基于dsp技術的多軸運動控制器的應用研究

1、基于ＤＳＰ技術的多軸運動控制器的應用研究基于ＤＳＰ技術的多軸運動控制器的應用研究摘要摘要:本文介紹了利用基于ＤＳＰ技術的多軸運動控制器作為下位機本文介紹了利用基于ＤＳＰ技術的多軸運動控制器作為下位機ＰＣ機作為上位機所構成的ＰＣ機作為上位機所構成的主從式數控立式銑床控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了ＰＣ機技術和ＤＳＰ技術資源主從式數控立式銑床控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了ＰＣ機技術和ＤＳＰ技術資源具有高精具有高精度、高速度、高性價比的特性。度、高速度

2、、高性價比的特性。1引言引言ＷＴＯＷＴＯ———中國人企盼十多年的夢想終于實現了中國人企盼十多年的夢想終于實現了這無疑對我國原本相對落后的機械這無疑對我國原本相對落后的機械制造業(yè)帶來了難得的機遇和巨大的挑戰(zhàn)。作為機械制造業(yè)重中之重的數控機床自然首當其制造業(yè)帶來了難得的機遇和巨大的挑戰(zhàn)。作為機械制造業(yè)重中之重的數控機床自然首當其沖未來幾年內我們國家能不能盡快與國際接軌未來幾年內我們國家能不能盡快與國際接軌開發(fā)出具有自主知識產權的高精密數控機

3、開發(fā)出具有自主知識產權的高精密數控機床在中高端數控機床方面占有一席之地顯得十分重要。在中高端數控機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)劃中也指出整個機床行整個機床行業(yè)要以提高國產數控機床市場占有率為目標。業(yè)要以提高國產數控機床市場占有率為目標。數控系統(tǒng)是一種典型的多軸實時運動控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的機床數控系統(tǒng)采用的是專用的數控系統(tǒng)是一種典型的多軸實時運動控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的機床數控系統(tǒng)采用的是專用的計算機加多單片機計算機

4、加多單片機多控制回路的封閉式并行結構。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構。此類控制器在高速、高精度和多軸同步運動控制等方面存在著難以逾越的技術瓶頸。為此我們采用了深圳摩信科技有限公司基于運動控制等方面存在著難以逾越的技術瓶頸。為此我們采用了深圳摩信科技有限公司基于ＤＳＰ技術的多軸運動控制器ＭＣＴＤＳＰ技術的多軸運動控制器ＭＣＴ8000Ｆ4(插在ＰＣ機ＩＳＡ插槽中插在ＰＣ機ＩＳＡ插槽中)配以ＰＣ機組成了配以ＰＣ機

5、組成了主從式數控系統(tǒng)主從式數控系統(tǒng)以實現立式數控銑床的功能。該控制器可提供以實現立式數控銑床的功能。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(步進步進)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ＤＳＰＴＭＳ位浮點ＤＳＰＴＭＳ320Ｃ31(40ＭＨｚＭＨｚ)。系統(tǒng)的多軸控制指令集合可以在一個中斷周期系統(tǒng)的多軸控制指令集合可以在一個中斷周期(高達高達10μＳμＳ)內完成內完成從而克服了傳統(tǒng)的并行

6、從而克服了傳統(tǒng)的并行結構在本質上的同步控制瓶頸。結構在本質上的同步控制瓶頸。2系統(tǒng)構成系統(tǒng)構成圖1為該方案的系統(tǒng)硬件構成圖。為該方案的系統(tǒng)硬件構成圖。利用ＤＳＰ控制器的其中三個步進控制通道控制Ｘ、Ｙ、Ｚ軸利用ＤＳＰ控制器的其中三個步進控制通道控制Ｘ、Ｙ、Ｚ軸(刀具上下位移刀具上下位移)三個步三個步進電機進電機Ｘ、Ｙ軸實現兩聯動Ｘ、Ｙ軸實現兩聯動通過滾珠絲桿驅動加工平臺。所有步進電機都配以光電旋轉編通過滾珠絲桿驅動加工平臺。所有步進電機都

7、配以光電旋轉編碼器以構成碼器以構成(半)閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)實現位置和速度控制實現位置和速度控制并且在步進電機驅動器內實現細分控制并且在步進電機驅動器內實現細分控制在Ｄ在Ｄ4關鍵技術及其相關理論關鍵技術及其相關理論4.1刀具半徑補償刀具半徑補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并且在粗加工和半精加工時還要預留一定的還要預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償才是刀待加工工件輪廓還要加上刀具半徑補償才是刀具中心的正確運動軌跡。為此本系統(tǒng)采用了Ｃ機能刀具半徑補償的方法具中心的正確運動軌跡。為此本系統(tǒng)采用了Ｃ機能刀具半徑補償的方法刀具補償的工作包刀具補償的工作包括了程序段之間的自動轉接和切削判別。圖括了程序段之間的自動轉接和切削判別。圖3是直線接直線時刀具半徑矢量、轉接交點矢是直線接直線時刀具半徑矢量、轉接交點矢量計算的軟件實現流程圖量計

9、算的軟件實現流程圖該應用程序在Ｍａｔｌａｂ開發(fā)環(huán)境下實現該應用程序在Ｍａｔｌａｂ開發(fā)環(huán)境下實現然后集成到人機控制然后集成到人機控制界面中去。對于直線接圓弧、圓弧接圓弧的情況稍作修正即可利用這一流程圖來實現。界面中去。對于直線接圓弧、圓弧接圓弧的情況稍作修正即可利用這一流程圖來實現。將刀具半徑補償環(huán)節(jié)在ＰＣ機上進行將刀具半徑補償環(huán)節(jié)在ＰＣ機上進行一則可以充利用ＰＣ機資源一則可以充利用ＰＣ機資源又可以為運動控制器又可以為運動控制器實時插補、

10、運動控制爭取更多的ＤＳＰＣＰＵ資源。實時插補、運動控制爭取更多的ＤＳＰＣＰＵ資源。4.2直線及圓弧插補直線及圓弧插補插補運算是數控系統(tǒng)根據輸入的基本數據插補運算是數控系統(tǒng)根據輸入的基本數據(如直線的起點和終點如直線的起點和終點圓弧的起點、終點和圓弧的起點、終點和圓心圓心進給速度進給速度刀具參數等刀具參數等)在輪廓起點和終點之間在輪廓起點和終點之間計瑣若干中間點的坐標值計瑣若干中間點的坐標值(密值密值)從而將從而將工件輪廓描述出來。本系統(tǒng)

11、的插補運算采用了閉環(huán)控制的數控機床中常用的時間分割插補工件輪廓描述出來。本系統(tǒng)的插補運算采用了閉環(huán)控制的數控機床中常用的時間分割插補法。這種方法是每隔時間ｔｍｓ進行一次插補運算。即先通過速度計算法。這種方法是每隔時間ｔｍｓ進行一次插補運算。即先通過速度計算按進給速度Ｆ按進給速度Ｆ(ｍｍｍｉｎｍｉｎ)計算出ｔｍｓ內的合成進給量ｆ計算出ｔｍｓ內的合成進給量ｆ然后進行插補運算然后進行插補運算根據刀具運動軌跡與各坐標根據刀具運動軌跡與各坐標軸的

12、幾何關系軸的幾何關系求出各軸在一個插補周期內的插補進給量求出各軸在一個插補周期內的插補進給量按時間間隔以增量形式給各軸送出按時間間隔以增量形式給各軸送出一個個插補增量一個個插補增量通過驅動部分使機床完成預定軌跡的加工通過驅動部分使機床完成預定軌跡的加工邊計算邊計算邊加工邊加工直至加工終點。直至加工終點。合成進給量ｆ為合成進給量ｆ為:ｆ=ＦＦ1000ｔｔ601000=Ｆ60ｔｕｍｔｕｍｔｍｓｔｍｓ對于直線插補來講對于直線插補來講插補所形成