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基于PMAC的8轴自动铺带机跟踪控制系统
Liu Lin, Li Yong, Wen Liwei, Xiao Jun
摘 要：本文介绍了一种基于计算机数控（CNC）的开放硬件架构系统，以实现数控系统中自动铺带（ATL）的特殊功能。它将可编程多轴控制器（PMAC）作为运动控制单元与可编程数字控制器（PCL-725，PCL-730）相关联，用于开关控制。在不同情况下应用PMAC的基于时间的模式相关的跟踪控制方法，实现了主5轴带铺设头系统和3轴超声波切带系统的同步运动。另外，为了实现软件系统中的实时任务，例如同步运动控制和开关控制，采用实时Win 2000系统。作为PMAC和PCL的设备驱动程序，还设计了用户图形界面和数字控制程序解释模块。该系统有助于解决在设计ATL的数字控制中的复杂问题，例如确保对精确的机器控制和运动控制和开关控制的同步的高要求。
1 介绍
自动铺丝（ATL）被认为是发达国家先进复合材料生产的最重要技术之一。高效率，广泛用于制造F16，F22，B747，B787，A340和A380等战斗机和商用飞机的复合板或机翼蒙皮结构。世界各地的许多研究人员和研究机构都致力于ATL的研究。辛辛那提Milacron开发了轮廓带层（CTL）和相关的数控系统CM100。Forest-lineacute;采用西门子840D商用数控系统的双相自适应模式。M#39;torres发明了托辊铺设机器与FANUC 15i开放计算机数控（CNC）结构。在中国，手工铺层法仍然是航空航天工业中生产复合层压板的主要技术。ATL机器仍处于原型开发阶段。
自2003年以来，南京航空航天大学，北京航空材料研究所（BIAM）和上海先锋复合技术有限公司共同发起了第一台铺带机的开发和制造技术研究。
ATL技术在处理效率和精度方面都具有明显的优势。此外，ATL的相关数控系统所需的功能比传统的要复杂得多。
为了克服这个挑战，选择一个开放的CNC控制模型作为系统的框架。以工业计算机作为上位机和Win 2000系统作为软件平台，为NC代码准备了一个特殊的应用程序。下位机由多轴控制器和PCL控制器组合而成。
2 ATL工艺和设计原则
在ATL工艺中，ATL机主要采用单向复合预浸带，以背纸为原料进行层压。在CNC系统中，ATL头沿着模型表面上的设计轨迹移动，并用压辊将定制的带放置在其上。
（a）ATL工艺和带切割原理 （b）ATL机床和5轴定位系统
图1 ATL原理和原型机
从图1（b）可以看出，由于模型表面上的轨迹是复杂的3D曲线，需要多轴机器人手。除了传统的三个轴X，Y和Z，还增加了两个旋转轴C和A.通过5轴系统的移动完成在模型表面上铺设带的任务。
ATL头配备了一个3轴超声波切割系统，包括一个张力控制系统。切割系统包括移动穿过带的轴线W，以固定角度定位切割器的轴线V以及用于传送带的轴线U。在磁头内部，磁带切割系统将磁带切割成适合部件的设计轮廓的形状。定制的带在通过加热系统之后铺设在模型表面上。
图2 带铺设过程的自动化程序
机器采用跟随模式，使切割系统跟随机器人手的运动。此外，有几个开关控制单元与移动系统协同工作，构成实践中的ATL过程的关键因素。开关单元用于控制主辊，辅助辊和切刀在压下和提升以及打开和关闭加热系统等。8轴（5 3=8）运动控制工作以及可选择的顺序中的开关控制以实现自动复合带铺设过程（参见图2）。
通过引入跟随模式来裁剪具有不同角度的复合带，复合带铺设的形状可以获得与部件的设计轮廓的精确一致性。从动力学观点来看，在子切割系统中，通过合成穿过带的W轴的运动，通过V轴的切割角的控制，并通过U轴传送带。然而，U轴的运动由放置带时相对于模型表面的5轴系统定位组成。尝试计算切割系统的点将导致很大的复杂性，因为它们属于不同的运动系统。跟随模式的应用恰好符合预设，因为这样，用于磁带传送的U轴运动在V轴和W轴上精确追踪。
3 ATL数控硬件系统
ATL机器的NC硬件结构系统由复合材料的性质和它们铺设到模型上的方式决定。数控硬件系统主要由工业计算机（IPC），动态控制单元，可编程多轴卡（PMAC），开关控制，I/O卡PCL-725，PCL-730，一些I/O端口和电源单位。
图3 ATL机床的CNC硬件系统
在图3中，作为整个系统的上位计算机，IPC负责提供用于处理和后台操作的所有实时指令。此外，它同时命令下控制单元配合运动控制与开关控制。当运动控制器接收来自IPC的指令并且将它们与电动机必须移动的距离成比例地转变成脉冲。该系统使用来自Delta-Tau公司的PMAC作为核心运动控制单元。在该卡中，来自摩托罗拉公司的DSP56001/56002（40MHz）被用作CPU单元，其可以一起控制最多八个轴。此外，它还可以在相同时间运行可编程逻辑控制（PLC）程序。
PLC程序特别适用于监视模拟和数字输入，设置输出，发送消息，监视运动参数，发出命令，如同来自主机，更改增益和启动或停止运动。通过完全访问PMAC变量和I/O及其异步性质，它们成为运动控制程序的非常强大的辅助。
4. ATL机床CNC软件系统
为了保证整个系统的实时性，采用Win2000系统作为主要平台，使制造的G代码等关键任务不会被任何其他后台任务延迟。广泛应用于工业领域，Win2000系统不仅继承了Win95和Win98系统的优点，如高兼容性和容易移植，而且具有良好的稳定性和强大的实时性WinNT。
4.1 ATL机的软件架构
该程序可以分为两种主要类型：根据要使用的频率的实时任务和非实时任务，它们也可以被划分为周期任务和随机的任务，通过它们运行的时间长度。
图4数控系统软件结构图
如图4所示，实时和周期任务包括运动控制和开关控制任务，它们构成了铺带工艺的核心程序并且具有最高优先级。实时和随机任务包括手动操作的开关控制和处理故障，这意味着，不管发生什么，整个系统应该停止运行和诉诸补救。只有在问题已经解决之后，才可以恢复截获的过程。非实时任务主要指接口更新。接口上的信息应该定期更新，以便运营商可以看到。非实时任务总是要执行的lastones。非实时和随机性包括系统参数管理，部分设计程序输入和编辑，代码的预处理和其他后台操作。
4.2 运动控制和开关控制的同步
ATL机器的特殊功能需要与其运动完美协调的on-offactions。两者都应该实时完成。然而，由两个计算机处理单元单独控制，即通过PMAC的运动控制，而通过数字I/O卡（PCL-725）的断开控制，两个运动通过ISA通道接收来自上位机IPC的命令。
由于PMAC允许运动程序和PLC程序在其内同时运行，两种程序可以放在一起。通过不断地读取开关控制的状态并将其发送到PCL卡，上位机IPC确保运动控制和开关控制之间的完全同步。作为示例，下面的程序的一部分示出了两种移动的数据被传送和变换通过整个系统的方式。
（a）PMAC程序 （b）Main程序
图5 程序段的源代码
在图5中，左边部分示出了PMAC程序的段。当排序X和Y轴移动到固定点时，变量“m1”被赋予新值，该值由主程序立即读取并且发送到PCL卡。在程序的右边部分，Timer-Write Proc是定时器扫描程序的一部分，Pmac Get Variable是PMAC的动态链接功能。通过从PMAC连续读取变量“m1”并通过相关函数Drv_outp将其发送到PCL卡，执行开关控制。
4.3 执行跟踪系统
在加工过程中整个系统的运动可以分类为，如主运动和伺服运动。通过主运动意味着CNC系统直接向运动卡发送指令，并且相关的轴通过顺序移动到指定点，而没有任何干扰。aservo运动是指精确地跟随主运动的一个或多个轴。ATL机床的工作要求主系统和伺服切割系统单独工作，但是它们必须在特殊情况下，特别是在跟随切割模式中协调地工作。
实际上，将一个运动与另一个运动联系起来的关键参数是磁带S的弧长，当它下降时。跟随系统的轴运动可以通过以下函数描述：U=u（S），V=v（S），W=w（S），所以可以精确计算后续系统的龙门架的位置如果在实时模式中给出了光标长度S.根据机器人的DHalgorithm，来自ATL机器的5轴平台的endroller的点Xc变成是坐标传递矩阵A乘法在一起的结果。如果铺设轨道上的点被划分为由较小单元形成的网格，这意味着相邻点之间的弧距可以由直线S|XcXc|表示，则长度S是单位长度的和，近似S=S S。在已知弧长度S的情况下，可以定位轴线U的运动。同时，也可以确认轴V和W的相关运动。这是计算磁带弧长的理论方法，可应用于CAD/CAM离线设计系统。然而，在高速ATL机器的情况下，该算法不适用，因为在算出位置时可能耗时，并且在实时模式中延迟。结果，编码器直接连接U轴以检测磁带的铺设长度。解决了很多麻烦，关键的方法可以找出磁带的弧长。
在PMAC卡中，存在两种跟踪模式。一种是简单的跟踪模式，其中一轴简单地跟随另一个，并且采用与主移动距离成比例的距离，从而在复合带的表面上产生线性切割运动。另一种是复杂跟踪模式，其中跟踪系统由两个或多个独立轴组成，而主系统仍然具有一起工作的多个轴。两个系统的复合运动可以是线性或花键类型。此外，复合带的切割模式可以分为两个主要类别。一种是单独切割，用于0°切割，主要运动独立于伺服运动，这意味着当子系统单独完成切割时主要运动轨迹。另一种是角度切割，可以细分为简单线性切割和复杂花键切割对于简单的线切割，这意味着PMACcard[10-12]参数i806应设置为1，i807-809可以根据相关的切割角度精确计算。对于样条切割，必须采用基于时间的模式。该方法的原理在于，将轴编码器中的一个视为所有其它运动轴的时间轴，这意味着如果该轴不能运动，坐标的时间处于静止，而没有任何轴能够运动。通过该方法，U轴被定义为时间轴;轴V和W精确地跟踪磁带长度。花键切割轨道可以分割成多个部分，并且根据花键上的确切点位置，可以给它们各自不同的时间长度（参见图6）。
（a） 切割轨道模型
（b） 基于时间的控制程序
图6 基于时间的切割
在图6（a）中，切割轨迹通过控制点Si分成多个部分，控制点Si包含其坐标系中的Xi，Yi的信息。在图6（b）中，TM表示已经经过的系统的时间，其与U轴位置成比例，而W轴正在进行相应的运动。
5 应用和比较
5.1 系统应用
为了验证所提出的方法的应用的目的，原型机已经投入了内置的硬件和软件系统。图7阐明了其在角切割和铺带中的可行性和适用性。大多数情况下，0°和45°是系统，废料必须在随后的步骤中手工切割。只有具有双切割机的5轴切割系统才能满足设计轮廓的要求（见图2（a））。
（a） 0°切割 （b） 0°铺设
（c） 0°切割 （d） 0°铺设
图7 角带切割和铺设
毫无疑问，S曲线切割是可行的，虽然它的使用还没有在实践中发现，因为控制程序已经在仿真平台上验证。
为了窥探带切割和铺设过程的细节，进行具有不同环境参数的实验如下：
室温：25-27℃
湿度：35％-40％
辊压力：0.3MPa
加热温度：35℃以上
胶带张力：1.0kg
在图7（d）中，当带被切割45°并且铺放时，铺带头将旋转180°，以开始在最后一个带的旁边开始铺设平行带，同时，起始点待铺设的新胶带也必须与最后一个胶带的末端对齐。
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