DSP在超精密数控系统中的应用
2018-7-11 来源：-- 作者：--
超精密加工最大的特点是综合应用机械发展的新成就，以及现代电子、测量、计算机等新技末是机电一体化的结晶，目前已成为机械制造发展的重要方向之一。超精密加工的发展依赖于超精密机床，因而超精密机床的关键部分一超精密伺服控制和超精密测量系统以及加工测量一体化被受到广泛的重视和发展。近年来，微电子技术和计算机技术的发展已成为促进伺服控制技术向高性能发展的技术基础。
随着大规模集成电路技术的发展，DSP芯片得到了飞速的发展，在信号处理、通信、雷达、遥感、语音和图象处理、电子测量、自动控制等许多领域得到广泛的应用。
在超精密机床伺服控制方面，为使机床工作台达到亚微米级的线性运动精度，现代控制技术的引入显得极为必要。
精细化的控制单位、以微小程序段实现连续进给，已成为超精密数控加工的显著特点，超精数控加工的插补周期已经达到毫秒级。大数据量、高精度的插补运算和控制，要求计算机系统能高速度地对加工指令作出反应，高速处理并计算出伺服电机的移动量，随后发出控制指令。DSP的数据吞吐能力高达数十MIPS，同时其指令周期短至几十纳秒，非常适合于大数据量的高速数据采集系统和实时控制系统。将DSP应用于高性能的超精密数控系统的开发不失为一种好的策略。事实上，DSP微处理器在超精密伺服控制系统、刀具检测补偿和快速伺服装置、机床保护等方面都有着成功的应用。的设计和研制，并获得了成功。其核心是ADSP2181芯片，插补周期达到5ms控制周期为0.5ms，编程分辨率为2nm，已具备了实际工况应用的基本条件。
2、数字信号处理器的典型性能
数字信号处理器器件的主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。作为典型的DSP器件，ADSP2181的功能结构如示。具有如下的典型性能：压电陶瓷伺服装置金刚石刀具误差补偿表在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；快速的中断处理和硬件I/O支持，可以并行执行多个操作；支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
ADSP2181芯片的MAC（―次乘法和一次加法）时间已经达到33ns芯片的引脚数量则已达到200个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加，如外部存储器扩展和处理器间的通信等。同时，DSP芯片的发展，使DSP系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。
―般都具有良好、高效的开发工具和汇编语言支持。ADSP2100系列的各个提供编译和连接的工具，用以生成可执行文件，可执行文件可以写入DSP程序存储区。DSP同时拥有仿真软件，可以对程序运行、中断、定时等进行仿真，从而具有极大的方便性，非常适合数控开发的需要。
3、DSP在超精密数控系统中的应用
数控系统可以分为单处理器和多处理器两种类型。单处理器系统以单个CPU作为控制核心，所有功能都由一个CPU分时执行，其软件编程十分复杂，机床的进给速度也受到影响。多处理器系统的典型是主从处理器结构，主CPU完成前台控制，即人机界面管理、信息显示和预处理等工作；从CPU完成后台控制即插补运算、伺服控制及反馈处理等工作，负责频繁的数据运算和I/O操作。
超精密数控系统的插补周期极短、插补间隔小、其控制和插补运算相当频繁，从而要求数控系统在极短的时间内对各轴反馈的位置信号进行处理，目前插补周期已经达到毫秒级。单处理器数控系统很难达到如此快的数据处理速度，从而使多处理器系统的采用成为必然。DSP器件由于其强大的数据运算能力和极高的运算速度，对超精密数控系统的开发来说是一种极佳的选择，并为超精密数控系统中先进控制算法的采用提供了可能。
事实上，DSP器件在超精密数控加工的伺服控制、刀具监控补偿及快速伺服、先进控制算法采用、机床保护系统等方面都有着广泛而有效的应用。
3.1基于DSP的伺服控制系统
高速的DSP微处理器，可以实现超精机床的高精度位置伺服控制与轮廓加工控制，同时提供机床及刀具的热效应和几何误差补偿与控制。如Faunc15-BCNC系统采用具有33MHz主频双精度64字长的MC68EC030双CPU微处理器实现了具有1nm的高速CNC控制系统，在高精度轮廓加工控制方面，实现自动进给率控制以保证加工的轨迹在指定轨迹的允许误差范围之内。期，ADSP2181完成的基本工作流程内容为：读取指令位置、计算并形成新轨迹、查询并处理外部事件、对执行机构运动进行控制。
采用主从式多处理器的超精CNC结构ADSP2181具有16位字长，可在33ns内完成任何一条指令。由于具有极高的运算速度，该系统的插补周期和采样控制周期分别达到2ms和0.5ms，大大提高了系统的敏捷性和实时性。与之相应，实验加工中的控制精度达到了0.m，与常规的主机控制、插补控制周期一体化的加工精度相比，综合精度指标极大提高。
3.2采用DSP改进控制算法
高速度高性能的微处理器，尤其是数字信号处理器（DSP）的应用，使许多先进控制策略和方法，如自适应控制、学习控制、摩擦控制等等，得以应用于高精度伺服控制系统，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实现。该算法在使机床定位与跟踪控制精度达到亚微米级的同时，有效地减小了超精密机床的动态振动噪声对机床定位精度的影响。
H.Yonezawaetal采用TMS320C30实现了PID+摩擦补偿控制算法，使超精密工作台高速定位精度达到0. YH-I型超精密数控系统基于ADSP2181强大的数据处理能力，实现了FuzzrPid复合控制。伺服控制系统的采样率达到2KHz.在实际运行中，该系统将每个插补周期分为10个控制周期进行伺服控制，从而对插补过程构成更为有效的控制，使曲线插补更加准确。结果表明：该方法大大提高了系统对曲线跟踪的准确性和快速性。与常规主处理器直接做PID伺服控制方法相比，伺服系统的正弦扰动减小了约60%，控制精度则有70%的提高。
3.3DSP在刀具监控和伺服方面的应用为了对刀具进给运动中的系统误差进行补偿，YH~I超精密数控系统采用自研的压电陶瓷，以ADSP2181微处理器构成伺服结构，实现了开环的伺服控制，其原理结构为：原理结构图由于ADSP2181的快速运算能力，可以对每个插补控制周期的补偿数据进行迅速而准确的运算。该刀具伺服机构使刀具的定位精度达到了微米级，并具有良好、快速的动态新型数控机床主轴交流电机变频调速数控系统贺平、贺刚2夏秀红3（1.湘潭大学计算机科学系，湖南湘潭411105 2.益阳橡胶机械厂技术处，湖南益阳4130003.湘潭大学实习工厂，湖南湘潭41105）器输出交流电正弦波失真所造成的转矩脉动和电机损耗。
机械工业生产中，为了加工出某些形状复杂、精度要求很高的机械零件。大家千方百计进行科技攻关，努力改进加工工艺和加工设备。特别是在提高数探机床的加工精度上，下了很大的功夫，得到较好的效果。要想进一步提高加工精度，对在机床数控系统中如何实现误差避免和误差补偿的最佳效果，仍是众目所瞩的重要途径。本文介绍的数控机床主轴转速闭环控制数控系统，采用了一种正弦波脉宽调制变频器，可以很大程度的减少数控机床主轴的转矩脉动和电机热损耗，从而提高了数控机床的加工精度。
机床数控系统的结构及主轴转速控制作为数控机床控制中枢的本机床数控系统，由工业微机IPC，进给控制，辅助控制和主轴转速控制四个基本部分组Dornfeld等建立了一个基于神经网络的实时系统，对刀具磨损进行监控和动态补偿，为了提高系统的实时响应，该系统采用高速数字信号处理器DSP完成数据的处理运算该系统监视刀具磨损的正确率对切削条件变化不敏感，在切削条件较大的变化范围内，正确判别率可达95%，动态补偿效果良好。
4、结语
DSP由于其强大的运算能力、良好的I/O操作功能、极高的处理速度在超精密数控系统中获得了成功的应用。
基于DSP的PC平台上的超精密CNC系统可以使用户以很少的费用不断进行软、硬件升级，在一定时间内跟上数控技术发展的步伐，而不象封闭型系统很快就会落后乃至淘汰。DSP的应用，为超精密数控的伺服控制系统提供了良好的发展前景。从长远观点看，要达到高速、精确、容易改进的跟踪伺服控制，用DSP微处理器进行超精密CNC系统的开发是最佳的选择。
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