基于dsp技術(shù)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用研究

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1、基于ＤＳＰ技術(shù)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用研究摘要:本文介紹了利用基于ＤＳＰ技術(shù)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器作為下位機(jī),ＰＣ機(jī)作為上位機(jī)所構(gòu)成的主從式數(shù)控立式銑床控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了ＰＣ機(jī)技術(shù)和ＤＳＰ技術(shù)資源,具有高精度、高速度、高性?xún)r(jià)比的特性。1引言ＷＴＯ———中國(guó)人企盼十多年的夢(mèng)想終于實(shí)現(xiàn)了,這無(wú)疑對(duì)我國(guó)原本相對(duì)落后的機(jī)械制造業(yè)帶來(lái)了難得的機(jī)遇和巨大的挑戰(zhàn)。作為機(jī)械制造業(yè)重中之重的數(shù)控機(jī)床自然首當(dāng)其沖,未來(lái)幾年內(nèi)我們國(guó)家能不能盡快與國(guó)際接軌,開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高精密數(shù)控機(jī)床,在中高端數(shù)控機(jī)床方面占有一席之地顯得十分重要

2、。“十五”規(guī)劃中也指出,整個(gè)機(jī)床行業(yè)要以提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)占有率為目標(biāo)。數(shù)控系統(tǒng)是一種典型的多軸實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)采用的是專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)加多單片機(jī)-多控制回路的封閉式并行結(jié)構(gòu)。此類(lèi)控制器在高速、高精度和多軸同步運(yùn)動(dòng)控制等方面存在著難以逾越的技術(shù)瓶頸。為此我們采用了深圳摩信科技有限公司基于ＤＳＰ技術(shù)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器ＭＣＴ8000Ｆ4(插在ＰＣ機(jī)ＩＳＡ插槽中)配以ＰＣ機(jī)組成了主從式數(shù)控系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)立式數(shù)控銑床的功能。該控制器可提供2～8軸的高速、高精度伺服(步進(jìn))控制,其核心芯片采用美國(guó)ＴＩ公司32位浮

3、點(diǎn)ＤＳＰＴＭＳ320Ｃ31(40ＭＨｚ)。系統(tǒng)的多軸控制指令集合可以在一個(gè)中斷周期(高達(dá)10μＳ)內(nèi)完成,從而克服了傳統(tǒng)的并行結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上的同步控制瓶頸。2系統(tǒng)構(gòu)成圖1為該方案的系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖。利用ＤＳＰ控制器的其中三個(gè)步進(jìn)控制通道控制Ｘ、Ｙ、Ｚ軸(刀具上下位移)三個(gè)步進(jìn)電機(jī),Ｘ、Ｙ軸實(shí)現(xiàn)兩聯(lián)動(dòng),通過(guò)滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)加工平臺(tái)。所有步進(jìn)電機(jī)都配以光電旋轉(zhuǎn)編碼器以構(gòu)成(半)閉環(huán)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)位置和速度控制,并且在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)細(xì)分控制,在ＤＳＰ控制器內(nèi)對(duì)編碼器位置反饋脈沖1～4倍頻,這樣可以有效地提高步進(jìn)電機(jī)和光電編碼器的

4、性?xún)r(jià)比。主軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用交流變頻調(diào)速電機(jī),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。ＤＳＰ控制器的Ｉ/Ｏ通道則用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控銑床的其它輔助功能,比如Ｘ、Ｙ、Ｚ軸行程限位、工作臺(tái)臺(tái)燈、冷卻、潤(rùn)滑等。該系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為0.0075ｍｍ,理論最高直線位移速度為15ｍ/ｍｉｎ(受所用電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械部件等影響)。1系統(tǒng)工作過(guò)程上位ＰＣ機(jī)處理機(jī)床控制中的非實(shí)時(shí)任務(wù),實(shí)時(shí)任務(wù)由ＭＣＴ8000Ｆ4運(yùn)動(dòng)控制器處理。運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)行機(jī)制,是按預(yù)先設(shè)定的中斷時(shí)間周期地執(zhí)行各種運(yùn)動(dòng)控制指令。ＤＳＰ主控程序(可完全在Ｃ語(yǔ)言環(huán)境下開(kāi)發(fā))在前臺(tái)監(jiān)控運(yùn)動(dòng)控制程序的運(yùn)行狀態(tài),在

5、后臺(tái)響應(yīng)用戶的實(shí)時(shí)控制命令,控制底層控制環(huán)節(jié)的正常運(yùn)行。具體工作流程如下(參見(jiàn)圖2):首先在ＰＣ機(jī)上通過(guò)人機(jī)交互界面(采用ＪＡＶＡ語(yǔ)言開(kāi)發(fā),以便于下一步的網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)現(xiàn))繪制所要加工工件圖形(目前限于直線和圓弧兩種線條),并指定是左刀補(bǔ)或是右刀補(bǔ),然后啟動(dòng)ＰＣ機(jī)上刀具半徑補(bǔ)償應(yīng)用程序。計(jì)算出刀具半徑補(bǔ)償后的所要加工工件圖形各段的端(節(jié))點(diǎn)坐標(biāo)及圓弧起點(diǎn)、終點(diǎn)、圓心坐標(biāo),并設(shè)定各段所允許的最大加工進(jìn)給速度、加速度等參數(shù)。接著啟動(dòng)主控程序,進(jìn)行下位機(jī)ＤＳＰ控制器的初始化,然后將上述有關(guān)參數(shù)讀入到主控程序。開(kāi)啟基于ＤＳＰ內(nèi)部

6、定時(shí)器的中斷服務(wù)例程。該中斷程序主要執(zhí)行如下內(nèi)容:進(jìn)行直線、圓弧實(shí)時(shí)插補(bǔ),插補(bǔ)前后加減速控制,采樣指令位置和實(shí)際位置并計(jì)算出位置偏差,進(jìn)而通過(guò)ＤＳＰ內(nèi)部數(shù)字ＰＩＤ控制器輸出各軸所需脈沖,以驅(qū)動(dòng)工作平臺(tái)和刀具正確實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)。其中ＰＩＤ控制器可以使(半)閉環(huán)系統(tǒng)具有指定的增量裕度和相位裕度,Ｐ、Ｉ、Ｄ參數(shù)則通過(guò)離線調(diào)試完成設(shè)定。1關(guān)鍵技術(shù)及其相關(guān)理論4.1　刀具半徑補(bǔ)償在輪廓加工過(guò)程中,銑刀刀具總有一定的半徑,并且在粗加工和半精加工時(shí),還要預(yù)留一定的加工裕量,而且由于刀具還存在著磨損,因此,待加工工件輪廓還要加上刀具半徑補(bǔ)

7、償才是刀具中心的正確運(yùn)動(dòng)軌跡。為此本系統(tǒng)采用了Ｃ機(jī)能刀具半徑補(bǔ)償?shù)姆椒?刀具補(bǔ)償?shù)墓ぷ靼顺绦蚨沃g的自動(dòng)轉(zhuǎn)接和切削判別。圖3是直線接直線時(shí)刀具半徑矢量、轉(zhuǎn)接交點(diǎn)矢量計(jì)算的軟件實(shí)現(xiàn)流程圖,該應(yīng)用程序在Ｍａｔｌａｂ開(kāi)發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn),然后集成到人機(jī)控制界面中去。對(duì)于直線接圓弧、圓弧接圓弧的情況稍作修正即可利用這一流程圖來(lái)實(shí)現(xiàn)。將刀具半徑補(bǔ)償環(huán)節(jié)在ＰＣ機(jī)上進(jìn)行,一則可以充利用ＰＣ機(jī)資源,又可以為運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)時(shí)插補(bǔ)、運(yùn)動(dòng)控制爭(zhēng)取更多的ＤＳＰＣＰＵ資源。4.2　直線及圓弧插補(bǔ)插補(bǔ)運(yùn)算是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的基本數(shù)據(jù)(如直線的起點(diǎn)和

8、終點(diǎn),圓弧的起點(diǎn)、終點(diǎn)和圓心,進(jìn)給速度,刀具參數(shù)等),在輪廓起點(diǎn)和終點(diǎn)之間,計(jì)瑣若干中間點(diǎn)的坐標(biāo)值(密值),從而將工件輪廓描述出來(lái)。本系統(tǒng)的插補(bǔ)運(yùn)算采用了閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床中常用的時(shí)間分割插補(bǔ)法。這種方法是每隔時(shí)間ｔｍｓ進(jìn)行一次插補(bǔ)運(yùn)算。即先通過(guò)速度計(jì)算,按進(jìn)給速度Ｆ(ｍｍ/ｍｉｎ)計(jì)算出ｔｍｓ內(nèi)的合成進(jìn)給量ｆ,然后進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算,根據(jù)刀具運(yùn)動(dòng)軌