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1、基于ＤＳＰ技术的多轴运动控制器的应用研究摘要:本文介绍了利用基于ＤＳＰ技术的多轴运动控制器作为下位机,ＰＣ机作为上位机所构成的主从式数控立式铣床控制系统。该系统充分利用了ＰＣ机技术和ＤＳＰ技术资源,具有高精度、高速度、高性价比的特性。1引言ＷＴＯ———中国人企盼十多年的梦想终于实现了,这无疑对我国原本相对落后的机械制造业带来了难得的机遇和巨大的挑战。作为机械制造业重中之重的数控机床自然首当其冲,未来几年内我们国家能不能尽快与国际接轨,开发出具有自主知识产权的高精密数控机床,在中高端数控机床方面占有一席之地显得十分重要。“十五
2、”规划中也指出,整个机床行业要以提高国产数控机床市场占有率为目标。数控系统是一种典型的多轴实时运动控制系统。传统的机床数控系统采用的是专用的计算机加多单片机-多控制回路的封闭式并行结构。此类控制器在高速、高精度和多轴同步运动控制等方面存在着难以逾越的技术瓶颈。为此我们采用了深圳摩信科技有限公司基于ＤＳＰ技术的多轴运动控制器ＭＣＴ8000Ｆ4(插在ＰＣ机ＩＳＡ插槽中)配以ＰＣ机组成了主从式数控系统,以实现立式数控铣床的功能。该控制器可提供2～8轴的高速、高精度伺服(步进)控制,其核心芯片采用美国ＴＩ公司32位浮点ＤＳＰＴＭＳ3
3、20Ｃ31(40ＭＨｚ)。系统的多轴控制指令集合可以在一个中断周期(高达10μＳ)内完成,从而克服了传统的并行结构在本质上的同步控制瓶颈。2系统构成图1为该方案的系统硬件构成图。利用ＤＳＰ控制器的其中三个步进控制通道控制Ｘ、Ｙ、Ｚ轴(刀具上下位移)三个步进电机,Ｘ、Ｙ轴实现两联动,通过滚珠丝杆驱动加工平台。所有步进电机都配以光电旋转编码器以构成(半)闭环系统,实现位置和速度控制,并且在步进电机驱动器内实现细分控制,在ＤＳＰ控制器内对编码器位置反馈脉冲1～4倍频,这样可以有效地提高步进电机和光电编码器的性价比。主轴旋转电机采用
4、交流变频调速电机,实现转速控制。ＤＳＰ控制器的Ｉ/Ｏ通道则用来实现数控铣床的其它辅助功能,比如Ｘ、Ｙ、Ｚ轴行程限位、工作台台灯、冷却、润滑等。该系统脉冲当量为0.0075ｍｍ,理论最高直线位移速度为15ｍ/ｍｉｎ(受所用电机、驱动器、机械部件等影响)。1系统工作过程上位ＰＣ机处理机床控制中的非实时任务,实时任务由ＭＣＴ8000Ｆ4运动控制器处理。运动控制器的运行机制,是按预先设定的中断时间周期地执行各种运动控制指令。ＤＳＰ主控程序(可完全在Ｃ语言环境下开发)在前台监控运动控制程序的运行状态,在后台响应用户的实时控制命令,控制
5、底层控制环节的正常运行。具体工作流程如下(参见图2):首先在ＰＣ机上通过人机交互界面(采用ＪＡＶＡ语言开发,以便于下一步的网络控制实现)绘制所要加工工件图形(目前限于直线和圆弧两种线条),并指定是左刀补或是右刀补,然后启动ＰＣ机上刀具半径补偿应用程序。计算出刀具半径补偿后的所要加工工件图形各段的端(节)点坐标及圆弧起点、终点、圆心坐标,并设定各段所允许的最大加工进给速度、加速度等参数。接着启动主控程序,进行下位机ＤＳＰ控制器的初始化,然后将上述有关参数读入到主控程序。开启基于ＤＳＰ内部定时器的中断服务例程。该中断程序主要执行
6、如下内容:进行直线、圆弧实时插补,插补前后加减速控制,采样指令位置和实际位置并计算出位置偏差,进而通过ＤＳＰ内部数字ＰＩＤ控制器输出各轴所需脉冲,以驱动工作平台和刀具正确实时运动。其中ＰＩＤ控制器可以使(半)闭环系统具有指定的增量裕度和相位裕度,Ｐ、Ｉ、Ｄ参数则通过离线调试完成设定。1关键技术及其相关理论4.1 刀具半径补偿在轮廓加工过程中,铣刀刀具总有一定的半径,并且在粗加工和半精加工时,还要预留一定的加工裕量,而且由于刀具还存在着磨损,因此,待加工工件轮廓还要加上刀具半径补偿才是刀具中心的正确运动轨迹。为此本系统采用了Ｃ
7、机能刀具半径补偿的方法,刀具补偿的工作包括了程序段之间的自动转接和切削判别。图3是直线接直线时刀具半径矢量、转接交点矢量计算的软件实现流程图,该应用程序在Ｍａｔｌａｂ开发环境下实现,然后集成到人机控制界面中去。对于直线接圆弧、圆弧接圆弧的情况稍作修正即可利用这一流程图来实现。将刀具半径补偿环节在ＰＣ机上进行,一则可以充利用ＰＣ机资源,又可以为运动控制器实时插补、运动控制争取更多的ＤＳＰＣＰＵ资源。4.2 直线及圆弧插补插补运算是数控系统根据输入的基本数据(如直线的起点和终点,圆弧的起点、终点和圆心,进给速度,刀具参数等),在
8、轮廓起点和终点之间,计琐若干中间点的坐标值(密值),从而将工件轮廓描述出来。本系统的插补运算采用了闭环控制的数控机床中常用的时间分割插补法。这种方法是每隔时间ｔｍｓ进行一次插补运算。即先通过速度计算,按进给速度Ｆ(ｍｍ/ｍｉｎ)计算出ｔｍｓ内的合成进给量ｆ,然后进行插补运算,根据刀具运动轨
