肖文磊，黃慧玥，趙 罡

(北京航空航天大學(xué),北京 100191)

0 引 言

隨著光電產(chǎn)業(yè)、精密加工、精密測(cè)量等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高精度位移平臺(tái)的要求也越來(lái)越高[1]。近年來(lái)，由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的高精度、高剛度、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，并聯(lián)精密平臺(tái)的開(kāi)發(fā)受到了很多行業(yè)的重視[2]。傳統(tǒng)定位平臺(tái)一般由旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)絲杠轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，而絲杠等運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)存在間隙誤差，定位精度很難達(dá)到微米以下[3-4]。直線(xiàn)電機(jī)由于其本身的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，可直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)，定位精度相對(duì)較高。在直線(xiàn)電機(jī)中，直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)雖然輸出功率受限制，但是功率密度高，易于小型化[5]。由于其內(nèi)部沒(méi)有磁場(chǎng)，機(jī)械振動(dòng)頻率在可聽(tīng)范圍外，故對(duì)外界電磁干擾和噪聲影響很小，由它直接驅(qū)動(dòng)并聯(lián)精密平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)并聯(lián)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的一個(gè)重要解決方案。

德國(guó)PI公司推出的6自由度并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。美國(guó)北卡大學(xué)開(kāi)發(fā)了由傳統(tǒng)電磁電機(jī)與超聲波電動(dòng)機(jī)相結(jié)合來(lái)驅(qū)動(dòng)的直線(xiàn)定位平臺(tái)[6]。南京航空航天大學(xué)的趙淳生等開(kāi)發(fā)了由直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的二維精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。目前，國(guó)內(nèi)外直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的多軸控制系統(tǒng)主要分為上位機(jī)與下位機(jī)兩部分。上位機(jī)一般采用PC，下位機(jī)比較普遍采用運(yùn)動(dòng)控制板卡或者自行設(shè)計(jì)控制器。兩者之間通訊主要依靠PCI總線(xiàn)[7]。新一代電磁伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)有工業(yè)以太網(wǎng)接口[8]。基于工業(yè)以太網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)控制器在加工、制造、醫(yī)療等領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用[9]。EtherCAT是當(dāng)前技術(shù)上發(fā)展最快的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。將EtherCAT引入超聲波電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域可提高控制的效率，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的模塊化。

本文針對(duì)全直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制問(wèn)題，依據(jù)CiA402規(guī)范，開(kāi)發(fā)了符合EtherCAT協(xié)議的驅(qū)動(dòng)方案，使超聲波電動(dòng)機(jī)具有與電磁電機(jī)一致的通訊接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)多超聲波電動(dòng)機(jī)的控制網(wǎng)絡(luò)，并能夠與傳統(tǒng)伺服電機(jī)結(jié)合形成復(fù)合的控制系統(tǒng)。圍繞多軸控制問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了由全直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的5自由度TRIPOD串并聯(lián)平臺(tái)，并開(kāi)發(fā)了并聯(lián)機(jī)器人仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真測(cè)試。

1 L1-B2直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的工作原理

直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)利用壓電材料的諧振特性將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，將定子和動(dòng)子的摩擦作用轉(zhuǎn)換為宏觀的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的工作原理有多種，其中工作在一階伸長(zhǎng)、二階彎曲模態(tài)下的L1-B2直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)由于制造簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定，較為常用。

圖1(a)給出了L1-B2直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)原理，圖1(b)為L(zhǎng)1-B2直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品示例，圖1(c)為使用有限元分析的L1-B2直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的工作模態(tài)。

(a) 工作原理

(b) 產(chǎn)品

(c) 有限元分析的工作析模態(tài)

直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制具有高壓低電流、額定功率較低、能量轉(zhuǎn)換過(guò)程復(fù)雜、控制非線(xiàn)性強(qiáng)、頻率相關(guān)性強(qiáng)等特點(diǎn),需要對(duì)其專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)控制電路。本文以L1-B2直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，開(kāi)發(fā)了支持工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT接口的直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)控制器。

2 直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路

L1-B2直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式主要有單相和雙相驅(qū)動(dòng)兩種。相比于雙相驅(qū)動(dòng)方式，單相驅(qū)動(dòng)只需一路諧振高壓驅(qū)動(dòng)，可以有效降低驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性和節(jié)約制造成本。但在單相驅(qū)動(dòng)方式下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)調(diào)相控制。為了解決雙向運(yùn)動(dòng)控制的需求，一般還需加入一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓切換電路。此外，在單相控制方式下，L1-B2超聲波電動(dòng)機(jī)振子的背面可以設(shè)計(jì)成連通的公共極，從而降低超聲波電動(dòng)機(jī)的制造復(fù)雜度。因此，本文采用單相控制方式實(shí)現(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)，如圖2所示。

(a) 雙相驅(qū)動(dòng)模式

(b) 單相驅(qū)動(dòng)模式

本文的超聲波電動(dòng)機(jī)振子的驅(qū)動(dòng)要求為一個(gè)較高的正弦交流電壓，頻率一般為50 kHz左右，峰峰值一般在400～800 V之間[10]。一般驅(qū)動(dòng)放大器使用變壓器進(jìn)行隔離和升壓。然而，變壓器在電路中占用了較大的體積，在有些超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中更傾向于使用無(wú)變壓器式升壓電路。由于超聲波電動(dòng)機(jī)是容性負(fù)載，可使用一個(gè)串聯(lián)的電感與超聲波電動(dòng)機(jī)形成LC諧振電路，從而提升交流電壓。采用LC諧振模式的電感和超聲波電動(dòng)機(jī)組成的等效電路如圖3所示，R和C為超聲波電動(dòng)機(jī)在諧振頻率附近的并聯(lián)等效電阻和電容。為了產(chǎn)生超聲波電動(dòng)機(jī)所需的一定功率的高頻高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，采用功率方波+LC振蕩電路實(shí)現(xiàn)。超聲波電動(dòng)機(jī)的功率一般較小，且工作頻率較高，因此功率方波的產(chǎn)生電路可以使用MOSFET管構(gòu)建全橋(H橋)電路實(shí)現(xiàn)。

圖3 LC諧振升壓電路原理圖

等效電路的等效阻抗：

(1)

|Z|=

該等效電路的固有頻率近似：

(2)

電路的品質(zhì)因素：

(3)

在設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)碾姼泻碗娙?，使得?2)右邊為超聲波電動(dòng)機(jī)的諧振頻率。

在選擇匹配電感時(shí)，設(shè)計(jì)原則是使匹配后阻抗盡可能小。因此應(yīng)使得式(1)中復(fù)阻抗的虛部為零，即：

(4)

由于電感一般較電容體積更大，且制造成本更高，因此傾向于使用固定值，以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。若取某個(gè)合適的固定值，則匹配電感的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：

(5)

實(shí)際情況下，根據(jù)超聲波電動(dòng)機(jī)的最大電壓耐受能力、驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)測(cè)輸出和電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況，應(yīng)對(duì)匹配電容和電感的取值略作調(diào)整。為了提高電路利用率，實(shí)現(xiàn)緊湊設(shè)計(jì)的目的，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)為雙軸驅(qū)動(dòng)。

3 直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的控制電路

使用以上設(shè)計(jì)的直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，完成控制實(shí)驗(yàn)。圖4(a)為PWM波占空比取0.5時(shí)，測(cè)得的Y軸運(yùn)動(dòng)速度曲線(xiàn)。圖4(b)為取不同PWM波的占空比值(調(diào)節(jié)超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的峰峰值)時(shí)(-0.5～0.5)，Y軸運(yùn)動(dòng)的平均速度曲線(xiàn)，其中占空比取負(fù)值時(shí)為反向運(yùn)動(dòng)。從測(cè)得數(shù)據(jù)可看出，直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的控制特性主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1) 控制特性強(qiáng)烈依賴(lài)于電機(jī)的當(dāng)前位置；

(2) 平均速度與占空比基本呈分段線(xiàn)性關(guān)系，但存在明顯的死區(qū)；

(3) 正反向運(yùn)動(dòng)特性不一致。

(a) Y軸的位置-速度驅(qū)動(dòng)測(cè)試曲線(xiàn)

(b) Y軸的占空比-平均速度測(cè)試曲線(xiàn)

為了降低超聲波電動(dòng)機(jī)控制的非線(xiàn)性，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，使系統(tǒng)更接近于線(xiàn)性，控制算法更為簡(jiǎn)單。本文根據(jù)實(shí)測(cè)的超聲波電動(dòng)機(jī)速度曲線(xiàn)，研究了2種針對(duì)占空比控制策略的直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)非線(xiàn)性補(bǔ)償技術(shù)，分別對(duì)應(yīng)不同層面的非線(xiàn)性問(wèn)題。

(1) 位置相關(guān)死區(qū)電壓補(bǔ)償

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，判定超聲波電動(dòng)機(jī)控制的正反向死區(qū)電壓，并在控制中加入該補(bǔ)償值。由于直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的非線(xiàn)性與運(yùn)動(dòng)位置相關(guān)，因此死區(qū)補(bǔ)償值不應(yīng)為固定的值，而是一個(gè)以當(dāng)前位置為自變量的非線(xiàn)性函數(shù)。

(2) 正反運(yùn)動(dòng)線(xiàn)性不一致補(bǔ)償

由圖4可以看出，超聲波電動(dòng)機(jī)的正、反向運(yùn)動(dòng)速度曲線(xiàn)的斜率不一致，造成了控制器正、反向調(diào)節(jié)時(shí)的PID參數(shù)不同。為消除這種非線(xiàn)性，可根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)加入正反運(yùn)動(dòng)的控制斜率校正函數(shù)。

由于針對(duì)L1-B2超聲波電動(dòng)機(jī)還沒(méi)有建立比較成熟的系統(tǒng)模型，而且經(jīng)過(guò)非線(xiàn)性補(bǔ)償之后，可認(rèn)為超聲波電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性近似為線(xiàn)性系統(tǒng)，所以首先考慮采用變?cè)鲆娴腜ID控制算法。一方面更易實(shí)現(xiàn)，另一方面通過(guò)調(diào)整不同階段的PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)較持續(xù)的控制性能優(yōu)化過(guò)程。本文采用分段式PID控制的算法，實(shí)現(xiàn)HF4超聲波電動(dòng)機(jī)的控制，系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。閉環(huán)控制采用了速度環(huán)和位置環(huán)雙環(huán)控制方式。PID參數(shù)分為兩組，一組用于超聲波電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和勻速運(yùn)動(dòng)情況；另一組用于超聲波電動(dòng)機(jī)即將到位的情況。其中，勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)比例增益相對(duì)較大，以提高響應(yīng)速度，積分增益相對(duì)較小，以防止積分飽和現(xiàn)象和振蕩。當(dāng)超聲波電動(dòng)機(jī)即將到位時(shí)(位置誤差小于1.0 μm)，比例增益相對(duì)降低，而積分增益相應(yīng)提高，以保證超聲波電動(dòng)機(jī)精確到位。

圖5 雙環(huán)PID閉環(huán)控制

本文的超聲波電動(dòng)機(jī)控制電路采用TI公司的LM3S9B96的ARM Cortex-M3芯片作為中央處理單元。超聲波電動(dòng)機(jī)的控制電路和驅(qū)動(dòng)電路一起構(gòu)成了超聲波電動(dòng)機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器。

4 直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的多軸控制設(shè)計(jì)

4.1 直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的EtherCAT伺服總線(xiàn)接口

開(kāi)放式的控制接口使建立一個(gè)面向不同領(lǐng)域的不同控制對(duì)象的通用控制平臺(tái)成為可能。本文計(jì)劃研究和開(kāi)發(fā)超聲波電動(dòng)機(jī)伺服控制器的EtherCAT接口技術(shù)，使超聲波電動(dòng)機(jī)具有與電磁電機(jī)一致的通信接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)多驅(qū)動(dòng)器的控制網(wǎng)絡(luò)，并能夠與傳統(tǒng)伺服電機(jī)結(jié)合形成復(fù)合的控制系統(tǒng)。

最新一代的電磁電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)具有了工業(yè)以太網(wǎng)接口。其中，發(fā)展最快、開(kāi)放性最強(qiáng)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議為德國(guó)BECKHOFF自動(dòng)化公司于2003年提出的EtherCAT協(xié)議。本文選用CoE(CANopen over EtherCAT)作為超聲波電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用層協(xié)議，規(guī)范化地定義了超聲波電動(dòng)機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器，將其等同于傳統(tǒng)電磁電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)將傳統(tǒng)電磁電機(jī)和超聲波電動(dòng)機(jī)無(wú)差異融合在一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)中，便于上層運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)的構(gòu)建。在CANopen應(yīng)用層行規(guī)中，CiA402定義了伺服和運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)容[11]。本文采用CiA402定義超聲波電動(dòng)機(jī)的伺服數(shù)據(jù)。根據(jù)CiA402的定義，數(shù)據(jù)對(duì)象0x6000～0x9FFF為伺服驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)，一個(gè)從站最多控制8個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器分配0x800個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象。本文使用CiA402數(shù)據(jù)字典定義了電機(jī)類(lèi)型、電機(jī)制造商信息、分段PID參數(shù)等伺服控制數(shù)據(jù)。本文開(kāi)發(fā)的支持EtherCAT協(xié)議的超聲波電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)物如圖6所示。

圖6 基于EtherCAT接口的超聲波電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器

4.2 軟PLC架構(gòu)的主站設(shè)計(jì)

可編程邏輯控制器PLC的實(shí)質(zhì)為一種專(zhuān)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，有多種編程語(yǔ)言。國(guó)際電工委員會(huì)制定了PLC的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。其中，IEC61131-3規(guī)定了5種編程語(yǔ)言：指令表(IL)、結(jié)構(gòu)化文本(ST)、梯形圖(LD)、功能塊圖(FBD)和順序功能圖(SFC)[12]。相比傳統(tǒng)的基于硬件的PLC，采用PLC軟件架構(gòu)的控制器具有很強(qiáng)的通用性、可移植性和開(kāi)放性。本文采用德國(guó)BECKHOFF公司推出的TwinCAT+CoDeSys系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)了基于軟PLC的開(kāi)放式架構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。TwinCAT解決了PC機(jī)的實(shí)時(shí)問(wèn)題，CoDeSys解決了軟PLC的編程問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，通常需要編寫(xiě)大量的運(yùn)動(dòng)控制代碼。在運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)上，廠商之間的運(yùn)動(dòng)控制算法往往互不兼容。為解決兼容性問(wèn)題，形成開(kāi)放式控制系統(tǒng)，PLCopen協(xié)議將常用運(yùn)動(dòng)控制功能使用IEC 61131-3語(yǔ)言進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。本文基于PLCopen開(kāi)發(fā)了超聲波電動(dòng)機(jī)的主站控制原型系統(tǒng)。

5 TRIPOD并聯(lián)精密定位平臺(tái)

5.1 全直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)并聯(lián)平臺(tái)

作為多軸運(yùn)動(dòng)控制的驗(yàn)證對(duì)象，本文開(kāi)發(fā)了全直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的5坐標(biāo)串并聯(lián)平臺(tái)，如圖7所示。TRIPOD平臺(tái)是由Hunt提出的3-RPS結(jié)構(gòu)發(fā)展而來(lái)的混聯(lián)結(jié)構(gòu)[13]。3-RPS機(jī)構(gòu)具有2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度(分別繞X,Y軸旋轉(zhuǎn))和一個(gè)平移自由度(沿Z軸)。為實(shí)現(xiàn)5自由度空間定位，本文開(kāi)發(fā)的TRIPOD平臺(tái)在3-RPS機(jī)構(gòu)的下平臺(tái)之前增加2個(gè)平移的X,Y軸。

圖7 全直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的TRIPOD運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

TRIPOD運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的坐標(biāo)系和關(guān)鍵參數(shù)如圖8所示。下平臺(tái)由等邊△B1B2B3組成，上平臺(tái)由等邊△A1A2A3組成。3-RPS機(jī)構(gòu)的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)在很多文獻(xiàn)均論述，本文對(duì)此不再贅述。

圖8 3-RPS機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系和關(guān)鍵變量

5.2 仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

由于空間運(yùn)動(dòng)任務(wù)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)過(guò)程可能產(chǎn)生的問(wèn)題難以通過(guò)直觀的認(rèn)識(shí)進(jìn)行預(yù)判，因此需要一個(gè)虛擬制造系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)全過(guò)程進(jìn)行仿真和優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)樣件制造過(guò)程的全數(shù)字化。目前,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展使得用3D的方式對(duì)機(jī)床和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)全過(guò)程進(jìn)行仿真的方案具有實(shí)現(xiàn)的可能。在數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，類(lèi)似于VeriCUT、Robomaster等數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人仿真和離線(xiàn)編程系統(tǒng)已達(dá)到實(shí)用的水平。

圖9為本文為此開(kāi)發(fā)的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)具有完善的人機(jī)交互、材質(zhì)渲染、光照系統(tǒng)等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬機(jī)器、工件和運(yùn)動(dòng)軌跡等數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，然后完成運(yùn)動(dòng)仿真，碰撞檢查和控制代碼生成等功能。在真實(shí)機(jī)器運(yùn)動(dòng)之前，可以給使用者一個(gè)直觀的仿真驗(yàn)證環(huán)境，能夠提高精密并聯(lián)定位平臺(tái)的功能性，幫助其完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖9 VCH2020的并聯(lián)機(jī)器人仿真環(huán)境

5.3 系統(tǒng)解決方案驗(yàn)證

利用本文的開(kāi)發(fā)成果,設(shè)計(jì)了微銑削加工中心的解決方案，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)并聯(lián)平臺(tái)的CAD-CAM-CNC數(shù)據(jù)流。采用SolidWorks完成CAD機(jī)械設(shè)計(jì)，MasterCAM完成CAM軌跡規(guī)劃，使用VCH2020完成運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、仿真和后置處理過(guò)程，如圖10所示。圖11給出了微銑削加工中心的虛擬原型機(jī)。圖12為一個(gè)5軸加工案例，采用TRIPOD硬件平臺(tái)5軸聯(lián)動(dòng)完成。圖12中給出了X，Y，P1，P2，P35個(gè)軸在實(shí)際控制時(shí)的控制和實(shí)際曲線(xiàn)。指令位置與實(shí)測(cè)位置，兩者數(shù)值十分接近，曲線(xiàn)幾乎重合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在五軸聯(lián)動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)較高的軌跡精度。與其它4個(gè)軸相比，Y軸的控制精度相對(duì)較低。

(a) 采用SolidWorks進(jìn)行CAD設(shè)計(jì)

(b) 采用MasterCAM進(jìn)行CAM規(guī)劃

圖11 微銑削加工中心的虛擬原型機(jī)

(a) 5軸加工案例(自由曲面)

(b) X軸測(cè)試位置曲線(xiàn)

(c)Y軸測(cè)試位置曲線(xiàn)

(d)P1軸測(cè)試位置曲線(xiàn)

(e)P2軸測(cè)試位置曲線(xiàn)

(f)P3軸測(cè)試位置曲線(xiàn)

6 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了一種直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)平臺(tái)多軸運(yùn)動(dòng)控制方案。設(shè)計(jì)了L1-B2直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的一體化驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)并開(kāi)發(fā)了具有EtherCAT接口的直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)伺服從站。根據(jù)CANopen的CiA402協(xié)議規(guī)范定義了直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的伺服控制協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了超聲波電動(dòng)機(jī)控制與傳統(tǒng)伺服電機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)的融合。采用基于PC架構(gòu)的TwinCAT主站控制器開(kāi)發(fā)了超聲波電動(dòng)機(jī)的主站控制程序。同時(shí)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了全直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的TRIPOD并聯(lián)精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，完成了串并聯(lián)平臺(tái)的五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制。

研究結(jié)果表明，引用現(xiàn)代工業(yè)控制的工業(yè)以太網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)等專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)的多軸控制系統(tǒng)是一種完全可行的解決方案，不僅可以降低開(kāi)發(fā)工作量，還可以借助工業(yè)控制發(fā)展的成果，大幅提升現(xiàn)有系統(tǒng)的開(kāi)放性、柔性和整體性能。