.
[4]陈志育,秦现生.基于PMAC的数控系统的研究与开发[J].机床与液压,2007(9):107-110.
[5]李显,殷苏民.基于PMAC的玻璃雕刻机数控系统的研究和开发[J].兰州工业高等专科学校学报,2003(12):25-28.
802.11pMAC层协议研究 篇2
1 MAC层关键技术
1.1 虚拟载波监听技术与网络分配适量
载波监听主要用来判断媒介是否处于可用状态。802.11具备两种载波监听,即物理载波监听和虚拟载波监听。只要其中一个监听到介质忙碌,MAC层就会向上层发送忙碌状态。物理载波监听是有物理层处理,由于隐藏节点随处可见,因此无法提供所有必要的信息。
虚拟载波监听基于网络分配矢量(NAV,Network Allocation Vector)。802.11的每个帧包含一个Duration字段,可以用来预定一定的介质占用时间。NAV本身是一个定时器,以微秒为单位,进行倒计时,会根据收到的帧进行更新。只要NAV的值不为0,代表介质忙碌;若NAV为0,代表介质处于空闲状态。这就是虚拟载波监听功能。利用NAV可保证工作站的原子操作不受被中断。比如,RTS/CTS过程是一种基本操作,图1说明NAV如何保证整个操作不受干扰。
NAV线上的条状图代表NAV定时器,只要NAV条状图存在,其他工作站必须延迟访问介质。为了保证整个过程不被中断,RTS和CTS中都会计算和设置NAV的值,在收到NAV的信息后会通过与工作站此时的NAV值比较进行更新。位于相同物理信道的工作站均会收到NAV,因而也会适当的延迟对介质的访问,即使这些工作站分别处于不同的网络中。
1.2 帧间间隔与优先级
与传统Ethernet一样,帧间间隔(IFS)可以协调介质的访问。每个物理层的aSIFSTIme和aSlotTime是固定的,可以以此得出不同帧间间隔的长度。802.11用到四种不同的帧间间隔,其中三种用来决定介质的访问,简述如下:
短帧间间隔(SIFS),用于高优先级传输场合,如RTS/CTS过程以及ACK确认过程。经过SIFS,即可进行高优先级传输。由于帧间间隔短,所以需要传输的帧的优先级高。SIFS为最短的时间间隔,当站点已经获得媒介的访问权且需要保持完成帧的交换序列的的持续时间时,使用SIFS,为已启动的交换过程的完成提供优先权。
PCF帧间间隔(PIFS),点协调功能中所使用,优先级高于竞争式传输。PIFS可由公式PIFS=aSIFSTime+aSlotTime导出。PIFS只能被在PCF下的站点使用。
DCF帧间间隔(DIFS),分布式协调功能中所使用。DIFS是竞争式服务中最短介质访问空闲时间,长于PIFS。DIFS可由DIFS=aSIFSTime+2*aSlotTime导出。采用DIFS站点只要其载波监听机制确定媒体在DIFS内空闲且退避时间到期即可允许发送。
扩展帧间间隔(EIFS),并非固定的时间间隔。只有在帧传输出现错误是才会用到EIFS工作于DCF方式下当FCS校验错误才使用EIFS。
在持续时间上,DIFS>PIFS>SIFS,通过设置不同的帧间间隔,不同优先级的帧可以得到不同的访问优先级。
1.3 随机退避机制
在DCF工作方式下,当帧传输完毕,工作站等待DIFS后会试图传输之前拥堵的数据。DIFS之后紧接着的一段时间称为竞争窗口或退避窗口[2]。此窗口由时隙(slot)组成,时隙长度由介质决定。工作站会随机挑选某个时隙,之后进行介质访问。所有时隙的选择机会相同,当多个工作站竞争发送,时隙较短的工作站可以优先发送。
退避时间选取如下:T=CW×Random()×SlotTime
其中Random() 为随机数在0与1之间取值,SlotTime是时隙大小,CW为竞争窗口。通过以上公式可以选择窗口CW范围内的随机长度的时隙作为退避时间。CW在CWmin和CWmax之间选择。协议规定的随机退避算法是二进制指数退避算法:当一帧准备发送时,CW被初始化为CWmin,以后每次进入重传时加倍,直到CWmax,之后保持CWmax。
在随机退避状态下,若检测到信道空闲,退避计时器开始计时,当信道进入忙的状态,退避计时器停止计时,直到再次空闲时间达到DIFS恢复计时。这种机制下,退避时间最短的工作站获得介质访问权,其他工作站等到下次空闲时继续退避计时,竞争访问权。这样避免了有的站永远无法获得访问权。具体工作方式如图2。
2 MAC层网络工作方式
无线介质的访问是由协调功能控制的。分布式协调功能(DCF)通过CSMA/CA机制控制,用于竞争服务。点协调功能(PCF)可用于无竞争服务。在各取所需的DCF与精确控制的PCF之间,网络可使用混合协调功能(HCF)。无竞争服务只用于基础服务型网络,只要工作站支持HCF就可以提供服务质量(Qo S)功能[3]。
2.1 分布式协调功能
载波监听多路访问/碰撞避免(CSMA/CA,Carrier sense multiple access with collision avoidance)是DCF的关键技术。
发送方如果检测到信道空闲,等到空闲超过帧间间隔DIFS,然后发送帧,若检测到信道忙则等到信道空闲超过DIFS,利用退避算法随机计算退避时间,开始退避,若信道忙则暂停退避等待空闲DIFS后继续退避。发送方等待ACK,若接收超时或接收错误则认为发生碰撞。碰撞后,通过重传退避算法修改竞争窗口,等待重新发送,重传超过一定次数则要丢弃这一帧。在超时时间范围内收到ACK认为发送成功。接收方接到帧后通过CRC校验,校验通过则返回ACK,否则丢弃这一帧。
2.2 点协调功能
点协调功能提供无竞争服务,基于轮询机制。在PCF中,AP控制所有工作站的帧发送,在一个周期开始,通过beacon帧设置所有工作站的NAV达到介质访问控制的目的。需要提供无竞争服务的工作站向AP进行请求,获得许可后加入轮询队列。AP按照优先级向队列中发送轮询帧,被轮询的站点可以发送数据,接收站发送确认帧确认发送成功。PCF在实现上并不常见。
2.3 混合协调功能
有些应用需要比DCF更高的服务质量,又不需要PCF那么严格的时机控制。HCF仅应用在需要QoS的网络中。HCF对DCF和PCF进行了强化。在竞争模式下,HCF使用EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)机制。在无竞争模式下,使用HCCA(HCF Controlled Channel Access)机制。以下主要对车载网络应用的EDCA进行介绍。
EDCA机制为工作站提供八种不同优先级的分布式无线介质接入,定义了四种接入种类(AC,Access Category)来提供不同优先级的接入支持。八种TC(Traffic Category)分别映射至四类AC中。AC_VO、AC_VI、AC_BE和AC_BK分别代表语音类、视频类、尽力而为类和背景类。接入种类及优先级如表1所示。
不同的AC采用不同的接入参数设置控制接入的过程,参数包括CWmin、CWmax、AIFS。每个EDCA节点中有4个队列分别保存来自4个AC的帧,根据不同的接入参数进行竞争接入,相当于在节点内部建立了虚拟的4个节点进行竞争。
仲裁帧间间隔(AIFS,Arbitration Inter Frame Space)代替了DCF中的DIFS。计算公式为AIFS[i]=SIFS+AIFSN[i]*aSlotTime , AIFS[i]为i类接入种类需要在信道空闲SIFS后继续等待或退避的时隙数,优先级越高,AIFS[i]越小。图3说明了仲裁帧间间隔的计算。
EDCA还通过使用不同最小竞争窗口CWmin和CWmax最大竞争窗口使退避时间拥有不同的范围。内部竞争机制可以使同一节点多个类型同时完成退避导致冲突时令高优先级获得信道访问权,较低优先级继续退避。
3 结论
本文研究了IEEE 802.11p协议MAC层的技术标准、基本框架和各状态之间的转移过程,研究了关键技术及影响网络性能的参数分配,包括网络类型、虚拟载波监听技术与网络分配适量、帧间间隔与优先级、随机退避机制等。
摘要：近年来汽车网络越来越受到人们的关注,人们对IEEE 802.11进行了多项针对汽车这样的特殊环境的改进,便逐渐形成了802.11p标准。该文研究了IEEE 802.11p协议MAC层的技术标准、基本框架和各状态之间的转移过程,分析了MAC层的关键技术及影响网络性能的参数分配。
PMAC应用 篇3
1 PMAC卡简介
PMAC卡是可编程多轴控制器(Programmable Multi-Axis Controller)的简称,是美国Delta Tau公司生产的功能强大的运动控制器,PMAC是目前世界上功能最强的运动控制器之一。PMAC的核心是MOTOROLA的DSP56001/56002数字信号处理器,最多可以控制128个轴,并且提供动态链接库,容易与上位机通信。以PMAC卡为核心进行二次数控系统开发,能根据不同的数学加工模型具体开发系统模块,具有重要技术经济价值。
2 PMAC卡的数据读取方式[1]
由于PMAC将运行过程中各个电机、编码器的各种数据自动的存放在相应的I/O及运动寄存器中,因此用户只需要读取各个I/O及运动寄存器中的值就能得到需要的数据。由用户自己定义一个M变量,指向某一寄存器或内存,用户再通过该变量访问它指向的寄存器或内存。PMAC卡在出厂的时候推荐了M变量定义,如M166->X:$0033,0,24,S,表示M166指向存储器X列的0033H号地址,该地址存放的是一号电机的实际速度值。
3 Win32应用程序与PMAC之间的通信[2]
为了便于PMAC与上层WINDOWS应用程序之间进行通信,Delta Tau公司提供了PComm32通信驱动程序作为上层应用程序与PMAC之间通信的桥梁。PComm32是一个非常有效的开发工具,几乎囊括了所有与PMAC的通信方法,并且与VC++等开发软件有很好的兼性。它由PMAC.DLL,PMAC.SYS,PMAC.VXD 3个文件组成,共包含了250多个函数,彼此之间的关系如图1所示。
PMAC数据采集主要用到以下3个PComm32函数,简要介绍如下:
(1)BOOL Open Pmac Device(DWORD dw Device):该函数开启或关闭PMAC卡,参数dw Device为希望打开的设备号,一般为0。返回值为TRUE则表示连接成功。
(2)BOOL Close Pmac Device(DWORD dw Device):当程序运行完毕,必须关闭所打开的通道,此函数就是实现了这个功能。参数及返回值意义与打开通道的函数相同。
(3)int Pmac Get Response A(DWORD dw Device,PCHAR response,UINT maxchar,PCHAR com2 mand):发送一个命令字符串给PMAC,并从缓冲区中得到PMAC的反应。参数response是指向字符串缓冲区指针;maxchar是传送的字符串的最大字符数;command是指向所传送字符串的指针。
4 应用实例
凸轮轴磨床数控系统的加工方式为PMAC卡控制X轴砂轮架水平往复移动和C轴工件主轴转动两轴联动。其主要硬件设备有工控机、PMAC卡、松下伺服电机、雷尼绍光栅、CBN砂轮、电主轴等。数控系统采用直线光栅采集X轴位移作为反馈,圆光栅采集C轴转角作为反馈,形成全闭环控制,基本原理如图2所示。
以Visual C++6.0为工具,开发了软件控制系统以及人机界面。根据数学模型用程序生成了两轴联动的实际坐标,下载坐标数据到PMAC运动控制卡,再由PMAC运动控制卡控制伺服系统完成加工。在数控系统中,设计了设备运行数据实时显示与监控模块了,用于检测设备的运行状况与监控。
以下以电机温度和电机实际位置监测为例进行介绍:
(1)硬件部分
温度传感器采用BB公司的XTR105芯片,具有较高的精度和线性补偿特性。XTR105采集安装在电机轴承上的铂电阻的温度,转化成4~20m A的电流信号。
其中温度传感器采集的是模拟信号,连接到PMAC卡的ACC—28A的转接板上,转化成数字信号,ACC—28A是四通道的A/D转换转接板,ACC—28A通过数据线与PMAC卡连接。在PMAC卡的pwin32终端中定义:m501->Y:$78C00,8,16,U(第一通道输入A/D转换)。m501指向的地址即为电机温度的地址。
(2)软件部分[3]
首先,从CForm View类中派生出CTemperature Monitor类和CPosition View类,然后分别在各类的On Create()函数中定义一个计时器,设定每隔100 ms触发一次,如下:
int CTemperature Monitor::On Create(LPCREATESTRUCT lp Create Struct)
……
this->Set Timer(1,80,NULL);//定义采集数据每80ms触发一次
……
同时定义该计时器的WM-TIMER消息处理函数OnTimer()如下:
void CPosition View::On Timer(UINT n IDEvent)char buf[255],Temp[255];
Pmac Get Response A(0,buf,255,”m162”);//一号电机的
实际位置
fprintf(Position,"%fn",atof(buf)/7680000);//将
采集结果写入文件保存
m_Position=Temp;//在软件界面显示电机位置
Update Data(false);
CForm View::On Timer(n IDEvent);}
Void Position View::On Timer(UINT n IDEvent)
{char buf[255],Temp[255];
Pmac Get Response A(0,buf,255,”m501”);//一号电机的温度
fprintf(Temperature,"%fn",atof(buf));
m_Temperature=Temp;//在软件界面显示温度
if(Temp>60)
Message Box(“电机温度过高,警告”,MB-ICONEXCLA-MATION);//温度过高提示
Update Data(false);
CForm View::On Timer(n IDEvent);}
PMAC卡中的PLC程序:
Close
Open plc4 clear
……
If(m501>60)
Cmd”a”//停止程序运行
……
close
电机最大行程由导轨的限位开关控制。
采集结果:
下面的数据为采集的部分数据,如图3。
5 结论
本文通过设置机床设备运行状态和监控模块,易于操作人员了解设备状态,并且机床能够安全报警,提高了机床的智能性,有很好的应用意义。
参考文献
[1]彭宝营基于PMAC的数控机床数据实时采集的研究微计算机信息,2007年07期
[2]北京元贸兴控制设备技术有限责任公司.PMAC用户手册.1999.
PMAC应用 篇4
光纤阵列FA(Finer Array)器件是一种高集成、小型化和大数据传输的光学器件,已经被广泛用于光通信、医学、工业、军事等领[1,2]。目前常采用微V型槽法制作FA器件。由于FA器件的耦合损耗、回波损耗、可靠性、制造成本等指标很大程度上与微V型槽基板元件的制造精度密切相关,因此,微V型槽阵列元件是FA器件最基本的关键元件。
微V型槽阵列的加工方法主要有化学刻蚀、激光加工和机械加工等。梁静秋[2]等采各项异性腐蚀技术研制出一维单晶硅V型槽的光纤阵列。蔡玉丽[3]等在微电机系统技术的基础上优化了湿法刻蚀工艺,制造出不同尺寸的单元MEMS光纤连接器件和多通道硅V型槽阵列;刘勇[4]等基于普通车床分析与设计了微V型槽飞切装置,并采用PCD成形车刀在铝材料上进行了飞切加工V型槽的实验;谢晋[5]等针对脆性石英玻璃的微加工,研发了光纤阵列石英玻璃微V槽磨削技术;雷莹[6]研究了光纤阵列的Si-V型槽的制作,探讨了Si-V型槽制作的理论、尺寸设计及工艺;杨利[7]提出FA光纤定位技术之流派浅析,探讨了U型槽和V型槽俩种主流光纤定位方法的特点;李志才[8]等提出基于A3200控制器采用磨削方法实现微V槽加工。
微V型槽阵列的加工方法主要有刻蚀和机械加工两大类。化学刻蚀法加工难以精确控制微V槽的形状精度,且加工效率较低。机械加工主要有飞刀切削和精密成型磨削等加工方法,其中精密成型磨削加工微V槽阵列是目前较为成熟的工艺方法。微V槽阵列精密磨削技术的关键在于精度成形磨削工艺、成形砂轮的修整和精密机床及其控制系统。
基于对微V槽阵列精密磨削工艺的要求,利用PMAC控制器在硬件平台开发出开放式微V槽精密磨床控制软件模块化控制系统,激光干涉仪利用PMAC补偿功能对Z轴定位精度进行测量和补偿,采用金刚石成型砂轮对微V槽精密机床进行高精度磨削加工,满足微V槽阵列精密机床加工工件的高精度设计要求。
1 微V槽阵列精密机床整体构造及加工零件要求
1.1 微V槽阵列高精密机床加工要求
微V沟槽阵列基板元件对加工要求的主要的难点是微V槽的截面形状精度、微V槽间的间距以及所有V槽的间距累误差。微V槽的截面形状主要是靠成型砂轮的制造、修整精度以及主轴回转精度保障,对此本文不作展开。微V槽之间的槽距加工误差通常要求控制在±0.5μm,各V槽间距的累计误差要求控制在±1μm,加工中主要是通过机床进给系统的定位精度来保障。因此,在精密机床设计、制造过程中保障V槽间距方向的运动轴要有足够高的精度要求。
1.2 微V沟槽阵列高精密机床机械结构
针对工件的加工需要,微V槽阵列元件精密机床采用如图2所示机床结构模型。机床进给运动由X/Y/Z三个移动轴加一个B轴转动轴组成。为满足V槽间距及其累计误差的高加工精度要求,机床结构X和Z轴采用精密机床典型的T型布局,严格控制Z轴的定位和重复定位精度。机床采用SP级高精度直线滚动导轨,这种导轨直线度精度高、刚度高、承载能力大,适应高速运动;为了减少机械传动误差,X/Y/Z各线性轴采用直线电机直接驱动。整个机床的进给运动机构安装在人造大理石床身上,大理石床身由四个隔振频率3 Hz的气浮隔振垫上,整台机床再安装在具有隔振沟的隔振地基上,以确保机床具有很好的隔振/抗振能力。
该机床X轴的有效行程为-150~150 mm,Y轴的有效行程为0~150 mm;Z轴有效行程为-80~80 mm,定位精度要求为±0.5μm。
机床主轴采用英国Loadpoint公司的精密气浮电主轴,该主轴轴向和径向旋转精度≤0.05μm,静刚度>300 N/μm,最高转速12 000 r/min,采用水套冷却,具有回转精度高,高速运转时温升小,负载能力强等特点,满足微V槽精密磨削的要求。
2 微V沟槽控制系统的硬件结构设计与软件构架
2.1 硬件简单介绍和硬件结构
机床测控和驱动系统硬件主要包括工业PC机、运动控制卡、驱动放大器、直线电机,光栅尺,气浮主轴变频器等部分。采用Win7系统的工业PC机,运用Delta Tau公司的PMAC运动控制卡实现与机床之间的信息传输,包括各轴的运动控制、插补运算、误差补偿、程序执行、信号处理等。根据控制NC程序,PMAC运动控制卡完成位置环、速度环和电流环的计算,通过Trust TA330线性伺服驱动器将驱动信号放大,直接驱动Park直线电机。采用海德汉公司生产的Lip481R光栅尺进行位置反馈,实现全闭环伺服直接位置控制,保证进给轴的定位精度。机床控制系统硬件结构原理图如图2所示。
2.2 软件框架
在微V槽精密机床数控系统中,PMAC作为下位机,工控机作为上位机。考虑机床操作的简便性和安全性,基于机床数控系统具有开放性等特点,采用Windows操作系统,基于QT的图形界面功能采用C++完成开发。软件是基于Delta Tau公司为PMAC上位软件开发提供的Pcomm Sever软件包开发。Pcomm Sever包含了400多种函数功能,主机与PMAC的通讯和数据交换都可以通过Pcomm Sever中的函数来实现[9]。
机床数控系统软件采用模块化设计方法。数控系统操作软件由单个模块编写调试成功后集成到一起组成,当机床的控制需求改变时,只需分拆和加减模块功能重新进行组装。因此,模块化的设计方法提高了软件开发的灵活性,降低了软件开发的难度,充分体现了数控系统的开放性特点。
微V槽阵列磨床控制系统界面如图3、图4所示,本机床控制系统软件由以下模块组成:
(1)文件管理模块:对于NC文件的读写和编译,对于V沟槽NC代码的生成;
(2)显示处理模块:对于坐标速度状态及电机位置检测显示,生产信息显示和运行过程的警报显示和错误处理;
(3)加工程序自动编程模块:通过输入微V槽阵列元件设计参数和工艺参数,自动生成加工程序;
(4)自动模式模块:连续代码自动加工处理,单段代码自动加工处理,代码断点自动加工处理;
(5)管理模块:加工仿真及校验处理,砂轮参数处理,系统诊断及警告处理,工件坐标系设计及处理,PLC编程处理,系统参数设置处理。
3 Z轴定位精度的检测及补偿
虽然在机床各元件的选型、制造、安装和光栅位置闭环反馈等环节都作了严格的保障,但由于微V槽之间的间距有较高的精度要求,为此,本文在控制系统中通过制定误差补偿表的方式,对Z轴定位精度进行补充,以提高其定位和重复定位精度,保证加工要求。
PMAC提供了螺距补偿和反向间隙补偿(对旋转电机)功能,为了获得最快的速度和最高的精度,PMAC将补偿功能放在伺服周期内执行。当执行定位误差补偿时,PMAC根据电机位置在误差补偿表中查找匹配位置进行补偿。补偿表的相关参数如下:
I51:补偿表的使能,为0时禁用补偿表,为1时启用补偿表。
IXX85:Ixx85决定方向变换时齿隙的获取速度,尽可能设为一个高的值。
IXX86:Ixx86电机XX的齿隙大小,可以是常数,也可以是变化的函数。
IXX87:该变量确保一个非常小的方向变化(例如来自主控编码器的抖动)不会引起齿隙的突然跳动。
误差补偿首先要获取机床的原始误差。测量轴Z轴采用海德汉公司生产的Lip481R光栅尺进行位置反馈,光栅尺输出为正余弦信号,信号周期为2μm,无细分,轴比系数500 cts/mm(每走2μm发送1个脉冲)。论文采用雷尼绍XL-80激光干涉仪测量Z轴正/反向行程的定位误差,由-85 mm~85 mm往返测量三次,每5 mm记录一个点,取正向三次测量误差的平均值,通过PMAC的补偿原理,得出补偿值。补偿值计算方法:先对各个补偿点原始误差值进行误差初始化,值为各补偿点误差值与零点位置原始误差值的差值;生成各个补偿点的误差值=(误差初始化值)*(单位长度产生的脉冲数),最后得出螺距补偿值=各误差值*16(因为所得各误差值是所求补偿表数据的1/16)。将原始测量数据、螺距补偿值、补偿后各点误差值及PMAC补偿顺序依次记录在如表1中。表1中数据为Z轴的部分补偿点相关数据。以零点为参考点,补偿顺序为相对零点正方向第一个点依次到正方向最大位置处,再由负方向最大位置处依次到零点。
制定补偿表:
#4 define comp 35 87500
-3-6-14-16-21-24-26-31-31-34-35-39-44-45-46-48-49 86 81 76 71 65 61 56 49 4437 31 22 15 9 6 2 2 0
图5所示为Z轴未加入补偿的定位精度,图6所示为Z轴加入补偿后检测的定位精度。由图可知,利用激光干涉仪对机床Z轴的定位精度进行6次检测的往返双向误差补偿,补偿后Z轴±85 mm全行程的定位误差从17.561μm降低到0.621μm,这说明Z轴的定位和重复定位精度经过误差补偿后都有了显著提高,能够较好地满足高精密机床加工精度±0.5μm的要求。
4 微V槽阵列高精密机床工件加工结果验证
图8为微V槽实际磨削加工现场照片,利用金刚石砂轮圆盘刀尖端及尖端表面分布的微磨粒切削刃,以砂轮转速带动微尖端上的微金刚石切削刃,对加工工件进行亚微米尺度的塑性域切削。通过双Y轴的进给往复运动、Z轴的进给纵向运动及X轴的进给横向运动使高精度金刚石砂轮圆盘刀微尖端轮廓复制到加工原件上,完成对工件的加工。
加工后采用全自动变焦三维粗糙度轮廓仪Infinite Focus进行形貌检测。图8为微V槽表面形貌比例长度、图9为微V槽表面形貌、图10为微V槽间距。由图10可知,第6个V槽间距为707.37μm、第7个V槽间距为707.5μm、第9个V槽间距为707.11μm及第11个V槽间距为707.79μm,间距偏差分别为0.37μm、0.5μm、0.11μm和0.79μm;实验结果满足加工工件基本要求。
5 结论
针对微V槽阵列元件的加工要求,论文探讨了一种微V槽阵列元件精密磨削机床的结构设计和控制、补偿方法。机床结构采用T型布局,用金刚石成型砂轮对工件进行加工;控制系统采用工业PC机+PMAC运动控制卡的开放式构架,采用线性驱动放大器+直线电机、精密光栅尺全闭环反馈、精密气浮主轴等保障机床运动精度,并利用PMAC控制器的误差补偿控制功能对进给轴进行误差补偿控制,实现对微V槽阵列的的高精密加工。
通过实际加工实验和对加工样件的检测结果表明,本文提出的工业PC+PMAC运动控制卡的微V槽阵列精密磨床,经过对进给轴的定位精度测量和补偿后,其加工定位精度可控制在±0.5μm内,满足对微V槽阵列元件的高精度要求,具有良好的实际运用价值。
摘要：针对微V槽阵列元件V槽间距高精度等加工要求,开展了一种微V槽阵列元件磨削加工机床的研究与开发。介绍了机床的机械结构整体布局和主要零部件选型,并详细介绍了机床控制及驱动系统的结构系统。在机床软硬件平台支持下,基于工控机+PMAC运动控制器完成了系统控制软件的开发。针对微V槽间距较高的精度要求,开展了利用激光干涉仪进行测量和误差补偿的研究,并利用所研发的机床进行了加工实验的加工样件检测。实验和检测结果表明,所研发的微V槽阵列机床加工定位精度可控制在±0.5μm内,满足对微V槽阵列元件的高精度要求。
关键词：微V槽阵列元件,精密机床,定位精度,误差补偿
参考文献
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PMAC应用 篇5
数控技术是二十世纪五十年代发展起来的机床控制新技术,是自动化制造系统的核心技术之一[3]。如何将超声加工技术和数控多轴联动技术紧密结合起来,是当前的一个重要研究方向,也是一项具有广阔应用前景的新技术[4,5]。本文是利用多轴运动控制器(PMAC)、超声加工装置、数控工作台等,构建三维数控超声加工系统。
1 超声波加工原理
超声加工,是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工的方法。如图1所示,它是利用超声频作小振幅振动的根据,并通过它与工件之间游离于液体中的磨料对被加加工表面的捶击作用,使工件材料表面逐步破碎的特种加工,英文简称为USM。
2 超声波加工数控系统总体控制方案
超声数控加工机床系统主要包括机床本体、数控装置、超声波振动系统和磨料工作液循环系统。数控装置由工控机、运动控制器、伺服驱动器、伺服电机及压力传感器组成;超声振动系统由超声波发生器、换能器、变幅杆及工具头组成;磨料工作液循环系统由磨料泵、导管、冷却头组成。控制设计方案如图2所示:
该数控系统利用高性能的工控机为基础,在WINDOWS操作系统的支持下,引入可编程多轴运动控制器(PMAC),充分利用PMAC内部自带的插补功能模块、刀具补偿功能模块、PID控制模块及内置式的PLC逻辑控制模块等技术,依据该机床系统控制的具体要求,通过PMAC内部参数进行初始化来实现与主机、外部系统的通讯,利用PMAC自身语言调用或编制运动程序或PLC控制程序来实现系统的控制,而且能够将编制好的程序下载到PMAC中,可以供以后重复使用或调用,使得系统功能不断完善和提高,具有很大的开放性[4]。
超声加工机床控制系统采用工业控制机(PC)作为控制中心,上位机与PMAC多轴运动控制器之间直接通过串行总线接口(COM)连接进行通讯,充分利用PMAC现有的软硬件资源,形成该机床的控制中心。由工控机上CPU与PMAC的CPU构成主从式双微处理器结构,两个CPU各自实现相应的功能,其中PMAC主要完成机床X,Y,Z轴的运动控制和控制面板开关量控制,工控机则主要完成系统管理功能。为了实现PMAC的功能,还需在PMAC板上扩展相应的I/O板、伺服驱动单元、伺服电机、放大器、编码器等,最终形成一个完整的数控系统[4]。
3 控制系统硬件结构
根据总体方案的要求,这里就这种系统硬件结构进行分析。为了使整个系统具有可扩展性、可升级性和易维护性,该系统采用了通用的板级模块,由工业控制机(IPC)、多轴可编程运动控制器PMAC、伺服运动控制器、通用数字I/O功能模块和伺服运动控制模块等组成。具体的系统硬件结构如图3所示。
本系统所使用的PMAC运动控制器同时控制三根轴,各轴既可以单独运动又可联动,给开发人员提供了很大的灵活性。ACC-8P是外接接口卡,PMAC通过它带动伺服单元,同时编码器的反馈信号也是通过它反馈到PMAC中。每个ACC-8P可提供四个伺服驱动器接口,两个ACC-8P的8个接口除了接3个伺服电机外,还可以用于接编码器、光栅尺、手动脉冲发生器等。PMAC通过外接扩展I/O接口卡ACC-34AA、控制I/O板接口等接口传输数据及指令。
4 伺服系统的控制方案
系统系统中三轴进给机构的驱动装置均采用半闭环反馈控制。PMAC控制器提供了电机的位置环反馈和速度环反馈两种形式,我们可以根据自己的需要来选择反馈形式。在位置控制模式中,我们可以在PMAC的I变量中,Ix02用来存放x号电机给定输出值的寄存器地址。Ix03变量是在位置环模式下,PMAC获得x号电机实际位置信息的寄存器地址,通过编码器转换表的默认设置,Ix03的默认值就是来自编码器的处理过数据的寄存器地址。Ix04变量是在速度环模式下,PMAC获得x号电机实际位置信息的寄存器地址,Ix04的默认值就是来自编码器的处理过数据的寄存器地址。在大多数系统中电机采用单反馈,即采用速度环或位置环中的一种,这个时候Ix03等于Ix04值,即采用同样的寄存器地址来放置实际位置信息。在本系统中,X、Y、Z轴进给单元均采用了位置环反馈控制[4,5]。
5 数控系统的软件
系统控制软件执行的第一步功能是建立上位机(工控机)与下位机(运动控制卡)的通讯,系统通讯功能是通过系统软件初始化函数在一开始就调用通讯程序模块来实现的。然后在加工过程主界面下选择调整系统使用闭环系统(这样做是为防止上一次系统运转时执行了开环指令),或者输入数据、编制和下载运动程序,并且可以在开始加工之前设定数据采集指令,将执行件的运动数据采集、存储起来,在加工完成之后进行数据分析。
5.1 轴定义及控制
在PMAC运动控制器中,它集成了位控板、PLC,I/O等多个功能模块,CNC系统低层的实时任务大多由PMAC来完成,CNC系统的接口也都是围绕PMAC来设计的。它可同时控制1～8个轴,既可单独执行存储于其内部的运动程序,也可执行运动程序和PLC程序[9]。
在编写运动程序之前,首先要定义坐标系和轴,以确定运动单位等。坐标系定义格式为:&1表示一号坐标系,依此类推,只有在坐标系里才能执行运动程序,这一步是必须的。PMAC支持多达16个坐标系[9]。
轴定义为:#1→10000 X表示将1号电动机分配给X轴,10000代表10000个脉冲计数为一个用户单位[9]。
5.2 运动程序基本框架
5.3 运动程序的编写、执行及保存
运动程序可以在普通的文本编辑器中编写,也可以在PEWIN32 PRO中编写和调试。要想在PMAC中保存这些程序,需要将其下载到卡中,再向PMAC发送“save”指令。向PMAC卡发送“&m Bn R”即可执行程序,其中m代表坐标系,n代表几号程序,意思为m号坐标系的n号程序执行。
5.4 超声加工数控系统的曲线运动程序
对于超声波曲面加工,定义三个电机在同一个坐标系里,给出起始、终止点的坐标使得三个电机保持联动就可以了,另外还可以设置一些插补函数来更好的完成三维运动。具体程序如下所示:
6 结论
本文对超声加工数控系统进行了研究,以超声波机床为设计对象进行数控系统的软硬件设计,采用通用的工业控制机为数控部分的硬件核心,运动控制器PMAC承担软件核心和控制任务,伺服驱动器及电机执行控制任务,构建双CPU结构的超声数控系统,在硬件上构成了超声波加工机床系统。软件上,基于PMAC卡软件的基础上,编写PMAC程序,完成超声波数控机床的三维加工。
参考文献
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[3]关美华．数控技术—原理及现代控制系统．成都：西南交通大学出版社，2003．1
[4]元茂兴．PMAC软件手册版本1．0．
PMAC应用 篇6
关键词：无线传感器网络,PMAC协议,自适应,冲突控制,跳数算法
0 引言
无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks)[1]已在太空、医疗、军事等各个方面得到广泛应用，甚至可从人类生理所不能接受的危险环境中获取信息[2]。然而，由于拥塞问题使WSN的使用寿命大大缩减，而更换无线传感器网络中节点的电池是一件很困难的事情。因此，对于拥塞问题的研究显得非常重要。
为了检测拥塞，学者们提出了许多方案[3,4,5,6,7]例如，文献[3]提出了一种分布式、高效节能的通信协议，利用数据聚合技术，以聚类的方式组织节点，由根节点与基站直接通信，一定程度上提高了无线传感器网络的拥塞控制性能。文献[5]提出了跳路由拥塞控制协议，提高了无线传感器网络数据传输的可靠性，研究表明，可以随机生成不同长度的数据包以避免拥塞。文献[7]提出了一种高能效的路由算法，根据各节点剩余能量大小和簇成员数控制簇的形成，使簇头之间通过多跳合作的方式与基站进行通信，从而使网络能量均匀消耗，一定程度上延长了网络寿命，但是，该算法的工作效率不高。拥塞窗口随源节点的传输层而调节，慢启动阈值是基于接受到的信息(路径带宽、延迟以及明确的拥塞通知)而设置的[8,9]。文献[10]提出了一种基于邻居节点拥塞度的区域拥塞检测方法和基于网络编码的拥塞感知可靠路由协议，合理地避免了拥塞，提高了数据成功转发率，然而，能耗增加降低了无线传感器网络的寿命。
文献[11,12]研究表明，冲突和媒体访问延迟影响的最小化有利于节能，因为整个网络及其性能会因为冲突出现大幅度地降级[13]。因此，本文提出了一种基于模式媒介访问控制PMAC的自适应冲突控制协议，可利用节点之间的通信避免冲突，竞争窗口的尺寸通过数据传输的条数SC值[14]和控制参数α[15]进行优化，自适应网络的变化修改竞争窗口的计算参数，使得网络中的竞争冲突减少，仿真结果验证了本文协议的有效性及可靠性。
1 冲突控制算法提出
本节提出了一种有效的冲突控制算法以最小化拥塞的影响，优化设置传递范围、数据包大小、汇聚节点位置、数据速率以及初始能量等计算参数，使本文提出的算法更加高效。
1.1 感应节点计算(Ns)
假设此网络有N个感应节点，随机分布于区域A中。Ns是感应半径范围内的节点近似数量，节点密度定义为:，则Ns计算公式如下:
式中，Rs是每个节点的感应半径，r是该区域中任意位置的网络节点，视为汇聚节点，其他所有的感应节点认为是静态的且网络是均匀的，即所有的节点具有相同的处理功率、感应和传输范围。
1.2 源数
定义传输数据到汇聚节点经过的中间节点的数量为源数，即跳数，SCi为任一节点i的源数。下游节点的源数总是设置为稳定，无论其是否从其上游节点处取得数据包。当汇聚节点从每个源节点中至少获取一个数据包时，网络便进入稳定状态。路由选择通路不需要传输额外的控制数据包即可获得更新[16]，因此，有关数据包传输和接受的所有节点的SC值均会被计算。
采用跳数算法[17]计算源至汇聚节点之间的距离，该算法过程如下。
算法1跳数算法
1.3 竞争窗口计算
依据文献[14]，竞争窗口是时间依赖参数，而数据包流速以及媒体访问延迟通过竞争窗口确定，每个节点的竞争窗口值按下式计算:
式中，W(i)为任一节点i的竞争窗口值，CWmin为最小竞争窗口值，Ns为特定节点感应半径范围内的节点近似数，SCi为任一节点i的源数(SC)。
参数α的引进:参数α为式(2)引入的一个缩放因子，目的是优化冲突和媒体访问延迟的影响，其介于0.1到2之间并由通道竞争决定。
如果传输节点的相邻竞争节点的数量以及α值较低，媒体访问延迟会增加且网络吞吐量会减小。因此，将α的初值设为1，从而保证媒介被有效利用，由式(3)可以看出，α的突变对网络吞吐量产生影响。
1.4 竞争窗口理想化
式(2)的限制是:竞争窗口在数据包数量变化时不会改变，因为窗口大小与数据包大小成比例且与数据速率成反比，可以将下式赋值给W(i):
为使冲突和延迟的影响最小，考虑数据包影响的窗口值由式(5)计算:
式中，Di为第i个数据包的大小。
2 能量分析
本节考虑两种α值影响能量的方案，分别考虑冲突和媒体访问延迟，竞争窗口的大小会有所变化。
方案1节点设置在随机选好的拓补结构中，在这样的WSN中实施计算。在传递数据包的过程中考虑每个节点的冲突影响，此时如果数据包数量很大且当它们同时传输时，冲突极有可能发生。为使冲突最小，控制参数α按0.1的幅度减小。通过上述方式，竞争窗口大小增加且冲突最小化。α按上述变化的确定方法:保持竞争窗口值通过式(4)取值。
方案2考虑网络中媒体访问延迟对每个节点的影响。每个节点传输的数据包数量比方案1的数量少，如果依然使用方案1传输数据包。，媒体访问延迟会增大。为使延迟最小化，竞争窗口的尺寸通过增加α值而改变。通过上述方法，竞争窗口减小且媒体访问延迟达到最小。方案1中的冲突影响已达最小;方案2中的媒体访问延迟的现象得到缓解。因此，为达到理想的竞争窗口大小，两种影响均得到有效考虑。
类似地，所有其他情况列于表1所示。
Case(i):若数据包数量(流量)较大、竞争窗口较小且竞争者数量较少，冲突的可能性较小。吞吐量和延迟处于正常水平。因此控制参数α也保持在与之前相同的状态。
Case(ii):若数据包数量(流量)较小且竞争者数比竞争窗口的间隙数量多，冲突的可能存在。吞吐量和延迟减小。为控制冲突，控制参数α按0.1的幅度减小。
Case(iii):若数据包数量(流量)较小且竞争者数量比竞争窗口的间隙数量少，冲突可能性降低。吞吐量和媒体访问延迟增加。为控制媒体访问延迟，控制参数α按0.1的幅度增加。
Case(iv):若数据包数量(流量)较大、竞争者数量较多且竞争窗口尺寸较大，冲突可能性较小。吞吐量和延迟处于正常水平。因此控制参数α也保持在与之前相同的状态。
Case(v):若数据包数量(流量)较大、竞争者数量较少且竞争窗口减小，冲突的可能增加。吞吐量和延迟减小。为控制冲突，控制参数α按0.1的幅度减小。
Case(vi):若数据包数量(流量)较大、竞争者数量较少且竞争窗口较小，冲突的可能很高。吞吐量和延迟将减小。因此为控制冲突，控制参数α按0.2的幅度减小。
Case(vii):若数据包数量(流量)较大、竞争者数量较少且竞争窗口较小，冲突的可能减小。吞吐量和延迟将较大。因此为控制冲突，控制参数α按0.1的幅度增加。
Case(viii):若数据包数量(流量)较大、竞争窗口较大且竞争者数量较多，冲突的可能性很大。吞吐量和延迟将减少。因此为控制冲突，控制参数α按0.1的幅度减小。
上述多种情况可由图1解释的冲突控制算法得到。
3 实验结果及分析
为了验证本文协议的效率，在实际环境中实现了该协议，实验结果表明，本文协议比SMAC、PMAC、IEEE802.11具有更高的效率。
实验中的网络设置和节点参数设置如表2所示。
将本文协议的性能与IEEE802.11,SMAC、PMAC等标准MAC协议的性能进行比较评估，性能指标，如能量、延迟等，测得结果如表3所示。
由表3可知，在计算的初始阶段，所有协议具有相同的能量，即100焦耳(最大能量)。随着计算时间的增加，节点剩余能量的百分比减少。计算结束时，较802.11协议，本文协议节省21%能量;较SMAC，本文协议节省7%能量;较PMAC，本文协议节省4%能量。因此，本文协议较现有协议更加节能。
本文协议与IEEE802.11,SMAC、PMAC的延迟性能如表4所示。
本文协议中加入参数α的控制冲突，由表4的结果可知，本文协议的延迟更小。
本文协议的竞争窗口尺寸通过数据传输的条数SC值和控制参数α值进行优化，自适应网络的变化修改竞争窗口的计算参数，使得网络中的竞争冲突减少，故可以很好地节省能量和减少延迟。
4 结语
为缓解无线传感器网络中的冲突拥塞问题，提出了基于PMAC的自适应冲突控制协议，传感器节点的睡眠和觉醒时间可自适应确定，时间安排基于个体节点及其相邻流量进行确定。相比IEEE802.11、SMAC以及PMAC协议的性能，本文协议改善了能量效率，可以服务更长时间。
PMAC应用 篇7
机器人已经广泛应用于生产、生活中的各个领域,传统的移动机器人可分为滚动机器人与步行机器人。常见的步行机器人以两足式、四足式、六足式应用较多。其中,四足步行机器人机构简单且灵活,承载能力强、稳定性好,在抢险救灾、探险、娱乐及军事等许多方面有很好的应用前景,其研制工作一直受到国内外的重视。目前最具代表的四足步行机器人是美国Boston dynamics实验室研制的BigDog[1],它能以不同步态在恶劣的地形上攀爬,可以负载高达52 kg的质量,爬升斜坡可达35°。在四足机器人的研究中,控制技术是一个研究重点,目前很多机器人采用了工控机与PMAC(programmable multi-axis controller)相结合的方式[2]。本文介绍了一种基于上位机PC与下位机PMAC的控制系统,用Visual c++与PMAC语言编写了四足机器人控制软件,可对四足机器人的运动进行平稳控制。
1 四足机器人机构与运动学分析
1.1 四足机器人机构分析
为了使四足机器人实现行走、爬坡、转弯等功能,在机械结构上模仿自然界较为常见的大型哺乳动物,如骆驼,水牛等。这些动物在行走时的机构模型可简化为一个具有12个自由度(其中6个独立自由度)的并联机构,如图1所示。
12个自由度均摊在四条腿中,每条腿3个自由度,其中胯关节两个自由度,包括外摆自由度和弯曲自由度;膝关节包含一个弯曲自由度。用Solidworks绘制了四足机器人的样机模型示意图,如图2所示。机器人包括车身与四条腿,每条腿包括胯关节、大腿、膝关节、小腿和足,可模拟骆驼等动物的步态进行行走,足与小腿固连,在与机器人行走过程中支撑机器人并提供机器人前进的反力。
2.2 四足机器人运动学分析
四足机器人可以看做一个移动的并联平台机构,各腿处于支撑相与摆动相的交替状态。计算并联机构正运动学是非常困难的,实时性很差,而并联机构的逆运动学相比就简单得多。若对机器人的车身与足端轨迹全部加以规划,可以精确、快速地计算出每一时刻各关节转角。以一条腿为例,四足机器人的逆运动学模型如图3所示。其中肘式代表膝关节向后弯曲,膝式代表膝关节向前弯曲。
给定足端与车身的轨迹f(t),b(t).每条腿拥有自己单独的坐标系,基坐标原点选在运动周期开始时胯关节正下方足端与地面接触点,z轴向上,y轴与前进方向相同。当车身平动时,车身四个胯关节相对于基坐标原点位置相同,用胯关节位置代表相对应腿坐标系中的车身轨迹,各坐标系的b(t)相同。设第i条腿三个关节变量由上至下为q1i,q2i,q3i,腿的长度参数为a1,a2,a3,用f(t)i-b(t)可得第i条腿的位置向量(xi,yi,zi),进一步由几何关系可得他们之间关系为:
(正号对应肘式,负号对应膝式。)
2 控制软件的开发及调试
2.1 上位机软件开发
PC机应用广泛,运行稳定,软件丰富,可完成提供操作界面、运动规划、离线编程、在线指令发送等工作[3]。本课题选择PC作为控制系统上位机。PMAC由于具有实时性强、稳定性好、效率高等优点[4],可与底层执行机构进行数据通信,作为本控制系统下位机。控制系统结构图如图4所示。
利用Visual c++中的MFC库类开发了上位机应用程序,程序主要包括以下功能模块:1) 初始化模块。该模块负责控制系统用户界面的初始化,对PMAC卡进行选择,给出控制卡中控制参数的初始值,同时运行下位机程序。2) 用户交互模块。该模块通过MFC界面与用户进行信息交互,用户可选择机器人步态,车身、足端运动轨迹,插值点数量,运动速度,运动周期数,各腿的运动时序、膝肘运动模式等参数对机器人进行多种类型行走控制,并能实时从界面中读取下位机存储的运动参数值。3) 运动学计算模块。实时对机器人轨迹点进行运动学逆解,得出各关节电机转角转速,形成一系列关节运动的插值点。4) 轨迹检测模块,实时检测当前轨迹插值点的运动学逆解是否存在并在规定范围内,如不,通过界面向用户报错并终止程序。5) 伺服模块:通过PComm32(上位机与PMAC的通讯驱动程序)函数与下位机进行指令通信,发送运动控制变量,完成对机器人的控制。图5为上位机软件流程图。
2.2 下位机软件开发
利用PMAC自带软件PEWIN32进行下位机编程及控制。首先定义程序段,再利用轴定义语句对各电动机轴进行分配,并建立坐标系,选择适合的运动指令。由于PMAC可以支持任意坐标系在任意时刻执行任意一个运动程序,本课题可以利用此特点对每个腿单独建立运动坐标系,并单独执行某段运动程序,这样可大大提高机器人的可控性和适应性。上位机以PMAC中P变量的形式向PMAC传输运动参数。为了将上位机传送的插值点拟合成平滑的运动轨迹,下位机使用了SPLINE2函数的运动模式,该模式利用不均匀非有理3次B样条对运动插值点进行拟合,且各插值端点的速度、加速度连续,可以利用参数TM对每段运动轨迹总时长进行设定,即可控制每段运动的平均速度[5]。机器人第一条腿运动程序如下:
之后使坐标系1运行程序1,这样通过上位机实时传送的运动控制参数就可以使腿1完成预先的运动轨迹。同理将第2,3,4腿坐标系设定为2,3,4,同时执行程序2,3,4,可完成对整个机器人的协调控制。
2.3 控制软件调试
在软件编译完成后运行控制程序,在上位机用户接口界面中完成运动轨迹等运动参数的输入,观察机器人关节运动,并用PMAC PLOT32记录下一条腿中两个电动机的运动数据,如图6所示。
图中①,②两条线是两电动机一个摆腿周期内的位置数据,③,④两条线为对应速度数据。运动由图6可知,摆动相各关节可按预定轨迹运动,支撑相可以缓慢,稳定达到指定位置,运动速度曲线较为平滑,波动较小。
3 结论
本文设计了一种四足机器人控制系统软件,利用上位机、下位机组成的控制系统获得了较好的人机交互能力及控制效果。利用Visual c++与PMAC语言编写了四足机器人控制软件,可在Windows环境下平稳运行,操作简单,实时性强,可以通过用户交互界面完成不同运动参数下的运动学实时计算,轨迹检测,伺服控制等功能。实验证明该软件可平稳、精确对四足机器人进行预定轨迹的运动控制。此控制软件未来发展方向为:增加运动检测与自主运动选择模块,处理机器人运动中传感器的信息并根据信息调整运动、控制策略,达到更加精确的闭环控制,并提高机器人的智能性。
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