3-UPS/S并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)的遠(yuǎn)程控制

樊 銳，岳曉虎，韓先國(guó)

（北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為一種新型的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有剛度大、承載能力強(qiáng)、誤差小、精度高、自重負(fù)荷比小、動(dòng)態(tài)性能好、容易控制等一系列優(yōu)點(diǎn)[1]，已廣泛地應(yīng)用于機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)床、運(yùn)動(dòng)仿真器等。3-UPS/S是一種串并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其既繼承了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又發(fā)揮了串聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)空間大的特點(diǎn)，是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)[2]。

轉(zhuǎn)臺(tái)作為航空、航天等領(lǐng)域中進(jìn)行仿真和測(cè)試的關(guān)鍵設(shè)備，在飛行器的研制過(guò)程中，起著極其重要的作用。傳統(tǒng)的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上是由3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副串聯(lián)而成，是典型的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是在3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向都可以實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)空間非常大。與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)相比，并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)具有的優(yōu)點(diǎn)如下：并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)體積和凈質(zhì)量可以大大減??；并聯(lián)機(jī)構(gòu)反解容易的特點(diǎn)使之軌跡規(guī)劃簡(jiǎn)單，易于控制；動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)靈活，容易實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度聯(lián)動(dòng)以及適應(yīng)多種仿真和測(cè)試任務(wù)。

本文以一種三自由度3-UPS/S并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)為研究對(duì)象，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)每50 ms收發(fā)一組數(shù)據(jù)，角位置精度達(dá)到0.05°及角速度精度達(dá)到0.01°/s。根據(jù)需求搭建“PC+PMAC”為硬件平臺(tái)的控制系統(tǒng)，利用CAN總線的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能，實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)的遠(yuǎn)程控制。

1 機(jī)構(gòu)介紹

并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)3個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的工作空間分別為

α=± 40°，β=± 40°，γ=± 360°。

根據(jù)需求設(shè)計(jì)的并聯(lián)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械部分由電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)、靜平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)、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(tái)的連接，采用高精度的球鉸來(lái)實(shí)現(xiàn)，3條伸縮支鏈與動(dòng)平臺(tái)的連接，采用高精度的虎克鉸來(lái)實(shí)現(xiàn)。3條支鏈在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下連同電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，使得并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)可以繞空間X軸、Y軸、Z軸實(shí)現(xiàn)3個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 系統(tǒng)的控制策略

控制系統(tǒng)采用IPC+PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的結(jié)構(gòu)形式?？刂葡到y(tǒng)硬件主要包括工控機(jī)、PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡、CAN卡、電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)、安川伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器組成?？刂葡到y(tǒng)原理圖如圖2所示。

其中下位機(jī)采用工控機(jī)，向用戶提供良好的操作界面，使用戶完成模式切換、遠(yuǎn)程控制、參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控等操作。PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡和接口卡，共同實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的精確位置伺服控制。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過(guò)CAN通訊卡，向下位機(jī)發(fā)送位置和速度信息，PMAC卡通過(guò)PCI總線，接受工控制的控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)軸的控制。

圖2 3UPS/S控制系統(tǒng)原理圖

3 并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)遠(yuǎn)程控制

遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)提供并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)軌跡，按照一定的時(shí)間間隔（如50 ms）將運(yùn)動(dòng)軌跡在時(shí)間軸上進(jìn)行離散化，得到時(shí)間軸上并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)位置、速度的離散序列，并且按照此時(shí)間間隔，定時(shí)向工控機(jī)發(fā)送離散后的一組位置與速度，當(dāng)工控機(jī)接收到一組數(shù)據(jù)后，配合PMAC卡與伺服單元，驅(qū)動(dòng)各個(gè)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的位置。

結(jié)合并聯(lián)機(jī)構(gòu)的虛實(shí)插補(bǔ)策略（虛軸粗插補(bǔ)、實(shí)軸精插補(bǔ)）[3]，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，整套遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，需要具備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和位置伺服兩個(gè)主要功能，因此整個(gè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以分成以下兩個(gè)部分：

（1）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸，該過(guò)程由CAN總線實(shí)現(xiàn)；

（2）支鏈的軌跡控制，該過(guò)程由工控機(jī)、PMAC卡、伺服單元與伺服電機(jī)共同完成，其中工控機(jī)完成位置逆解運(yùn)算、運(yùn)動(dòng)程序語(yǔ)句的生成以及下載；PMAC、伺服單元與伺服電機(jī)共同完成位置的精確伺服控制。

3.1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸

CAN是一種多主方式的串行通信總線，可提供高達(dá)1 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。研華PCI-1680有兩個(gè)獨(dú)立的CAN接口，可以實(shí)現(xiàn)單PC自發(fā)自收，使得上位機(jī)的軟件調(diào)試工作，得以方便進(jìn)行，在卡的內(nèi)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(qū)動(dòng)程序中所用到的主要函數(shù)大多在CANbus2.0.h里進(jìn)行了聲明，在原驅(qū)動(dòng)程序中API調(diào)用函數(shù)順序如圖3所示，其中圖3（a）為數(shù)據(jù)發(fā)送流程，圖3（b）為數(shù)據(jù)接收流程。

并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)軌跡經(jīng)過(guò)粗插補(bǔ)后的位置與速度值，以報(bào)文的形式按間隔時(shí)間從遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)發(fā)送到上位機(jī)，在PCI-1680中報(bào)文的表示方法為：

圖3 API調(diào)用函數(shù)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(biāo)準(zhǔn)幀格式還是擴(kuò)展幀格式，根據(jù)需求選擇具有29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀格式；

rtr為遠(yuǎn)程標(biāo)志位，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)該位應(yīng)設(shè)為0；

id為報(bào)文的標(biāo)識(shí)符；

dlen為數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度；

data[8]為存儲(chǔ)的具體位置與速度信息。

由于每一個(gè)位置與速度值都是一個(gè)double類(lèi)型，因此規(guī)定一個(gè)報(bào)文只存儲(chǔ)一個(gè)位置值或速度值，這樣一組完整的遠(yuǎn)程信息就包括6個(gè)報(bào)文，即3個(gè)位置與3個(gè)速度，如表1所示。

表1 CAN通信的具體報(bào)文

報(bào)文的ID為1～3代表X軸、Y軸、Z軸的轉(zhuǎn)角，ID為4～6代表各軸的速度，ID為0為停止標(biāo)志。

應(yīng)用PCI-1680U接收遠(yuǎn)程報(bào)文，有兩種方案：

（1）一組完整的遠(yuǎn)程信息共包含6個(gè)報(bào)文，因此在接收方定義一個(gè)6個(gè)報(bào)文大小的FIFO接收緩沖區(qū)，當(dāng)接收緩沖區(qū)接收到6個(gè)報(bào)文后，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)事件，通知從緩沖區(qū)中讀取這些數(shù)據(jù)；

（2）在接收數(shù)據(jù)方建立一個(gè)比較大的FIFO接收緩沖區(qū)，自動(dòng)接收保存通過(guò)CAN總線發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。然后等待工控機(jī)將一組完整的信息從緩沖區(qū)中順序讀出來(lái)。

第一種方案中，當(dāng)下一組數(shù)據(jù)到達(dá)后，而第一組數(shù)據(jù)還未被讀取時(shí)，可能會(huì)造成數(shù)據(jù)混亂或者丟失，需要有足夠大的緩沖區(qū)，來(lái)接接收這些數(shù)據(jù)，為了避免數(shù)據(jù)的混亂或者丟失，采用第二種方案接收?qǐng)?bào)文信息。

當(dāng)并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)入遠(yuǎn)程控制模式并開(kāi)始接收命令時(shí)，工控機(jī)會(huì)一直查詢CAN緩沖區(qū)內(nèi)是否有數(shù)據(jù)到達(dá)，如果有數(shù)據(jù)到達(dá)，則將數(shù)據(jù)按順序存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)組里，當(dāng)收到ID從1到6的一組數(shù)據(jù)后，工控機(jī)暫時(shí)停止查詢緩沖區(qū)，轉(zhuǎn)而進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，當(dāng)該組數(shù)據(jù)處理完成后，工控機(jī)又開(kāi)始查詢緩沖區(qū)。當(dāng)接收到ID為0的數(shù)據(jù)時(shí)，工控機(jī)停止讀取緩沖區(qū)，等待電機(jī)停止后退出遠(yuǎn)程模式。接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)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(dāng)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)按照間隔時(shí)間發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)后，工控機(jī)應(yīng)該及時(shí)接收、處理、轉(zhuǎn)化為程序語(yǔ)句，并下載到PMAC卡中，為了能夠快速執(zhí)行程序語(yǔ)句，需要在PMAC卡中建立旋轉(zhuǎn)緩沖區(qū)，旋轉(zhuǎn)緩沖區(qū)允許在程序執(zhí)行的期間對(duì)程序進(jìn)行下載，并覆蓋已經(jīng)被執(zhí)行的程序行[5]。這樣PMAC卡在接收到程序語(yǔ)句后，就會(huì)將程序語(yǔ)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(yùn)動(dòng)

CLOSE；關(guān)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(zhǔn)備運(yùn)行

&1 OPEN ROT；打開(kāi)緩沖區(qū)

PVT{常量}；選定PVT的時(shí)間間隔

R程序開(kāi)始執(zhí)行

CLOSE；關(guān)閉緩沖區(qū)

這里的PVT是指位置—速度—時(shí)間插補(bǔ)方式，之所以選擇PVT精插補(bǔ)方式，是由于這種插補(bǔ)方式能實(shí)現(xiàn)對(duì)軌跡圖形更緊湊地控制。

通過(guò)CAN接收到數(shù)據(jù)后，要經(jīng)過(guò)位置逆解，轉(zhuǎn)化為各桿的伸縮量及速度，記為當(dāng)前位置，將當(dāng)前位置和前一個(gè)位置之間平均細(xì)分為5個(gè)位置，這是由于使用PVT插補(bǔ)方式時(shí)，緩沖區(qū)中必須保證至少有兩條指令，才能開(kāi)始執(zhí)行，然后將細(xì)分后的位置與速度寫(xiě)成程序語(yǔ)句，下載到PMAC卡中等待執(zhí)行。

結(jié)合CAN的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸以及PMAC的軌跡控制，設(shè)計(jì)出如圖5所示的遠(yuǎn)程控制流程圖。

圖5 遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)控制流程圖

4 實(shí)驗(yàn)

一般速率精度的測(cè)試方法，有定角測(cè)時(shí)法和定時(shí)測(cè)角法[6]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用定時(shí)測(cè)角法，來(lái)測(cè)量并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)速率精度。

首先在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)中，采用S型速度曲線規(guī)劃并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)勻速運(yùn)行的位置曲線，并且將并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)的位置、速度軌跡在時(shí)間軸上按照50 ms間隔進(jìn)行離散化。

然后采用VC中高精度的多媒體定時(shí)器定時(shí)每隔50 ms向下位機(jī)發(fā)送一組位置、速度信息，下位機(jī)在接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)反解、細(xì)分、寫(xiě)成程序語(yǔ)句，下載到PMAC卡的旋轉(zhuǎn)緩沖區(qū)等待執(zhí)行。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)后，在下位機(jī)中同樣采用VC中高精度的多媒體定時(shí)器定時(shí)一定時(shí)間（該時(shí)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(gè)電機(jī)編碼器的位置反饋值，連續(xù)測(cè)量11次，保證有10個(gè)時(shí)間間隔。

最后通過(guò)位置正解，求得并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)時(shí)位置，通過(guò)計(jì)算可以得出轉(zhuǎn)臺(tái)的速度。

定時(shí)測(cè)角法速率精度Uω的計(jì)算公式為[6]

式中，

θg為給定速率下，被測(cè)軸在規(guī)定采樣時(shí)間間隔內(nèi)的角度增量名義值；

△T為采樣時(shí)間間隔。

圖6中，

（a）、（b）分別為并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)以 2°/s、10°/s的速度，繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的位置曲線；

圖6 并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)以恒定速度繞各軸轉(zhuǎn)動(dòng)的位置曲線

（c）、（d）分別為并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)以 2°/s、10°/s的速度，繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的位置曲線；

（e）、（f） 分別為并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)以 2°/s、10°/s的速度，繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的位置曲線。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)分別繞X軸、Y軸、Z軸以2°/s、10°/s的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，速率精度如表2所列。

表2 各軸在不同速度下轉(zhuǎn)動(dòng)的速率精度

5 結(jié)束語(yǔ)

從表中可以看出，轉(zhuǎn)臺(tái)繞各軸轉(zhuǎn)動(dòng)的速率精度都在0.01°/s以內(nèi)，滿足指標(biāo)要求。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明，并聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)在半徑5 m的范圍內(nèi)，實(shí)時(shí)控制工作穩(wěn)定、性能可靠。

[1]黃 真，孔令富，方躍華.并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[2]王 洋，倪雁冰，黃 田，等.球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2001，23（4）：16-19.

[3]姜復(fù)興，龐志成.慣導(dǎo)測(cè)試設(shè)備原理與設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.