要求選擇的控制系統(tǒng)既有強(qiáng)大的功能、很高的可靠性，同時(shí)具有良好的開(kāi)放性，以便于上述功能的開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)調(diào)研和比較，采用了上下位機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，軟件框圖如所示。上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件框圖采用基于Windows操作系統(tǒng)的工業(yè)計(jì)算機(jī)，完成非實(shí)時(shí)控制功能，下位機(jī)采用開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器，完成實(shí)時(shí)控制功能。通過(guò)上位機(jī)開(kāi)發(fā)的控制軟件和對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的二次開(kāi)發(fā)，可以很好地實(shí)現(xiàn)通用功能和特殊功能。

　　系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)的人機(jī)接口部分和下位機(jī)的實(shí)時(shí)控制部分，兩個(gè)部分通過(guò)以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議交換信息，其結(jié)構(gòu)框圖如所示。雙電機(jī)消除間隙結(jié)構(gòu)示意圖23旋轉(zhuǎn)2直線五軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)技術(shù)從機(jī)床結(jié)構(gòu)可以知道，在使用標(biāo)準(zhǔn)銑頭加工非重疊面和特殊銑頭加工重疊面時(shí)，分別使用兩套不同的附件銑頭進(jìn)行加工。標(biāo)準(zhǔn)銑頭采用X，Z，B1，C1，C2聯(lián)動(dòng)進(jìn)行加工；特殊銑頭采用X，Z，A2，B2，C2聯(lián)動(dòng)進(jìn)行加工。

　　與通用的帶兩個(gè)擺動(dòng)軸的3直線2旋轉(zhuǎn)的機(jī)床結(jié)構(gòu)相比，該機(jī)床結(jié)構(gòu)*大不同之處是：通用的工作臺(tái)是采用兩個(gè)直線軸的直角坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)工件和刀具的相對(duì)移動(dòng)，而它是采用一個(gè)直線軸和一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的極坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)工件和刀具的相對(duì)移動(dòng)的，同時(shí)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)和刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)共同改變了刀具在XOY平面內(nèi)的偏角，即存在兩個(gè)平行的旋轉(zhuǎn)軸。這樣就可以把插補(bǔ)算法分解成標(biāo)準(zhǔn)的五軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)算法和坐標(biāo)系投影兩個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)銑頭進(jìn)行討論，特殊銑頭的插補(bǔ)方法基本相似。

　　設(shè)標(biāo)準(zhǔn)五軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)算法求出刀尖所在的目標(biāo)空間位置和法矢為（x1，y1，z1，L1，T1），此時(shí)對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置為（P1，P2，P3，P4，P5）（P1，P2，，，P5分別對(duì)應(yīng)X，Z，B1，C1，C2軸的電機(jī)）。

　　顯然存在一個(gè)映射關(guān)系f，使得（x1，y1，z1，L1，T1）f（P1，P2，P3，P4，P5）。

　　（1）如果能在每個(gè)插補(bǔ)周期實(shí)時(shí)得到映射關(guān)系f，就可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的五軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)結(jié)果求取每個(gè)插補(bǔ)周期的電機(jī)的目標(biāo)位置坐標(biāo)（P1，P2，P3，P4，P5），進(jìn)而求得電機(jī)的運(yùn)動(dòng)增量。

　　根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)，{z1，L1}y{P2，P3}是直接映射的，而{x1，y1}y{P1，P5}相當(dāng)于正交坐標(biāo)到極坐標(biāo)的映射，{T1}y{P4，P5}為線性疊加，同時(shí)考慮到旋轉(zhuǎn)軸角度變化對(duì)空間位置的影響，可以得到x1-R1cosT1+cosP4=P1cosP5；y1-R1sinT1+sinP4=P1sinP5；P2=z1；P3=L1；P4+P5=T1，（2）式中R1為標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系中旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)角度時(shí)刀尖到回轉(zhuǎn)中心的距離在XOY平面的投影，可以根據(jù)擺動(dòng)軸的擺動(dòng)半徑和角度求出。

　　由式（2）可以求出（P1，P2，P3，P4，P5），為了實(shí)現(xiàn)式（2）這種非線性關(guān)系，必須能實(shí)時(shí)讀取標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的插補(bǔ)結(jié)果，開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器提供了這種可能。在運(yùn)動(dòng)控制器中定義了兩個(gè)坐標(biāo)系：一個(gè)是虛擬軸的坐標(biāo)系，可以完成標(biāo)準(zhǔn)配置的3直線2旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)運(yùn)算，但它不包含實(shí)際電機(jī)；另外一個(gè)真實(shí)軸的坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)于實(shí)際的機(jī)床驅(qū)動(dòng)電機(jī)，運(yùn)行于后臺(tái)。在每臺(tái)插補(bǔ)周期讀取虛擬坐標(biāo)系的插補(bǔ)結(jié)果，經(jīng)過(guò)式（2）運(yùn)算后得出每臺(tái)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)量，然后利用樣條指令完成實(shí)際進(jìn)給。這樣就可以利用運(yùn)動(dòng)控制器提供的標(biāo)準(zhǔn)的五軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)算法，將其插補(bǔ)結(jié)果進(jìn)行二次投影，實(shí)現(xiàn)3旋轉(zhuǎn)2直線的五軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)及在線刀具補(bǔ)償功能，同時(shí)可以與通用的CAD/CAM系統(tǒng)兼容。

　　雙電機(jī)消除間隙技術(shù)采用如所示的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)增加反向預(yù)緊力的方法來(lái)達(dá)到消除傳動(dòng)間隙的目的。要消除傳動(dòng)間隙，就要保證兩臺(tái)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩方向是相反的，兩臺(tái)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩的差決定了工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)方向。

　　雙電機(jī)消除間隙控制框圖系統(tǒng)控制框圖如所示：兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器均工作于轉(zhuǎn)矩工作方式，伺服控制采用速度、位置雙反饋的PID+前饋控制算法，其輸出經(jīng)處理后保證工作臺(tái)朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)一臺(tái)電機(jī)起驅(qū)動(dòng)作用，另外一臺(tái)電機(jī)輸出反方向的張力以保證電機(jī)需要改變方向時(shí)沒(méi)有傳動(dòng)間隙產(chǎn)生。兩臺(tái)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式如下：T1=TT/2+$T/2；T2=-TT/2+$T/2，（3）式中：TT為消除間隙的張緊轉(zhuǎn)矩；$T為位置控制器算出的轉(zhuǎn)矩控制量。TT要根據(jù)實(shí)際機(jī)床工作情況動(dòng)態(tài)選取，在保證消除間隙的前提下盡量減少電機(jī)發(fā)熱。為了防止沖擊，慣性阻尼環(huán)節(jié)是必須的。

　　定義一個(gè)虛擬軸來(lái)完成伺服控制算法，它的位置反饋來(lái)自于旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的圓光柵，速度反饋來(lái)自于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位置反饋信號(hào)，其處理結(jié)果為$T，通過(guò)式（3）在每個(gè)伺服周期得出T1和T2，直接通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換控制兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

　　由于工作臺(tái)在銑削加工時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度非常低，顯然從電機(jī)的碼盤(pán)讀取速度反饋可以提高系統(tǒng)的低速平穩(wěn)性。但是要注意根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向的不同正確切換兩臺(tái)電機(jī)速度反饋信號(hào)，始終以主動(dòng)電機(jī)的位置反饋信號(hào)作為速度反饋源，以防止機(jī)械誤差引起速度反饋的波動(dòng)。

　　螺旋槳加工精度直接影響了船舶運(yùn)行效率和噪聲，采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工可以有效提高其精度。本文的研究成果已經(jīng)成功用于大型螺旋槳車銑復(fù)合加工機(jī)床的控制，并完成機(jī)電聯(lián)調(diào)工作。