基于Turbo PMAC五轴数控系统TCPC功能研究与应用

摘 要

介绍了五轴数控系统TCPC功能的特点和作用，阐述了TCPC功能的原理和实现途径，并在此基础上建立了相应的数学模型，说明了在Turbo PMAC控制器中运动学计算方法及TCPC功能实现的根本机制。利用Matlab对实验数据进行了模拟，最后在实际生产中对TCPC功能进行了验证。

【关键词】Turbo PMAC五轴数控 TCPC Matlab模拟

1 引言

采用五轴数控机床能更好地建构集成数字化的设计/制造/管理一体化环境，适应产品全数字化生产的需求。TCPC是“Rotational Tool Center Point”的缩写，该功能的应用一方面提高了加工精度和切削速度，更重要的是大大简化了编程工作，尽量把三维问题转化为二维问题，屏蔽数控技术的复杂性，使得高档数控也尽可能实现简易化操作。

2 五轴数控机床类型及Turbo PMAC简介

2.1 五轴数控机床类型

五轴机床通常是在三个平动轴基础上增加两个转动轴，通过机床的三个移动坐标控制刀具切削点的空间位置，两个旋转坐标控制刀具的方向，使刀具走出所需要的空间轨迹。根据五坐标联动机床中两个转动坐标的形式，可以把其归纳为三种基本类型：刀具摆动与工作台转动、工作台双转动及刀具双摆动，分别如图1为双摆刀示意图。为便于表述，以下称运动中轴线方向不变的转动轴为定轴，反之为动轴。

2.2 Turbo PMAC简介

Turbo PMAC为可编程多轴运动控制器， Turbo PMAC控制器以摩托罗拉DSP56300作为CPU，能同时控制32个轴和16个坐标系。加上专用的用户门阵列芯片，结合PC机的柔性，使得Turbo PMAC对系统的控制非常可靠。Turbo PMAC基于DSP（数字信号处理器），是一种通用的运动控制器，更适用于数控机床等轴运动设备。Turbo PMAC可以依靠自身所存程序单独运行，并且它是实时的和多任务的，能够优化任务执行的先后顺序。

3 TCPC原理及实现途径

3.1 TCPC原理

如图2、图3所示，启动TCPC功能时，刀具中心点与工件表面的实际接触点将维持不变，此时刀具中心点落在刀具与工件表面实际接触点处的法线上，而刀柄将围绕刀具中心点旋转。为了达到此目的，就必须实时补偿由于刀柄转动所造成的刀具中心点各直线坐标的偏移。在这种情况下，可以直接编程刀具中心的轨迹，而不需考虑转轴中心。

对于具有TCPC功能的数控系统，因坐标旋转中心的位移，能够保持刀具中心始终处于同一个位置上。在这种情况下，可以直接编程刀具中心的轨迹，而不需考虑转轴中心，这个转轴中心是独立于编程的，是由显示终端输入的，与程序无关。

3.2 TCPC实现途径

以双转台A-C机床为例，如图4所示，P2和P4为刀具中心点，只有A轴在转动时，P1为执行刀具中心点功能的初始点，此时A轴坐标为A0，当转台继续转动P1点转到了P3点，此时A轴坐标为A，在转动过程中刀具也跟着从P2位置移动到P4位置，也就意味着机床平动轴发生了位置变化。

设机床控制点坐标为（Xc，Yc，Zc），编程坐标（Xp，Yp，Zp），（Δx， Δy， Δz）为G54-G59偏置值。由欧拉角旋转可得：

其中（σX，σY，σZ）为工件坐标系的原点在机床坐标系的坐标值，即G54～G59的设置值。由以上可知，在执行刀具中心点控制功能时，机床平动轴的运动由两部分合成：一是刀具摆动引起的平动轴的坐标偏移，另一部分是程序本身的编程坐标引起的运动。

五轴机床执行TCPC功能时平动轴的位置偏移运动是非线性的，Turbo PMAC 提供了一种机制，使用户很容易实现复杂的运动学运算。在机床控制中，只要将机构的运动学程序嵌入到Turbo PMAC 控制器中，Turbo PMAC 可以根据刀尖运动轨迹自动按照给定的运动学算法计算出关节坐标轴运动的对应位置。Turbo PMAC的这种能力，允许在笛卡尔坐标系对刀尖轨迹编程，而不用考虑实际关节坐标轴的形态。在关节空间对细分段进行精插补，使刀尖运动轨迹误差很小。在利用Turbo PMAC 进行运动学控制时，要求同时具有正运动学计算和逆运动学计算。TCPC功能实现流程图如图5所示。

4 TCPC实验模拟及生产应用

4.1 实验模拟

设实验对象是双摆刀C-A类型机床，为简化计算，设开始机床坐标系原点在刀具回转中心处，刀具长度为30，激活刀具中心点控制功能，运行一段程序：

X0 Y0 Z0 A0 C0

X20 Y20 Z20 A20 C30 F100

上面表示刀具从点（0，0，0）运动到点（20，20，20）。在运动中随机选取14个试验点，并记录各点空间坐标。

在Matlab中输入坐标数据，得到图形如图6所示。其中弧形的粗线表示刀具回转中心的轨迹，粗直线表示刀具中心点的轨迹。可以看出激活刀具中心点控制功能后，可以对刀具中心直接进行编程控制，相当于刀具中心点走的是直线，而刀具回转中心点走的是一条弧线。由此可知，利用Turbo PMAC的运动学功能在数控系统中实现刀具中心点控制是可行的。

4.2 生产应用

如图7所示，该五轴加工中心为双转台类型，两个旋转轴为A和C，其中A轴为定轴，C轴为动轴，A轴的转动带动C轴转台转动。该加工中心可以加工像叶轮等复杂形状零件，把加工程序下载至控制器中，程序可自动完成加工任务。

图7为数控系统加工叶轮模型过程，加工中各轴能够严格按照程序命令协调动作，经过激光干涉仪等检测工具检测，各轴定位误差在允许范围内，都能够精确到达指令位置，旋转轴和平动轴之间配合紧凑，系统运行平稳。

5 结束语

使用TCPC功能，向CNC系统输入的是刀具中心点信息而非控制轴的运动位置坐标。以CNC系统插补步长来逼近轮廓，可获得最大逼近精度，将非线性误差减至最小，加工效率和精度都大大提高。同时，由于编程速度是相对于刀具中心点的而不是旋转刀头，因此可以更好的控制加工的质量。

参考文献

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[4]Turbo PMAC1/PMAC2 Software Reference Manual. DELTA TAU Data Systems，2008.

[5]白雪梅，安志勇，宋亮.基于PMAC卡的控制算法研究[J].微计算机信息，2009（5）.

作者单位

96531部队后勤部营建办 河南省洛阳市 471000