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

1、基于ＤＳＰ技術(shù)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用研究基于ＤＳＰ技術(shù)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用研究摘要摘要: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)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)資源具有高精具有高精度、高速度、高性價(jià)比的特性。度、高速度

2、、高性價(jià)比的特性。1引言引言ＷＴＯＷＴＯ———中國人企盼十多年的夢(mèng)想終于實(shí)現(xiàn)了中國人企盼十多年的夢(mèng)想終于實(shí)現(xiàn)了這無疑對(duì)我國原本相對(duì)落后的機(jī)械這無疑對(duì)我國原本相對(duì)落后的機(jī)械制造業(yè)帶來了難得的機(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)其制造業(yè)帶來了難得的機(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)其沖未來幾年內(nèi)我們國家能不能盡快與國際接軌未來幾年內(nèi)我們國家能不能盡快與國際接軌開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高精密數(shù)控機(jī)

3、開發(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。在中高端數(shù)控機(jī)床方面占有一席之地顯得十分重要?！笆濉币?guī)劃中也指出“十五”規(guī)劃中也指出整個(gè)機(jī)床行整個(gè)機(jī)床行業(yè)要以提高國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)占有率為目標(biāo)。業(yè)要以提高國產(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)采用的是專用的數(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)采用的是專用的計(jì)算機(jī)加多單片機(jī)計(jì)算機(jī)

4、加多單片機(jī)多控制回路的封閉式并行結(jié)構(gòu)。此類控制器在高速、高精度和多軸同步多控制回路的封閉式并行結(jié)構(gòu)。此類控制器在高速、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ＭＣＴＤＳＰ技術(shù)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器ＭＣＴ8000Ｆ4(插在ＰＣ機(jī)ＩＳＡ插槽中插在ＰＣ機(jī)ＩＳＡ插槽中)配以ＰＣ機(jī)組成了配以ＰＣ機(jī)

5、組成了主從式數(shù)控系統(tǒng)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、高精度伺軸的高速、高精度伺服(步進(jìn)步進(jìn))控制控制其核心芯片采用美國ＴＩ公司其核心芯片采用美國ＴＩ公司32位浮點(diǎn)ＤＳＰＴＭＳ位浮點(diǎn)ＤＳＰＴＭＳ320Ｃ31(40ＭＨｚＭＨｚ)。系統(tǒng)的多軸控制指令集合可以在一個(gè)中斷周期系統(tǒng)的多軸控制指令集合可以在一個(gè)中斷周期(高達(dá)高達(dá)10μＳμＳ)內(nèi)完成內(nèi)完成從而克服了傳統(tǒng)的并行

6、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。結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上的同步控制瓶頸。2系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成圖1為該方案的系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖。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(刀具上下位移刀具上下位移)三個(gè)步三個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)電機(jī)Ｘ、Ｙ軸實(shí)現(xiàn)兩聯(lián)動(dòng)Ｘ、Ｙ軸實(shí)現(xiàn)兩聯(lián)動(dòng)通過滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)加工平臺(tái)。所有步進(jìn)電機(jī)都配以光電旋轉(zhuǎn)編通過滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)加工平臺(tái)。所有步進(jìn)電機(jī)都

7、配以光電旋轉(zhuǎn)編碼器以構(gòu)成碼器以構(gòu)成(半)閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置和速度控制實(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Ｄ在Ｄ4關(guān)鍵技術(shù)及其相關(guān)理論關(guān)鍵技術(shù)及其相關(guān)理論4.1刀具半徑補(bǔ)償?shù)毒甙霃窖a(bǔ)償在輪廓加工過程中在輪廓加工過程中銑刀刀具總有一定的半徑銑刀刀具總有一定的半徑并且在粗加工和半精加工時(shí)并且在粗加工和半精加工時(shí)還要預(yù)留一定的還要預(yù)留一定的加工裕量加工裕量而且由于刀具還存在著磨損而且由于

8、刀具還存在著磨損因此因此待加工工件輪廓還要加上刀具半徑補(bǔ)償才是刀待加工工件輪廓還要加上刀具半徑補(bǔ)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ň咧行牡恼_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ǖ毒哐a(bǔ)償?shù)墓ぷ靼毒哐a(bǔ)償?shù)墓ぷ靼顺绦蚨沃g的自動(dòng)轉(zhuǎn)接和切削判別。圖括了程序段之間的自動(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)流程圖量計(jì)

9、算的軟件實(shí)現(xiàn)流程圖該應(yīng)用程序在Ｍａｔｌａｂ開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)該應(yīng)用程序在Ｍａｔｌａｂ開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)然后集成到人機(jī)控制然后集成到人機(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實(shí)現(xiàn)。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實(shí)現(xiàn)。將刀具半徑補(bǔ)償環(huán)節(jié)在ＰＣ機(jī)上進(jìn)行將刀具半徑補(bǔ)償環(huán)節(jié)在ＰＣ機(jī)上進(jìn)行一則可以充利用ＰＣ機(jī)資源一則可以充利用ＰＣ機(jī)資源又可以為運(yùn)動(dòng)控制器又可以為運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)時(shí)插補(bǔ)、

10、運(yùn)動(dòng)控制爭(zhēng)取更多的ＤＳＰＣＰＵ資源。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)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)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)和終點(diǎn)如直線的起點(diǎn)和終點(diǎn)圓弧的起點(diǎn)、終點(diǎn)和圓弧的起點(diǎn)、終點(diǎn)和圓心圓心進(jìn)給速度進(jìn)給速度刀具參數(shù)等刀具參數(shù)等)在輪廓起點(diǎn)和終點(diǎn)之間在輪廓起點(diǎn)和終點(diǎn)之間計(jì)瑣若干中間點(diǎn)的坐標(biāo)值計(jì)瑣若干中間點(diǎn)的坐標(biāo)值(密值密值)從而將從而將工件輪廓描述出來。本系統(tǒng)

11、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)工件輪廓描述出來。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。即先通過速度計(jì)算法。這種方法是每隔時(shí)間ｔｍｓ進(jìn)行一次插補(bǔ)運(yùn)算。即先通過速度計(jì)算按進(jìn)給速度Ｆ按進(jìn)給速度Ｆ(ｍｍｍｉｎｍｉｎ)計(jì)算出ｔｍｓ內(nèi)的合成進(jìn)給量ｆ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)算然后進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算根據(jù)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡與各坐標(biāo)根據(jù)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡與各坐標(biāo)軸的

12、幾何關(guān)系軸的幾何關(guān)系求出各軸在一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的插補(bǔ)進(jìn)給量求出各軸在一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的插補(bǔ)進(jìn)給量按時(shí)間間隔以增量形式給各軸送出按時(shí)間間隔以增量形式給各軸送出一個(gè)個(gè)插補(bǔ)增量一個(gè)個(gè)插補(bǔ)增量通過驅(qū)動(dòng)部分使機(jī)床完成預(yù)定軌跡的加工通過驅(qū)動(dòng)部分使機(jī)床完成預(yù)定軌跡的加工邊計(jì)算邊計(jì)算邊加工邊加工直至加工終點(diǎn)。直至加工終點(diǎn)。合成進(jìn)給量ｆ為合成進(jìn)給量ｆ為:ｆ=ＦＦ1000ｔｔ601000=Ｆ60ｔｕｍｔｕｍｔｍｓｔｍｓ對(duì)于直線插補(bǔ)來講對(duì)于直線插補(bǔ)來講插補(bǔ)所形成