要求選擇的控制系統(tǒng)既有強大的功能、很高的可靠性，同時具有良好的開放性，以便于上述功能的開發(fā)和實現(xiàn)。經(jīng)過調(diào)研和比較，采用了上下位機的體系結(jié)構(gòu)，軟件框圖如所示。上位機控制系統(tǒng)軟件框圖采用基于Windows操作系統(tǒng)的工業(yè)計算機，完成非實時控制功能，下位機采用開放式運動控制器，完成實時控制功能。通過上位機開發(fā)的控制軟件和對運動控制器的二次開發(fā)，可以很好地實現(xiàn)通用功能和特殊功能。
系統(tǒng)軟件分為上位機的人機接口部分和下位機的實時控制部分，兩個部分通過以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議交換信息，其結(jié)構(gòu)框圖如所示。雙電機消除間隙結(jié)構(gòu)示意圖23旋轉(zhuǎn)2直線五軸聯(lián)動插補技術(shù)從機床結(jié)構(gòu)可以知道，在使用標準銑頭加工非重疊面和特殊銑頭加工重疊面時，分別使用兩套不同的附件銑頭進行加工。標準銑頭采用X，Z，B1，C1，C2聯(lián)動進行加工；特殊銑頭采用X，Z，A2，B2，C2聯(lián)動進行加工。
與通用的帶兩個擺動軸的3直線2旋轉(zhuǎn)的機床結(jié)構(gòu)相比，該機床結(jié)構(gòu)*大不同之處是：通用的工作臺是采用兩個直線軸的直角坐標來實現(xiàn)工件和刀具的相對移動，而它是采用一個直線軸和一個旋轉(zhuǎn)軸的極坐標來實現(xiàn)工件和刀具的相對移動的，同時工作臺的轉(zhuǎn)動和刀具的轉(zhuǎn)動共同改變了刀具在XOY平面內(nèi)的偏角，即存在兩個平行的旋轉(zhuǎn)軸。這樣就可以把插補算法分解成標準的五軸聯(lián)動插補算法和坐標系投影兩個步驟來實現(xiàn)。
為了簡單起見，針對標準銑頭進行討論，特殊銑頭的插補方法基本相似。
設標準五軸聯(lián)動插補算法求出刀尖所在的目標空間位置和法矢為（x1，y1，z1，L1，T1），此時對應電機的轉(zhuǎn)動位置為（P1，P2，P3，P4，P5）（P1，P2，，，P5分別對應X，Z，B1，C1，C2軸的電機）。
顯然存在一個映射關(guān)系f，使得（x1，y1，z1，L1，T1）f（P1，P2，P3，P4，P5）。
?。?）如果能在每個插補周期實時得到映射關(guān)系f，就可以根據(jù)標準的五軸聯(lián)動插補結(jié)果求取每個插補周期的電機的目標位置坐標（P1，P2，P3，P4，P5），進而求得電機的運動增量。
根據(jù)機床結(jié)構(gòu)，{z1，L1}y{P2，P3}是直接映射的，而{x1，y1}y{P1，P5}相當于正交坐標到極坐標的映射，{T1}y{P4，P5}為線性疊加，同時考慮到旋轉(zhuǎn)軸角度變化對空間位置的影響，可以得到x1-R1cosT1+cosP4=P1cosP5；y1-R1sinT1+sinP4=P1sinP5；P2=z1；P3=L1；P4+P5=T1，（2）式中R1為標準坐標系中旋轉(zhuǎn)軸運動到目標角度時刀尖到回轉(zhuǎn)中心的距離在XOY平面的投影，可以根據(jù)擺動軸的擺動半徑和角度求出。
由式（2）可以求出（P1，P2，P3，P4，P5），為了實現(xiàn)式（2）這種非線性關(guān)系，必須能實時讀取標準坐標系的插補結(jié)果，開放式運動控制器提供了這種可能。在運動控制器中定義了兩個坐標系：一個是虛擬軸的坐標系，可以完成標準配置的3直線2旋轉(zhuǎn)運動插補運算，但它不包含實際電機；另外一個真實軸的坐標系對應于實際的機床驅(qū)動電機，運行于后臺。在每臺插補周期讀取虛擬坐標系的插補結(jié)果，經(jīng)過式（2）運算后得出每臺電機的運動量，然后利用樣條指令完成實際進給。這樣就可以利用運動控制器提供的標準的五軸聯(lián)動插補算法，將其插補結(jié)果進行二次投影，實現(xiàn)3旋轉(zhuǎn)2直線的五軸聯(lián)動插補及在線刀具補償功能，同時可以與通用的CAD/CAM系統(tǒng)兼容。
雙電機消除間隙技術(shù)采用如所示的雙電機驅(qū)動，通過增加反向預緊力的方法來達到消除傳動間隙的目的。要消除傳動間隙，就要保證兩臺電機的輸出轉(zhuǎn)矩方向是相反的，兩臺電機的輸出轉(zhuǎn)矩的差決定了工作臺的旋轉(zhuǎn)方向。
雙電機消除間隙控制框圖系統(tǒng)控制框圖如所示：兩臺驅(qū)動器均工作于轉(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)處理后保證工作臺朝一個方向旋轉(zhuǎn)時一臺電機起驅(qū)動作用，另外一臺電機輸出反方向的張力以保證電機需要改變方向時沒有傳動間隙產(chǎn)生。兩臺電機輸出轉(zhuǎn)矩的計算公式如下：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；$T為位置控制器算出的轉(zhuǎn)矩控制量。TT要根據(jù)實際機床工作情況動態(tài)選取，在保證消除間隙的前提下盡量減少電機發(fā)熱。為了防止沖擊，慣性阻尼環(huán)節(jié)是必須的。
定義一個虛擬軸來完成伺服控制算法，它的位置反饋來自于旋轉(zhuǎn)工作臺的圓光柵，速度反饋來自于驅(qū)動系統(tǒng)的位置反饋信號，其處理結(jié)果為$T，通過式（3）在每個伺服周期得出T1和T2，直接通過D/A轉(zhuǎn)換控制兩臺驅(qū)動系統(tǒng)。
由于工作臺在銑削加工時的旋轉(zhuǎn)速度非常低，顯然從電機的碼盤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電機速度反饋信號，始終以主動電機的位置反饋信號作為速度反饋源，以防止機械誤差引起速度反饋的波動。
螺旋槳加工精度直接影響了船舶運行效率和噪聲，采用數(shù)控機床進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合加工機床的控制，并完成機電聯(lián)調(diào)工作。
