Zusammenfassung: Ein CNC-System im offenen Modus „PC+TurboPMAC“ wurde entwickelt, um die Bewegungssteuerung einer hybriden 3PRS-XY-Parallelkinematik-Werkzeugmaschine zu realisieren. Durch die Nutzung der offenen Kinematikberechnungsfunktion von TurboPMAC wurden kinematische Transformationsberechnungen in TurboPMAC integriert und eine grobe Trajektorieninterpolation innerhalb von TurboPMAC durchgeführt. Dies verbesserte die Echtzeitfähigkeit und Zuverlässigkeit des Steuerungssystems und verkürzte den Entwicklungszyklus. 1 Einleitung Parallelkinematik-Werkzeugmaschinen (PKM), auch bekannt als virtuelle Achsen-Werkzeugmaschinen, basieren auf räumlichen Parallelmechanismen. Sie nutzen das Potenzial der computergestützten numerischen Steuerung (CNC) voll aus, indem sie Teile der Hardware durch Software und Teile der mechanischen Getriebe durch elektrische und elektronische Bauteile ersetzen. Dadurch verändern sie grundlegend die Werkzeugmaschinenstruktur und die kinematischen Prinzipien der seit fast zwei Jahrhunderten bestehenden linearen Bewegung in kartesischen Koordinaten. Hybride Parallelkinematik-Werkzeugmaschinen (HybridPKM), auch bekannt als Hybrid-Werkzeugmaschinen, gehören zur Kategorie der Parallelkinematik-Werkzeugmaschinen. Hybridstrukturen umfassen seriell-parallele, parallel-seriell und komplexe Hybridstrukturen. Sie bestehen aus einem rein parallelen Mechanismus mit wenigen Freiheitsgraden, der mit Antriebsmechanismen in anderen Bewegungsrichtungen gekoppelt ist. Hybrid-Werkzeugmaschinen kombinieren parallele und serielle Mechanismen und vereinen deren Eigenschaften. Sie überwinden weitgehend die Einschränkungen rein paralleler Werkzeugmaschinen hinsichtlich des Bearbeitungsbereichs und ermöglichen so eine flexiblere und praxisnähere Anwendung paralleler Mechanismen. Verschiedene seriell-parallele Kombinationen haben das Entwicklungspotenzial von Parallel-Werkzeugmaschinen erheblich erweitert. Parallel-Werkzeugmaschinen unterscheiden sich grundlegend von traditionellen Werkzeugmaschinen in ihren Bewegungsübertragungsprinzipien, und ihre Strukturen und Konfigurationen sind vielfältig. Ein einzelnes Steuerungssystem kann die Anforderungen aller Parallel-Werkzeugmaschinen nur schwer erfüllen. Daher müssen Werkzeugmaschinenhersteller die Steuerungshardware und -software selbst konfigurieren, und das Steuerungssystem von Parallel-Werkzeugmaschinen muss eine offene Struktur aufweisen, um die Systemanwendbarkeit zu verbessern. Derzeit ist die Kombination aus PC und Mehrachsensteuerung ein realistischerer Ansatz zur Realisierung offener CNC-Systeme. In dieser Struktur übernimmt der PC die nicht-Echtzeit-Komponenten, während die Echtzeit-Steuerung vom Mehrachsen-Controller übernommen wird. Dadurch entsteht ein mehrstufiges, verteiltes Steuerungssystem. Das so aufgebaute CNC-System vereint die Flexibilität eines Frontend-PCs mit der Stabilität und Zuverlässigkeit eines dedizierten CNC-Systems. Aktuell bietet das offene Steuerungssystem PMAC das beste Preis-Leistungs-Verhältnis auf dem heimischen Markt. Dank seiner exzellenten Bahnverfolgungseigenschaften und seiner offenen Architektur wird der PMAC-Bewegungscontroller in vielen Hochleistungs-CNC-Systemen und Forschungsprojekten für den Aufbau offener Steuerungssysteme eingesetzt. Der Mehrachsen-Bewegungscontroller TurboPMAC ist eine Weiterentwicklung der PAMC-Serie und behält die hervorragende Leistung des PMAC bei. Seine einzigartigen offenen Eigenschaften machen ihn noch besser geeignet für den Aufbau komplexer offener CNC-Systeme. Mit Unterstützung des „985“-Projekts entwickelte das Beijing Institute of Technology erfolgreich einen Prototyp einer hybriden 3PRS-XY-Parallelwerkzeugmaschine. Basierend auf der Entwicklung dieser Werkzeugmaschine entwarfen die Autoren ein offenes CNC-System im „PC+TurboPMAC“-Modus. 2. Struktur der Hybrid-Werkzeugmaschine Die neue 3PRS-XY Hybrid-Werkzeugmaschine ist ein Fünf-Achs-Bearbeitungszentrum mit Gelenkkettenbauweise (siehe Abbildung 1). Sie besteht aus zwei Teilen: einem Parallel- und einem Serienmechanismus. Der obere Teil ist ein 3-DOF-Parallelmechanismus vom Typ 3-PRS mit einer festen und einer beweglichen Plattform. Die feste und die bewegliche Plattform sind durch drei Glieder fester Länge verbunden. Jedes Glied besteht aus einem Schubgelenk (P), einem Drehgelenk (R) und einem Kugelgelenk (S). Die drei Schubgelenke sind horizontal im Winkel von 120° auf der Säule der festen Plattform angeordnet und werden von einem Linearmotor angetrieben. Die bewegliche Plattform dieses Mechanismus besitzt einen translatorischen Freiheitsgrad (Z-Achse) und zwei rotatorische Freiheitsgrade (A- und B-Achse). Der untere Teil ist ein XY-Arbeitstisch mit zwei translatorischen Freiheitsgraden (X- und Y-Achse). Abbildung 1 zeigt die Hardwarekonfiguration der 3PRS-XY Hybrid-Werkzeugmaschine. Das Steuerungssystem arbeitet im offenen Modus „PC + Bewegungssteuerung“, wie in Abbildung 2 dargestellt. Abbildung 2 zeigt die Hardwarekonfiguration des CNC-Systems. Als PC dient die integrierte Workstation Advantech AWS-2848VTP, als Bewegungssteuerung die Mehrachsen-Bewegungssteuerungskarte DeltaTau TurboPMAC. Das Steuerungssystem umfasst fünf Servoantriebe, die drei Sätze Linearmotoren in Parallelschaltungen und zwei Sätze AC-Servomotoren in Serienschaltungen ansteuern. Die Positionserfassung erfolgt mittels eines Linear-Encoders. Die Regelung der fünf Servoantriebe wird über die fünf Servokanäle der TurboPMAC realisiert. Der sechste Servokanal der TurboPMAC steuert den Spindelmotor-Frequenzumrichter zur Spindeldrehzahlregelung und unterstützt Spindeldrehzahlbefehle im CNC-Code. Die I/O-Karte ist mit der TurboPMAC verbunden und steuert Hilfsfunktionen, Spindelstart/-stopp, Werkzeugendpunkterkennung, Antriebsanzeigen und Alarmeinrichtungen. Über die integrierte SPS-Funktion werden Eingangsbefehle vom Bedienfeld erfasst. Das Steuerungssystem zeichnet sich durch einen PC-Bus-Industrie-Controller als Steuerungskern und die PMAC-Mehrachsen-Steuerkarte als Bewegungssteuerungsmodul aus. Dadurch entsteht ein verteiltes Steuerungssystem mit dem PC als Host-Rechner und der TurboPMAC-Mehrachsen-Steuerkarte als Slave-Rechner. Abbildung 3 veranschaulicht den Workflow des CNC-Systems, wobei der gesamte CNC-Prozess sequenziell vom PC, der TurboPMAC und den Servoantriebssystemen ausgeführt wird. Im Vergleich zu aktuellen Forschungsarbeiten zu parallelen Werkzeugmaschinen-CNC-Systemen auf Basis von „PC+PMAC“ besteht das bedeutendste Merkmal dieses Steuerungsablaufs in der Integration von Grobinpolation und inverser Kinematik-Transformation in die TurboPMAC. Dies verbessert die Echtzeit-Steuerungsleistung des hybriden 3PRS-XY-Werkzeugmaschinen-CNC-Systems signifikant. Abbildung 3 zeigt den Workflow des CNC-Systems. Die Steuerung paralleler Werkzeugmaschinen ist eine Schlüsseltechnologie und eine Herausforderung in der Forschung zu parallelen Werkzeugmaschinen, da sie komplexer ist als die Steuerung traditioneller Werkzeugmaschinen. Bei traditionellen Werkzeugmaschinen verfügt jeder Freiheitsgrad über ein eigenes Servoantriebssystem, und die Bewegung jedes Freiheitsgrades ist unabhängig. Bei Parallelwerkzeugmaschinen sind die Freiheitsgrade gekoppelt, und die Werkzeugbewegung im Arbeitsraum ist eine nichtlineare Abbildung der Servobewegung im Gelenkraum. Die Planung und Programmierung der Werkzeugspitzenbahn erfolgt auf der virtuellen Achse, üblicherweise basierend auf kartesischen Koordinaten, während die tatsächlichen Antriebsachsen an den Knotenpunkten des Parallelgetriebes liegen und auf Gelenkkoordinaten basieren; die Bewegung zwischen ihnen ist nichtlinear. Daher ist es notwendig, die Planungsgrößen der virtuellen Achsen mittels inverser Kinematik des Mechanismus in Steuergrößen der realen Achsen umzuwandeln; dieser Prozess wird auch als virtuell-reale Abbildung bezeichnet. Da die virtuell-reale Transformation stark nichtlinear ist, muss die geplante Bahn (einschließlich gerader Liniensegmente) zur Gewährleistung der Genauigkeit vor der kinematischen Transformation einer Datenpunktverdichtung unterzogen werden, d. h. einer groben Interpolation im kartesischen Koordinatenraum. Die grobe Interpolation reduziert effektiv grundlegende Fehler, die durch die nichtlineare Abbildung verursacht werden. Durch die Verwendung einer sehr kurzen Abtastperiode für die Grobinterpolation werden solche Fehler vernachlässigbar. Die dabei entstehende große Datenmenge muss jedoch an die Bewegungssteuerung übertragen werden, was die Online-Echtzeitsteuerung aufgrund von Übertragungsgeschwindigkeitsbeschränkungen erschwert. Dieses System nutzt die von TurboPMAC bereitgestellte kinematische Berechnungsfunktion vollständig aus. Das Programm zur Berechnung der inversen Kinematik wird auf TurboPMAC heruntergeladen, und TurboPMAC führt die Grobinterpolation durch. Dadurch wird das Datenübertragungsvolumen zwischen PC und TurboPMAC deutlich reduziert und die Echtzeitleistung des CNC-Systems verbessert. Die Grobinterpolation verwendet einen Zeitmultiplexalgorithmus, der durch die Segmentunterteilungsfunktion von TurboPMAC implementiert wird. Die Periode der Grobinterpolation wird durch eine Variable I festgelegt. Die Feininterpolation nutzt die integrierte Spline-Interpolationsfunktion von TurboPMAC, um die für die Servosteuerung benötigten Positionsdaten bereitzustellen. Dieser Ansatz für das Steuerungssystem macht die Ausführung des CNC-Bearbeitungsprogramms unabhängig von der Echtzeitfähigkeit des Host-Computer-Betriebssystems. Die Bewegungssteuerung des Hybridmechanismus erfolgt vollständig über TurboPMAC. Gleichzeitig können die von TurboPMAC bereitgestellten Funktionen zum Aufrufen von C-Code und zur Werkzeugradiuskompensation direkt genutzt werden. Dies verkürzt den Systementwicklungszyklus und verbessert die Echtzeit-Steuerungsfähigkeiten des gesamten CNC-Systems. 5. Software-Design des CNC-Systems Die CNC-Systemsoftware basiert auf dem Windows-Betriebssystem und wurde mit Borlands C++Builder 6.0 entwickelt. Das Softwaresystem arbeitet mit Multitasking und passt den Ausführungsstatus jedes Funktionsereignisses gemäß einer vordefinierten Planungsstrategie an. Wie in Abbildung 4 dargestellt, besteht das gesamte Aufgabensystem aus zwei Hauptmodulen: Systemverwaltung und Werkzeugmaschinenschnittstelle. Da das Kinematikprogramm in TurboPMAC eingebettet ist, weist die CNC-Systemsoftware keine Aufgaben mehr für kinematische Transformationen und Interpolationen zu. Abbildung 4 zeigt die Module der Steuerungssystemsoftware. Das Systemverwaltungsmodul übernimmt hauptsächlich die Vorverarbeitung von CNC-Programmen und die Mensch-Maschine-Interaktion. Im Einzelnen: Das Parametereinstellungsmodul dient zum Festlegen von Werkzeugparametern und Strukturparametern der Werkzeugmaschine; das Dateiverwaltungsmodul dient zum Laden, Speichern und Bearbeiten von NC-Bearbeitungscode-Programmen; Das Modul für automatischen Betrieb (Auto) übernimmt das automatische Herunterladen und die Betriebssteuerung von CNC-Programmen. Das Modul für manuellen Betrieb (MDA) ermöglicht die manuelle Eingabe einzelner CNC-Befehle zur direkten Steuerung der Einzelschrittbewegung der Werkzeugmaschine. Das Modul für Tippbetrieb (Jog) steuert den Tippbetrieb jeder virtuellen Achse der Werkzeugmaschine, justiert die Werkzeugposition und bestimmt das Werkstückkoordinatensystem. Das Simulationsmodul führt eine kinematische Simulation des Mechanismus auf Basis des Bearbeitungsprogramms durch und überprüft den Arbeitsbereich sowie mögliche Bewegungsüberschneidungen. Das Modul für die Bahnverfolgung zeigt die Motorbewegungsbahn und die Bahn der virtuellen Werkzeugspitze in Echtzeit an. Das Modul für den Maschinenstatus zeigt Informationen wie Werkzeugspitzenkoordinaten, Spindeldrehzahl, Vorschubgeschwindigkeit, Betriebszustand und Fehlerstatus an. Das Modul für die Fehlerkompensation lädt dynamisch Fehlerkompensationsregeln, -algorithmen und -daten, um die Bewegungssteuerungsgrößen zu korrigieren und Bearbeitungsfehler zu reduzieren. Fehlerkompensationsdaten können durch Überprüfung der Werkzeugspitzenposition mit einem speziellen Messgerät oder aus Fehlermessstatistiken während des Bearbeitungsprozesses gewonnen werden. Das Werkzeugmaschinen-Schnittstellenmodul übernimmt Aufgaben im Zusammenhang mit TurboPMAC. Im Einzelnen: Das Kommunikationsmodul stellt einen Datenkanal zwischen PC und TurboPMAC her; das Karteneinstellungsmodul konfiguriert die Anfangsparameter des TurboPMAC; und das Echtzeit-Überwachungsmodul lädt CNC-Programme und -Befehle herunter, prüft den Status des TurboPMAC-Datenbereichs und den Betriebszustand des Servosystems in Echtzeit und überträgt die geprüften Daten an das Bahnanzeigemodul und das Maschinenstatusanzeigemodul. Dadurch wird die Echtzeitdarstellung von Werkzeugweg, Servoachsenbewegung, Steuerungsstatus und Fehlermeldungen ermöglicht. 6. Fazit: In diesem Beitrag wird ein offenes CNC-System auf Basis einer „PC+TurboPMAC“-Architektur vorgestellt, das die Teilebearbeitung direkt mit Standard-C-NC-Programmen steuert und den Anwender vor der Komplexität der Bewegungssteuerung in parallelen Werkzeugmaschinenstrukturen schützt. Kinematische Berechnungen und Grobinterpolationsfunktionen werden per Download integriert, wodurch die Belastung der Host-Maschine und der Datenkommunikation reduziert und die Echtzeit-Steuerungsleistung sowie die Host-Management-Funktionen verbessert werden. Das Softwaresystem nutzt die Ressourcenvorteile der Windows-Plattform voll aus und verwendet objektorientierte Designmethoden, um eine benutzerfreundliche Oberfläche und ein Aufgabenplanungssystem zu realisieren. Das Ergebnis ist ein hochmodulares, bedienerfreundliches und leicht erweiterbares System. Das in dieser Arbeit vorgestellte CNC-System wurde erfolgreich zur Steuerung des 3PRS-XY-Hybridwerkzeugmaschinen-Prototyps am Beijing Institute of Technology eingesetzt.