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DSP在超精密數控係統中的應用

2018-7-11 來源：-- 作（zuò）者：--

　　超精密加（jiā）工最大的特點是綜合應用機械發展的新成（chéng）就，以及現代電子（zǐ）、測量、計算機等新技末是機電一（yī）體化的結晶，目前已成為機械製（zhì）造發展的重要方向之一。超（chāo）精密加工的發展依賴於（yú）超精密機床，因而超精密機床的關鍵（jiàn）部分一超精密伺服控製和超精密測量係統以及加工測量一體化被受到廣泛的重視和發展。近年來（lái），微電子技術和計算機技術的發展已成為促進伺服控（kòng）製技術向高性能（néng）發展的技術基礎。

　　隨著大規模集成電路技術的發展，DSP芯片（piàn）得到（dào）了飛速的（de）發展，在信號處（chù）理、通信、雷達、遙感、語音和圖象處理、電子測量、自（zì）動控製等許多領域得到廣泛的（de）應用。

　　在超精密機（jī）床伺服控製方麵（miàn），為使機床工作台達到亞微米級的線性（xìng）運動（dòng）精度（dù），現代控製技術的引入（rù）顯得（dé）極為必要。

　　精細化的控製單位、以微小程序段實現連續進給，已（yǐ）成為超精（jīng）密數控加工的顯著特點，超精數控加工的插補周期已經達（dá）到毫秒級。大數據量、高精度（dù）的插補運算和控製，要求計算機（jī）係統能高（gāo）速度（dù）地（dì）對（duì）加工指令作出反應，高速處理並計算出伺服電（diàn）機的移（yí）動量，隨後發出控製指令。DSP的數據吞吐能力高達數十MIPS，同時其指令周期短至幾十納秒，非常適合於大數據量的高速數據采集係統和實時控製係統。將DSP應用於高性能的（de）超精密數控係統的開發不失為一種好的策略。事實上，DSP微處理器在超（chāo）精密伺服控製係統、刀（dāo）具檢測補償和快速伺服裝置、機床保護等方麵都有著成功的應（yīng）用。的設計（jì）和研（yán）製，並獲得了（le）成（chéng）功。其核心是ADSP2181芯片，插補周期達到5ms控製周期為0.5ms，編程分辨率為2nm，已具（jù）備了實際工況應用的基本條件。

　　2、數字信號處理（lǐ）器的典型性能

數字信號處理器器件的主要應用是實時（shí）快速地實現各種數字信號處理算法。作為典型（xíng）的DSP器件，ADSP2181的功能結構如示。具有如下的典（diǎn）型性能：壓電（diàn）陶瓷伺服裝置金剛石刀具誤差補償表在（zài）一個（gè）指令（lìng）周（zhōu）期內可完成一次乘法和一次加法（fǎ）；程序和數據空間分開（kāi），可以同時訪問指（zhǐ）令和數據；片內具有快速RAM，通常可通過獨立的數（shù）據總線在兩塊中同時訪問；快速的（de）中斷處理和硬件I/O支持，可以並行執行多（duō）個操作；支持流水線操作，使取指、譯碼（mǎ）和執行等操作可以重疊執（zhí）行。

　　ADSP2181芯片的MAC（―次乘法和一次加（jiā）法）時（shí）間已經達到33ns芯（xīn）片的引腳數量則已達到200個以上，引腳（jiǎo）數（shù）量的增（zēng）加，意味著結構靈活性的增加，如外部存儲器擴展和處理器間的通信等。同時，DSP芯片的（de）發（fā）展，使DSP係統的成本、體積（jī）、重（chóng）量和功耗都有很大（dà）程（chéng）度的下降。

　　―般都具有良好、高效的開發工具和匯編語言支持。ADSP2100係列（liè）的各個提供編（biān）譯和連接（jiē）的工具，用（yòng）以生成可執行文件，可執行文件可以寫入DSP程（chéng）序存儲區。DSP同時擁有（yǒu）仿真軟件，可以對程序（xù）運行、中（zhōng）斷、定時等進行仿真，從而具有極大的方便性，非常（cháng）適合數控開發的需要。

　　3、DSP在超精密數控係統中的應用

數控係統可以分為（wéi）單處理器和多（duō）處（chù）理器兩種類型。單處理器係統（tǒng）以單個CPU作為控製核心，所有功能都（dōu）由一個CPU分時執行，其軟件編程十分複雜，機（jī）床的進給速度也受到（dào）影響。多處理器係統的典型是主從處理器結構（gòu），主CPU完成前台控製，即人機界（jiè）麵管理、信（xìn）息顯（xiǎn）示和預處理（lǐ）等工作；從CPU完成後台控製即插補運算、伺服（fú）控製及反饋處理等工（gōng）作，負（fù）責頻繁（fán）的數據運算和I/O操作（zuò）。

　　超（chāo）精密（mì）數控係統的插補周期極（jí）短、插補間隔小、其控製和插補運算相當頻繁，從（cóng）而要求數控係統在極短的時間內對各（gè）軸反饋的位置信號進行處理，目前插補周期已經達到毫秒級。單處理器數控係（xì）統很難達到如此快的數據處理速度（dù），從（cóng）而使（shǐ）多處（chù）理（lǐ）器係統的采用（yòng）成為必然。DSP器件由於其強大的數據（jù）運算能力和極高的運算速度，對超精密數控係統的開發來說是一種極佳的選（xuǎn）擇，並為超（chāo）精密數控係統中先進控製算（suàn）法的采用（yòng）提供了可能。

　　事實上，DSP器件在超精密數控加工的伺服控（kòng）製、刀具監控補償及快速伺服、先進控製算（suàn）法采用（yòng）、機床保護係統等方麵都有著廣泛而有效的應用。

　　3.1基（jī）於DSP的伺服控製係統

高速的DSP微處理器，可以實現超精機床的高精度位置伺服控製與輪廓加工控製（zhì），同時提供機床及刀具的熱效應和幾何誤差補（bǔ）償與控製。如Faunc15-BCNC係統采用具有33MHz主頻雙精度64字（zì）長的MC68EC030雙CPU微處理器實現（xiàn）了具有1nm的高速（sù）CNC控製係統，在高精度輪廓加工控製方麵，實現（xiàn）自動進給率控製以保證加工的軌跡在指定軌（guǐ）跡的允許誤差範（fàn）圍之內。期，ADSP2181完成的（de）基本工作流程內（nèi）容為：讀取指令（lìng）位置、計算並形成新軌跡、查詢並（bìng）處理外部事件（jiàn）、對執行機構運動進行控製。

　　采用主從（cóng）式多處理器的超精CNC結構ADSP2181具有16位字長，可在33ns內完成任何一條指令。由於具有極高的運算速度，該係（xì）統的插補周期和采樣控（kòng）製（zhì）周期（qī）分（fèn）別達到2ms和0.5ms，大大提高（gāo）了係統的敏捷性和實時性。與之相應，實驗加工中的控製精度達到了0.m，與常規的主機控製、插補控製（zhì）周期一體化（huà）的加工精度相比，綜（zōng）合精度指標極大提高。

　　3.2采用（yòng）DSP改進（jìn）控製算法

高速（sù）度高（gāo）性能的微處理器，尤其是數（shù）字（zì）信號（hào）處理器（DSP）的應（yīng）用，使許多先進（jìn）控製策略和方法，如自適應控（kòng）製、學習控製、摩擦控製等等，得以應用於高精度伺服控製係統，大大提高了的控製精度和快速性。

　　A.Abler提出了“直接（jiē）阻尼控製（DDC）算法，並以（yǐ）TMS320C30實現。該算（suàn）法在使機床定位與跟（gēn）蹤控製精度達到亞微米級的同時，有效地減小了超精（jīng）密機床的動態振動噪（zào）聲對機床定位精度的影（yǐng）響。

　　H.Yonezawaetal采用（yòng）TMS320C30實現了PID+摩擦補償控製算法，使超精密工作（zuò）台高速（sù）定位精（jīng）度達到0. YH-I型超精密數控係統基於（yú）ADSP2181強大的數據處理能力，實現了FuzzrPid複合控製。伺服（fú）控製係統的采（cǎi）樣率達到2KHz.在實際運行中，該係統將每個插補周期（qī）分為10個控製周期進（jìn）行伺（sì）服控製，從而對插補過程構成更為有效的控製，使曲線插補（bǔ）更加準確。結果表（biǎo）明：該方法大大提高了係統對曲線跟蹤的準確性和快速性。與常規主處理器直接（jiē）做PID伺服控製方法相比，伺服係統的正弦（xián）擾（rǎo）動減小了約60%，控製精度則有70%的（de）提（tí）高。

　　3.3DSP在刀具監控和伺服（fú）方（fāng）麵的應用為了對刀具進給運動中（zhōng）的係統誤差進行補償，YH~I超精（jīng）密數（shù）控係統采（cǎi）用自研的壓電（diàn）陶瓷，以ADSP2181微處理（lǐ）器構（gòu）成（chéng）伺服結構，實現了開環的伺服控製，其原理結構為（wéi）：原理結構（gòu）圖由於ADSP2181的快速運算能力，可以對每個插補控製周期的補償數據進行迅速而準確的（de）運（yùn）算。該刀具伺服機構使（shǐ）刀具的定位精度達到了微米級，並具（jù）有（yǒu）良好、快速的動（dòng）態新型數控機床主軸交流電機變頻調速數控係統賀平、賀剛2夏秀紅（hóng）3（1.湘（xiāng）潭大學計算機科（kē）學係（xì），湖南湘潭411105 2.益陽橡膠機械廠技術處，湖南益陽4130003.湘潭大學實習工廠，湖南湘潭41105）器（qì）輸出交流電正弦波失真所（suǒ）造成的轉矩脈動和電機損耗。

　　機（jī）械工業生產中（zhōng），為了加工出某（mǒu）些形狀複雜、精度（dù）要求很高的機（jī）械零（líng）件。大家千方（fāng）百計進行科技攻關，努（nǔ）力（lì）改進加（jiā）工工藝（yì）和加（jiā）工設備。特別是在提高（gāo）數探機床的加工精度上，下（xià）了很大的功夫，得到較好的效果。要想進一步提（tí）高加工精度，對在（zài）機床（chuáng）數控係統中（zhōng）如何實現誤（wù）差避免和誤差補償的最佳效果，仍是眾目所矚（zhǔ）的重要（yào）途徑。本文介紹的數控機床主軸轉速閉環控製數控係統，采用（yòng）了一種正弦波脈寬調製變頻器（qì），可以很大程度的減少數控機床主軸的轉（zhuǎn）矩脈動和電機熱損耗，從而提高了數控機床的加工精度。

　　機床數控係統的結構及主軸轉速控製作為數控機床控製中樞的本機床數控係統，由工業（yè）微機IPC，進給控製（zhì），輔助控製和主軸轉速控（kòng）製四個基本部分組Dornfeld等建立了一個（gè）基（jī）於神經網絡的實時係統，對（duì）刀具磨損進行監（jiān）控和動態（tài）補償，為了提高係統的實時響應（yīng），該係統采用高速數字信號處理器DSP完成數據（jù）的處理運算該係統（tǒng）監視刀（dāo）具磨損的正確率對切削條件變化不（bú）敏感，在切削條件較（jiào）大的變化範圍內，正確判別率可達95%，動態補（bǔ）償效果良好（hǎo）。

　　4、結語

DSP由於其強大的運算能力、良好的I/O操作功能、極高的處理速度在超精密（mì）數（shù）控係統中獲得了成（chéng）功的應用。

　　基於DSP的PC平台上的超精密CNC係（xì）統可以使用（yòng）戶以很少的費用不斷進行軟、硬件升級，在一定時間（jiān）內跟上數控技術發展的步伐，而不象封閉型係統很（hěn）快就會落後乃至淘汰。DSP的（de）應用，為超精密數控的伺服控製係統提供了良好的發（fā）展前景。從長遠觀點看，要達到高速、精確、容易改進的跟蹤（zōng）伺服控製，用DSP微處理器（qì）進行超精密（mì）CNC係統（tǒng）的開發是最佳的選擇。

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