樊 銳，岳曉虎，韓先國

（北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191）

并聯機構作為一種新型的傳動機構，具有剛度大、承載能力強、誤差小、精度高、自重負荷比小、動態(tài)性能好、容易控制等一系列優(yōu)點[1]，已廣泛地應用于機器人、并聯機床、運動仿真器等。3-UPS/S是一種串并聯機構，其既繼承了并聯機構的優(yōu)點，又發(fā)揮了串聯機構運動空間大的特點，是并聯機構的一個重要發(fā)展趨勢[2]。

轉臺作為航空、航天等領域中進行仿真和測試的關鍵設備，在飛行器的研制過程中，起著極其重要的作用。傳統(tǒng)的三軸轉臺結構，本質上是由3個轉動副串聯而成，是典型的串聯機構，其優(yōu)點是在3個轉動方向都可以實現360°回轉，轉動空間非常大。與傳統(tǒng)轉臺相比，并聯轉臺具有的優(yōu)點如下：并聯轉臺體積和凈質量可以大大減?。徊⒙摍C構反解容易的特點使之軌跡規(guī)劃簡單，易于控制；動平臺運動靈活，容易實現多個自由度聯動以及適應多種仿真和測試任務。

本文以一種三自由度3-UPS/S并聯轉臺為研究對象，遠程控制系統(tǒng)要求實現每50 ms收發(fā)一組數據，角位置精度達到0.05°及角速度精度達到0.01°/s。根據需求搭建“PC+PMAC”為硬件平臺的控制系統(tǒng)，利用CAN總線的遠程數據傳輸功能，實現了并聯轉臺的遠程控制。

1 機構介紹

并聯轉臺需要實現3個自由度的轉動，轉動的工作空間分別為

α=± 40°，β=± 40°，γ=± 360°。

根據需求設計的并聯三軸轉臺的機械部分由電動轉臺、靜平臺、動平臺、中央立柱以及3條由螺母絲杠組成的支鏈組成，如圖1所示。

其中，中央立柱以及3條伸縮支鏈與靜平臺的連接，采用高精度的球鉸來實現，3條伸縮支鏈與動平臺的連接，采用高精度的虎克鉸來實現。3條支鏈在伺服電機的驅動下連同電動轉臺，使得并聯轉臺可以繞空間X軸、Y軸、Z軸實現3個自由度的轉動。

2 系統(tǒng)的控制策略

控制系統(tǒng)采用IPC+PMAC運動控制卡的結構形式?？刂葡到y(tǒng)硬件主要包括工控機、PMAC運動控制卡、CAN卡、電動轉臺、安川伺服電機及驅動器組成。控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

其中下位機采用工控機，向用戶提供良好的操作界面，使用戶完成模式切換、遠程控制、參數設置、監(jiān)控等操作。PMAC運動控制卡和接口卡，共同實現伺服電機的精確位置伺服控制。遠程計算機通過CAN通訊卡，向下位機發(fā)送位置和速度信息，PMAC卡通過PCI總線，接受工控制的控制命令，實現對4個軸的控制。

圖2 3UPS/S控制系統(tǒng)原理圖

3 并聯轉臺遠程控制

遠程計算機提供并聯轉臺3個自由度的運動軌跡，按照一定的時間間隔（如50 ms）將運動軌跡在時間軸上進行離散化，得到時間軸上并聯轉臺位置、速度的離散序列，并且按照此時間間隔，定時向工控機發(fā)送離散后的一組位置與速度，當工控機接收到一組數據后，配合PMAC卡與伺服單元，驅動各個伺服電機運動到相應的位置。

結合并聯機構的虛實插補策略（虛軸粗插補、實軸精插補）[3]，為了實現遠程控制，整套遠程控制系統(tǒng)，需要具備遠程數據傳輸和位置伺服兩個主要功能，因此整個遠程控制系統(tǒng)可以分成以下兩個部分：

（1）遠程數據的傳輸，該過程由CAN總線實現；

（2）支鏈的軌跡控制，該過程由工控機、PMAC卡、伺服單元與伺服電機共同完成，其中工控機完成位置逆解運算、運動程序語句的生成以及下載；PMAC、伺服單元與伺服電機共同完成位置的精確伺服控制。

3.1 遠程數據傳輸

CAN是一種多主方式的串行通信總線，可提供高達1 Mbit/s的數據傳輸速率。研華PCI-1680有兩個獨立的CAN接口，可以實現單PC自發(fā)自收，使得上位機的軟件調試工作，得以方便進行，在卡的內部，采用了SJA-1000作為CAN控制器，PCA-82C250作為CAN收發(fā)模塊[4]。

PCI-1680U驅動程序中所用到的主要函數大多在CANbus2.0.h里進行了聲明，在原驅動程序中API調用函數順序如圖3所示，其中圖3（a）為數據發(fā)送流程，圖3（b）為數據接收流程。

并聯轉臺軌跡經過粗插補后的位置與速度值，以報文的形式按間隔時間從遠程計算機發(fā)送到上位機，在PCI-1680中報文的表示方法為：

圖3 API調用函數順序流程圖

typedef struct{

UCHAR ff;

UCHAR rtr;

ULONG id;

UCHAR dlen;

UCHAR data[8];

}CAN_MSG;

其中，

ff為選擇使用標準幀格式還是擴展幀格式，根據需求選擇具有29位標識符的擴展幀格式；

rtr為遠程標志位，發(fā)送數據時該位應設為0；

id為報文的標識符；

dlen為數據的長度；

data[8]為存儲的具體位置與速度信息。

由于每一個位置與速度值都是一個double類型，因此規(guī)定一個報文只存儲一個位置值或速度值，這樣一組完整的遠程信息就包括6個報文，即3個位置與3個速度，如表1所示。

表1 CAN通信的具體報文

報文的ID為1～3代表X軸、Y軸、Z軸的轉角，ID為4～6代表各軸的速度，ID為0為停止標志。

應用PCI-1680U接收遠程報文，有兩種方案：

（1）一組完整的遠程信息共包含6個報文，因此在接收方定義一個6個報文大小的FIFO接收緩沖區(qū)，當接收緩沖區(qū)接收到6個報文后，系統(tǒng)會產生一個事件，通知從緩沖區(qū)中讀取這些數據；

（2）在接收數據方建立一個比較大的FIFO接收緩沖區(qū)，自動接收保存通過CAN總線發(fā)過來的數據。然后等待工控機將一組完整的信息從緩沖區(qū)中順序讀出來。

第一種方案中，當下一組數據到達后，而第一組數據還未被讀取時，可能會造成數據混亂或者丟失，需要有足夠大的緩沖區(qū)，來接接收這些數據，為了避免數據的混亂或者丟失，采用第二種方案接收報文信息。

當并聯轉臺進入遠程控制模式并開始接收命令時，工控機會一直查詢CAN緩沖區(qū)內是否有數據到達，如果有數據到達，則將數據按順序存儲在一個數組里，當收到ID從1到6的一組數據后，工控機暫時停止查詢緩沖區(qū)，轉而進行處理數據，當該組數據處理完成后，工控機又開始查詢緩沖區(qū)。當接收到ID為0的數據時，工控機停止讀取緩沖區(qū)，等待電機停止后退出遠程模式。接收遠程數據的流程具體如圖4所示。

圖4 CAN通訊流程圖

3.2 PMAC軌跡控制

當遠程計算機按照間隔時間發(fā)來數據后，工控機應該及時接收、處理、轉化為程序語句，并下載到PMAC卡中，為了能夠快速執(zhí)行程序語句，需要在PMAC卡中建立旋轉緩沖區(qū)，旋轉緩沖區(qū)允許在程序執(zhí)行的期間對程序進行下載，并覆蓋已經被執(zhí)行的程序行[5]。這樣PMAC卡在接收到程序語句后，就會將程序語句放入緩沖區(qū)中等待執(zhí)行。

緩沖區(qū)的具體定義如下：

A；停止所有運動

CLOSE；關閉所有緩沖區(qū)

&1 DELETE ROT；刪除存在的緩沖區(qū)

&1 DEFINE ROT{常量}；常量為緩沖區(qū)大小，

B0；準備運行

&1 OPEN ROT；打開緩沖區(qū)

PVT{常量}；選定PVT的時間間隔

R程序開始執(zhí)行

CLOSE；關閉緩沖區(qū)

這里的PVT是指位置—速度—時間插補方式，之所以選擇PVT精插補方式，是由于這種插補方式能實現對軌跡圖形更緊湊地控制。

通過CAN接收到數據后，要經過位置逆解，轉化為各桿的伸縮量及速度，記為當前位置，將當前位置和前一個位置之間平均細分為5個位置，這是由于使用PVT插補方式時，緩沖區(qū)中必須保證至少有兩條指令，才能開始執(zhí)行，然后將細分后的位置與速度寫成程序語句，下載到PMAC卡中等待執(zhí)行。

結合CAN的遠程數據傳輸以及PMAC的軌跡控制，設計出如圖5所示的遠程控制流程圖。

圖5 遠程運動控制流程圖

4 實驗

一般速率精度的測試方法，有定角測時法和定時測角法[6]。

根據現場實驗條件，遠程控制系統(tǒng)采用定時測角法，來測量并聯轉臺速率精度。

首先在遠程計算機中，采用S型速度曲線規(guī)劃并聯轉臺勻速運行的位置曲線，并且將并聯轉臺的位置、速度軌跡在時間軸上按照50 ms間隔進行離散化。

然后采用VC中高精度的多媒體定時器定時每隔50 ms向下位機發(fā)送一組位置、速度信息，下位機在接收到數據后，經過反解、細分、寫成程序語句，下載到PMAC卡的旋轉緩沖區(qū)等待執(zhí)行。當轉臺運行平穩(wěn)后，在下位機中同樣采用VC中高精度的多媒體定時器定時一定時間（該時間由角度增量的名義值和速度決定，一般選取的角度增量名義值為10°）讀取4個電機編碼器的位置反饋值，連續(xù)測量11次，保證有10個時間間隔。

最后通過位置正解，求得并聯轉臺實時位置，通過計算可以得出轉臺的速度。

定時測角法速率精度Uω的計算公式為[6]

式中，

θg為給定速率下，被測軸在規(guī)定采樣時間間隔內的角度增量名義值；

△T為采樣時間間隔。

圖6中，

（a）、（b）分別為并聯轉臺以 2°/s、10°/s的速度，繞X軸轉動的位置曲線；

圖6 并聯轉臺以恒定速度繞各軸轉動的位置曲線

（c）、（d）分別為并聯轉臺以 2°/s、10°/s的速度，繞Y軸轉動的位置曲線；

（e）、（f） 分別為并聯轉臺以 2°/s、10°/s的速度，繞Z軸轉動的位置曲線。

經計算，當并聯轉臺分別繞X軸、Y軸、Z軸以2°/s、10°/s的速度運動時，速率精度如表2所列。

表2 各軸在不同速度下轉動的速率精度

5 結束語

從表中可以看出，轉臺繞各軸轉動的速率精度都在0.01°/s以內，滿足指標要求。通過大量的實驗證明，并聯轉臺在半徑5 m的范圍內，實時控制工作穩(wěn)定、性能可靠。

[1]黃 真，孔令富，方躍華.并聯機器人機構學理論及控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[2]王 洋，倪雁冰，黃 田，等.球面并聯機構實時控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].制造業(yè)自動化，2001，23（4）：16-19.

[3]姜復興，龐志成.慣導測試設備原理與設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1998.