DSP在超精密數控系統中的應用
2018-7-11 來源：-- 作者：--
超精密加工最大的特點是綜合應用機械發展的新成就，以及現代電子、測量、計算機等新技末是機電一體化的結晶，目前已成為機械制造發展的重要方向之一。超精密加工的發展依賴于超精密機床，因而超精密機床的關鍵部分一超精密伺服控制和超精密測量系統以及加工測量一體化被受到廣泛的重視和發展。近年來，微電子技術和計算機技術的發展已成為促進伺服控制技術向高性能發展的技術基礎。
隨著大規模集成電路技術的發展，DSP芯片得到了飛速的發展，在信號處理、通信、雷達、遙感、語音和圖象處理、電子測量、自動控制等許多領域得到廣泛的應用。
在超精密機床伺服控制方面，為使機床工作臺達到亞微米級的線性運動精度，現代控制技術的引入顯得極為必要。
精細化的控制單位、以微小程序段實現連續進給，已成為超精密數控加工的顯著特點，超精數控加工的插補周期已經達到毫秒級。大數據量、高精度的插補運算和控制，要求計算機系統能高速度地對加工指令作出反應，高速處理并計算出伺服電機的移動量，隨后發出控制指令。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，非常適合于大數據量的高速數據采集系統和實時控制系統。將DSP應用于高性能的超精密數控系統的開發不失為一種好的策略。事實上，DSP微處理器在超精密伺服控制系統、刀具檢測補償和快速伺服裝置、機床保護等方面都有著成功的應用。的設計和研制，并獲得了成功。其核心是ADSP2181芯片，插補周期達到5ms控制周期為0.5ms，編程分辨率為2nm，已具備了實際工況應用的基本條件。
2、數字信號處理器的典型性能
數字信號處理器器件的主要應用是實時快速地實現各種數字信號處理算法。作為典型的DSP器件，ADSP2181的功能結構如示。具有如下的典型性能：壓電陶瓷伺服裝置金剛石刀具誤差補償表在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法；程序和數據空間分開，可以同時訪問指令和數據；片內具有快速RAM，通常可通過獨立的數據總線在兩塊中同時訪問；快速的中斷處理和硬件I/O支持，可以并行執行多個操作；支持流水線操作，使取指、譯碼和執行等操作可以重疊執行。
ADSP2181芯片的MAC（―次乘法和一次加法）時間已經達到33ns芯片的引腳數量則已達到200個以上，引腳數量的增加，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芯片的發展，使DSP系統的成本、體積、重量和功耗都有很大程度的下降。
―般都具有良好、高效的開發工具和匯編語言支持。ADSP2100系列的各個提供編譯和連接的工具，用以生成可執行文件，可執行文件可以寫入DSP程序存儲區。DSP同時擁有仿真軟件，可以對程序運行、中斷、定時等進行仿真，從而具有極大的方便性，非常適合數控開發的需要。
3、DSP在超精密數控系統中的應用
數控系統可以分為單處理器和多處理器兩種類型。單處理器系統以單個CPU作為控制核心，所有功能都由一個CPU分時執行，其軟件編程十分復雜，機床的進給速度也受到影響。多處理器系統的典型是主從處理器結構，主CPU完成前臺控制，即人機界面管理、信息顯示和預處理等工作；從CPU完成后臺控制即插補運算、伺服控制及反饋處理等工作，負責頻繁的數據運算和I/O操作。
超精密數控系統的插補周期極短、插補間隔小、其控制和插補運算相當頻繁，從而要求數控系統在極短的時間內對各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。單處理器數控系統很難達到如此快的數據處理速度，從而使多處理器系統的采用成為必然。DSP器件由于其強大的數據運算能力和極高的運算速度，對超精密數控系統的開發來說是一種極佳的選擇，并為超精密數控系統中先進控制算法的采用提供了可能。
事實上，DSP器件在超精密數控加工的伺服控制、刀具監控補償及快速伺服、先進控制算法采用、機床保護系統等方面都有著廣泛而有效的應用。
3.1基于DSP的伺服控制系統
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制與輪廓加工控制，同時提供機床及刀具的熱效應和幾何誤差補償與控制。如Faunc15-BCNC系統采用具有33MHz主頻雙精度64字長的MC68EC030雙CPU微處理器實現了具有1nm的高速CNC控制系統，在高精度輪廓加工控制方面，實現自動進給率控制以保證加工的軌跡在指定軌跡的允許誤差范圍之內。期，ADSP2181完成的基本工作流程內容為：讀取指令位置、計算并形成新軌跡、查詢并處理外部事件、對執行機構運動進行控制。
采用主從式多處理器的超精CNC結構ADSP2181具有16位字長，可在33ns內完成任何一條指令。由于具有極高的運算速度，該系統的插補周期和采樣控制周期分別達到2ms和0.5ms，大大提高了系統的敏捷性和實時性。與之相應，實驗加工中的控制精度達到了0.m，與常規的主機控制、插補控制周期一體化的加工精度相比，綜合精度指標極大提高。
3.2采用DSP改進控制算法
高速度高性能的微處理器，尤其是數字信號處理器（DSP）的應用，使許多先進控制策略和方法，如自適應控制、學習控制、摩擦控制等等，得以應用于高精度伺服控制系統，大大提高了的控制精度和快速性。
A.Abler提出了“直接阻尼控制（DDC）算法，并以TMS320C30實現。該算法在使機床定位與跟蹤控制精度達到亞微米級的同時，有效地減小了超精密機床的動態振動噪聲對機床定位精度的影響。
H.Yonezawaetal采用TMS320C30實現了PID+摩擦補償控制算法，使超精密工作臺高速定位精度達到0. YH-I型超精密數控系統基于ADSP2181強大的數據處理能力，實現了FuzzrPid復合控制。伺服控制系統的采樣率達到2KHz.在實際運行中，該系統將每個插補周期分為10個控制周期進行伺服控制，從而對插補過程構成更為有效的控制，使曲線插補更加準確。結果表明：該方法大大提高了系統對曲線跟蹤的準確性和快速性。與常規主處理器直接做PID伺服控制方法相比，伺服系統的正弦擾動減小了約60%，控制精度則有70%的提高。
3.3DSP在刀具監控和伺服方面的應用為了對刀具進給運動中的系統誤差進行補償，YH~I超精密數控系統采用自研的壓電陶瓷，以ADSP2181微處理器構成伺服結構，實現了開環的伺服控制，其原理結構為：原理結構圖由于ADSP2181的快速運算能力，可以對每個插補控制周期的補償數據進行迅速而準確的運算。該刀具伺服機構使刀具的定位精度達到了微米級，并具有良好、快速的動態新型數控機床主軸交流電機變頻調速數控系統賀平、賀剛2夏秀紅3（1.湘潭大學計算機科學系，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）器輸出交流電正弦波失真所造成的轉矩脈動和電機損耗。
機械工業生產中，為了加工出某些形狀復雜、精度要求很高的機械零件。大家千方百計進行科技攻關，努力改進加工工藝和加工設備。特別是在提高數探機床的加工精度上，下了很大的功夫，得到較好的效果。要想進一步提高加工精度，對在機床數控系統中如何實現誤差避免和誤差補償的最佳效果，仍是眾目所矚的重要途徑。本文介紹的數控機床主軸轉速閉環控制數控系統，采用了一種正弦波脈寬調制變頻器，可以很大程度的減少數控機床主軸的轉矩脈動和電機熱損耗，從而提高了數控機床的加工精度。
機床數控系統的結構及主軸轉速控制作為數控機床控制中樞的本機床數控系統，由工業微機IPC，進給控制，輔助控制和主軸轉速控制四個基本部分組Dornfeld等建立了一個基于神經網絡的實時系統，對刀具磨損進行監控和動態補償，為了提高系統的實時響應，該系統采用高速數字信號處理器DSP完成數據的處理運算該系統監視刀具磨損的正確率對切削條件變化不敏感，在切削條件較大的變化范圍內，正確判別率可達95%，動態補償效果良好。
4、結語
DSP由于其強大的運算能力、良好的I/O操作功能、極高的處理速度在超精密數控系統中獲得了成功的應用。
基于DSP的PC平臺上的超精密CNC系統可以使用戶以很少的費用不斷進行軟、硬件升級，在一定時間內跟上數控技術發展的步伐，而不象封閉型系統很快就會落后乃至淘汰。DSP的應用，為超精密數控的伺服控制系統提供了良好的發展前景。從長遠觀點看，要達到高速、精確、容易改進的跟蹤伺服控制，用DSP微處理器進行超精密CNC系統的開發是最佳的選擇。
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