关于五轴混合的机器人数控系统
前言
数控（NC）机器是典型的机电设备，将电子和机械部件与先进的控制系统和编程相结合，单个部件的参数及其共同的协同水平决定了这类机器的技术能力。
研究领域是具有数学和物理建模的机械设计、轨迹生成和跟踪算法及其实现、运动测量系统、执行器、电子芯片的计算性能及其与其他单元的通信兼容性，证明了数控机床系统的复杂性水平。
数控铣床机械发展的一个例子是它们以平行操纵器的形式设计，它们的封闭运动结构有助于获得更大的刚度，从而使它们能够更精确地工作，比传统的具有连续运动结构的加工工具具有更高的速度。
专家进行了一项研究，旨在比较现有的传统铣床和平行铣床模型。该研究尝试确定高速加工（HSM）操作的适用性水平。它已经表明，传统的机床由于高惯性大，切割工具在HSM操作中性能较差。
而平行机器人可以成功地与电主轴组装，从而形成HSM级加工装置，然而这种结构的逆运动学问题的解决方案涉及到大量的计算，必须在控制采样频率下执行。
一、典型数控系统结构
典型的五轴数控系统由以下单元组成： HMI、NCK（数控内核）和PLC（可编程逻辑控制），HMI单元提供了一个连接用户和系统之间的交互式平台，负责实现五个主要的任务组。
操作功能机器状态的显示，如：主轴转速、实际位置、出发距离、完成操作的估计时间等，参数设置功能用于使机器适应用户要求的定制参数，如：手动校准系统、手动主轴速度设置、工具偏移量、工作坐标等。
程序编辑功能这些功能能够编辑和修改程序的一部分，这是基于EIA/ISO标准的g代码，从而使用户能够快速生成铣程序，而无需记忆代码循环的输入属性。
监控和报警功能-通知用户一个机器的异常状态和已执行的必要对策任务的结果，如：PLC状态、正在执行的梯形图、报警状态、紧急恢复方法等。
二、研究问题制定
典型的铣床具有串行的笛卡尔运动学结构，简化了控制——通常是由伺服电机驱动的单个轴，被单独控制，它们的同步仅由轨迹发生器提供，轨迹发生器的正常运行依赖于轴的垂直性，这是一种繁琐、昂贵、费力的获得方法。
轴同步误差是加工不准确的原因之一，为了减少振动，必须提供高刚度，这将导致沉重的机械结构没有平行运动学结构的机构应获得所需的刚度和精度，且结构明显更轻。
而更复杂的控制——并行机制必须被视为多输入-多输出（MIMO）设备——可以使用机器人在轨迹生成和轨迹跟踪方面的成就，在现代计算硬件中实现。为了验证这些假设。
如此高的控制性能，一个轨迹的两个连续点之间的最大距离必须至少小两倍，在典型的铝加工HSM工艺中，进料速率为2 m/min。
选择了控制器和轨迹发生器的采样频率为10 kHz。它的结果是，一个轨迹的两个后续点之间的距离等于3.3μm或所需精度的1/3。
出于同样的原因，轨迹生成和变换的计算精度必须提供小于上述假设值的累积误差。这种精度可以通过使用永磁同步电机（PMSM）来实现，它已经在许多自动化控制领域作为执行器被越来越多地使用。其优点是：优越的功率密度，高性能的运动控制，具有较高的速度和精度。
三、混合五轴铣削机器人的数控系统
商业上可用的5轴铣床控制器适用于串行运动学结构，伺服电机，独立控制每个轴的可能性，相对简单的运动学方程和控制算法。
它们不支持设备由直接驱动的混合动力学结构与轴机械耦合，因此有必要设计出具有反映典型数控系统功能的专用控制系统体系结构。
所开发的控制系统由： HMI、NCK、主安全安全系统和M/T（机床）管理器组成，所开发的铣床具有独特而复杂的机械结构，产生了复杂的一阶和二阶导数方程的正向和逆运动学，专用数控系统开发的另一个原因是一种基于动态模型的详细的轨迹跟踪方法。
笔者观点
本文介绍了新型混合铣床数控系统的体系结构和实现，该系统在一个FPGA芯片上的两个Nios II软处理器上实现。
ALUs指令通过硬件自定义浮点指令进行扩展：加法、减法、乘法、除法、正弦、余弦、平方根、符号、饱和度和整数到浮点铸造。
设计的数控系统架构允许所有组件的10 kHz采样频率和足够的数值计算精度，与标准数学库相比，计算速度提高了近10倍。
所提出的数控系统的模块化结构可以实现复杂的算法，负责混合5轴铣削机器人的轨迹生成和轨迹跟踪。
它也可以用于更经典的，流行的铣床，以提高他们的准确性，提供一个适当的信息水平，有关他们的数学和物理描述（运动学和动力学模型）是已知的。
参考文献
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