大型刚体调姿实验平台手轮功能的实现（一）

0    引言
        自从1965年Stewart提出将6自由度并联机构作为训练飞行驾驶员的飞行模拟器以来,凭借其输出精度高、刚性好、承载能力强、便于控制、结构简单稳定等特点,并联机构得到了广泛的应用与发展。大型刚体调姿实验平台作为一种特殊的数控专用设备,手轮功能也是不可或缺的功能。传统数控设备一般只需通过手摇脉冲发生器发送相应指令脉冲控制单轴电机就可以实现。且相应的操作轴向及脉冲倍数的选择通过简单的开关量信号读取来判断。
        在本平台中,刚体由3个三坐标定位器支撑,刚体的位姿变化需要通过这9个轴的同步协调运动来实现,即将笛卡尔坐标系的刚体运动通过逆解运算转换为各伺服轴(实轴)的协同运动。因此,要求该平台的手轮功能既能实现所有单个设备的运动控制,又能实现对刚体位置姿态的运动控制。这与传统数控设备的手轮功能有着本质的不同,其必须依靠手持单元与工作站之间的协同控制才能实现。同时为了保证对操作者手摇脉冲输入动作的快速响应和实时处理,需要系统实时性强,从而使程序设计更加困难和复杂。
        本研究结合大型刚体调姿实验平台的开发实践,基于EUCHNER手持操作单元,介绍适用与该平台的手轮功能开发。
1    硬件介绍
1.1    调姿实验平台
        本调姿实验平台由3个三坐标支持机构组成,可实现大型刚体六自由度的姿态调整,三坐标支撑机构3个运动轴均为电机驱动,电机选用美国Danaher传动公司生产的Kellermorgen伺服电机,电机驱动器为CDServoStar系列,采用基于SynqNet实时现场总线控制技术,运动控制卡采用MotionEngineering公司生产的ZMP高速运动控制卡,对控制网络上所有驱动器或者I/O模块以节点的方式进行控制,它能实现最多32个伺服电机轴的同步驱动管理以及逻辑运算功能。手轮脉冲信号作为数字量输入信号接入I/O模块,作为运动控制的驱动信号。
1.2    手持单元
        本调姿平台采用EUCHNER公司生产的086180型号手持单元,它由12组按键及相应的LED灯、2个12档位的旋钮、AB相脉冲发生器以及脉冲使能开关组成。串口数据接口为RS422A,传输协议依照3964R协议。根据手持单元所提供的开发协议可以实现如下功能:
        (1)对按键及旋钮操作的消息响应及处理;
        (2)存储文本信息并显示;
        (3)手持单元状态查询(按键及旋钮);
        (4)LED状态灯开关控制。
        将以上功能与具体的工艺过程结合起来,将有效的提升调姿平台的人机交互性能,使操作者在工作现场即可灵活便捷的控制本调姿平台。
2    功能实现
2.1    手持单元与工作站之间的串口通信
        本研究采用微软提供的MsComm控件建立串口通讯。为保证串口通信的实时性与效率,利用多线程的工作模式,在主线程中发送数据,在所创建的用户界面线程上插入MsComm控件来接收数据。一个用户界面线程对应一部手轮,通过这种模式,系统可以实现多部手轮的串行或者并行的工作模式。手持单元发送的数据格式有4种[6-8],分别为握手协议信息、按键或旋转信息、确认信息以及手轮状态信息。针对不同数据格式,灵活配置MsComm控件的接收属性,确保接收数据的正确性与完整性。线程间通信利用时间驱动的方式。
        通信协议为3964R协议,该协议是西门子公司为了确保PLC之间或PLC与其他设备之间点对点可靠通信时,由程序包自动的将其加在数据包中,保证数据传送的可靠性。控制字如下:
        STX:传送文本开始(02H);
        DIE:连接成功/数据传输无误(10H);
        ETX:传送文本结束(03H);
        BCC:校验和(根据计算而定);
        NAK:否定应答(15H)。
2.1.1    数据的接收
        当数据缓冲区有数据时,会发送一个消息,自动调用OnComm()函数,在该函数内按以下程序设计框图处理数据,其中,设置STX事件表示的是将CEvent类型的STXEvent置为触发状态,这样在用户界面线程中利用WaitForSingleOb-ject()函数就可以检测到该事件已触发,从而实现这两个线程之间的同步。
        从接收的数据中可以得出手持单元按键或旋钮状态的变动,以自定义消息的方式发送至程序的主框架中,程序便会自动调用按键或旋钮事件响应函数。
2.1.2    数据的发送
        数据的发送是在主线程中进行,主要完成一些文本信息的定制以及手持单元状态信息的查询功能。