1 引言

　　數(shù)控技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)(如柔性制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))的基礎(chǔ)，國(guó)家投入了大量的人力、財(cái)力進(jìn)行攻關(guān)開(kāi)發(fā)，其關(guān)鍵技術(shù)已取得了重大進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，攻克了交流全數(shù)字伺服和主軸驅(qū)動(dòng)技術(shù)，“九五”期間實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)目標(biāo)，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)到50%，國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)占國(guó)有數(shù)控機(jī)床配套需求的50%，產(chǎn)值數(shù)控化率已達(dá)到20%以上。

　　從近幾次機(jī)床展覽會(huì)上可以看出，針對(duì)快速發(fā)展中的中國(guó)市場(chǎng)，國(guó)外眾多數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商如法那克、西門(mén)子、日本安川、三菱等公司相繼推出中低檔數(shù)控系統(tǒng)。目前，占據(jù)國(guó)內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)主要份額的仍然是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)大多采用MCS-51系列單片機(jī)或與MCS-51系列兼容的單片機(jī)，時(shí)鐘頻率為12~40MHz，單周期指令執(zhí)行時(shí)間為250ns~1s，限制了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床性能的提高，特別是多軸高速聯(lián)動(dòng)、螺紋高速切削和高分辨率控制等功能受到限制。

　　為使機(jī)床工作臺(tái)達(dá)到亞微米級(jí)的線性運(yùn)動(dòng)精度，現(xiàn)代控制技術(shù)的引入對(duì)處理器有了更高的要求。精細(xì)化的控制單位、以微小程序段連續(xù)進(jìn)給以及大數(shù)據(jù)量、高精度的補(bǔ)差運(yùn)算和控制，也要求處理器能對(duì)加工指令做出高速度的反映，高速計(jì)算出伺服電機(jī)的移動(dòng)量，隨后發(fā)出控制指令。用高性能的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)代替單片機(jī)，即可提高機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行速度，使之滿(mǎn)足高速和高精度控制的要求。

　　2 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　1. DSP數(shù)字信號(hào)處理器

　　DSP數(shù)字信號(hào)處理器時(shí)鐘頻率高、處理速度快，是單片機(jī)的理想替代品。TI公司DSP數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F240內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括兩個(gè)獨(dú)立的采樣, 保持電路和兩個(gè)10位雙積分型的轉(zhuǎn)換器，16路模擬輸入通道，可同時(shí)轉(zhuǎn)換2路信號(hào)。DSP還增加了串, 并口的數(shù)量和速度，其處理一條指令的時(shí)間提高到幾十納秒，數(shù)據(jù)吞吐能力達(dá)到80MIPS以上，非常適用于大數(shù)據(jù)量的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，并能對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行FFT分析、小波分析等。因此DSP正被廣泛地應(yīng)用于通信、遙感、語(yǔ)言和圖象處理、電子測(cè)量、自動(dòng)控制和模式識(shí)別等領(lǐng)域。

　　DSP典型的應(yīng)用特點(diǎn)：

　　a. 當(dāng)前的DSP都采用了與通用微處理機(jī)不同的結(jié)構(gòu)(即哈佛結(jié)構(gòu))，實(shí)現(xiàn)了流水作業(yè)，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行，指令可以在單個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成，極大地提高了處理速度。

　　b. 快速運(yùn)算能力DSP芯片有一個(gè)專(zhuān)用的硬件乘法器，在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法，有利于提高復(fù)雜算法的運(yùn)行效率。

　　c. 新型的DSP大都設(shè)置了單獨(dú)的DMA總線及其控制器，在不影響或基本不影響DSP處理速度的情況下作并行的數(shù)據(jù)傳輸。這為DSP之間的串聯(lián)和并聯(lián)提供了方便，使得數(shù)控系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)主從式處理器結(jié)構(gòu)，即主機(jī)完成前臺(tái)控制（人機(jī)界面管理、信息顯示和預(yù)處理器等），從機(jī)完成后臺(tái)控制及插補(bǔ)運(yùn)算、伺服控制及反饋處理等頻繁的數(shù)據(jù)運(yùn)算和操作工作。

　　d. 為了方便用戶(hù)的設(shè)計(jì)與調(diào)試，許多DSP在片上設(shè)置了JTAG仿真接口和語(yǔ)言編譯器，可以對(duì)程序運(yùn)行、中斷、定時(shí)等進(jìn)行仿真，從而具有極大的方便性，非常適合數(shù)控開(kāi)發(fā)的需要。

　　因此，DSP在高性能數(shù)控系統(tǒng)中具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值，在精密伺服控制系統(tǒng)、刀具檢測(cè)補(bǔ)償和快速伺服裝置、機(jī)床保護(hù)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

　　2. 主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　數(shù)控系統(tǒng)控制車(chē)床的主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)，具體來(lái)說(shuō)就是控制鍵盤(pán)的輸入和輸出、刀架在X、Z方向的行程、數(shù)控刀架轉(zhuǎn)位、開(kāi)關(guān)關(guān)閉、查詢(xún)X和Z向步進(jìn)電機(jī)的相位、主軸正反轉(zhuǎn)等。

　　TMS320f240通過(guò)一定的插補(bǔ)算法將當(dāng)前的反饋位置信號(hào)與插補(bǔ)計(jì)算的理論位置相比較，通過(guò)環(huán)行分配，確定X、Z軸的進(jìn)給脈沖；進(jìn)給脈沖通過(guò)光電隔離、信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)X 、Z軸步進(jìn)電機(jī)完成相應(yīng)的加工運(yùn)動(dòng)；軟件同時(shí)完成升降速控制、刀架轉(zhuǎn)位控制以及螺紋加工程序。精密數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期極短，插補(bǔ)間隔小，其控制和插補(bǔ)運(yùn)算相當(dāng)頻繁，從而要求數(shù)控系統(tǒng)在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)各軸反饋的位置信號(hào)進(jìn)行處理（目前插補(bǔ)周期已達(dá)到毫秒級(jí)），從而使TMS320f240 處理器的采用成為必然。TMS320f240處理器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和極高的運(yùn)算速度，對(duì)精密數(shù)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一種的選擇，可以實(shí)現(xiàn)精密機(jī)床的高精度位置伺服控制和輪廓加工控制，同時(shí)提供機(jī)床及刀具的熱效應(yīng)和幾何誤差補(bǔ)償與控制。

　　通用的變頻器采用交—直—交的形式，先把工頻交流通過(guò)整流器轉(zhuǎn)變成直流，然后再變換成頻率、電壓均可控制的交流。DSP控制器由于內(nèi)嵌PWM電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及其它相關(guān)電路，可以實(shí)現(xiàn)交流異步電動(dòng)機(jī)的全數(shù)字化控制系統(tǒng)。TMS320f240處理器內(nèi)嵌了空間矢量狀態(tài)機(jī)，因此很容易的以空間矢量方法來(lái)通斷逆變橋的六個(gè)開(kāi)關(guān)器件，使得逆變橋輸出電壓滿(mǎn)足要求。由它構(gòu)成的主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)比其它PWM方法能提高電壓的利用率，減少諧波的影響。

　　3. 大容量DSP程序自加載

　　在系統(tǒng)上電或復(fù)位后，TMS320f240內(nèi)部的程序裝載器（Boot loader）將DSP程序從外部的慢速E²PROM中轉(zhuǎn)移到外部快速的SRAM中啟動(dòng)運(yùn)行。而本系統(tǒng)需要的程序存儲(chǔ)器空間超出32K×8位的限制，因此應(yīng)特別設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序的二次加載。在E²PROM中放置二次加載引導(dǎo)程序和DSP運(yùn)行程序，上電后，二次加載引導(dǎo)程序首先被內(nèi)部的Boot loader裝載ARAM中運(yùn)行，其任務(wù)是將DSP運(yùn)行程序從EPROM中搬運(yùn)到SPAM中，然后將系統(tǒng)控制權(quán)轉(zhuǎn)交給DSP運(yùn)行程序。這種方法突破了TE340f240系統(tǒng)自加載程序容量的限制，可以將較大的DSP程序裝載運(yùn)行。

　　DSP配備有64K×16的SRAM、64K×8的E²PROM和8K×8的DRAM，在上電或復(fù)位后的程序裝載階段，SRAM映射在DSP64K×16的程序存儲(chǔ)器空間，E²PROM映射在64K×16的局部數(shù)據(jù)空間和32K×16的全局?jǐn)?shù)據(jù)空間，不允許DSP對(duì)DPRAM操作。程序運(yùn)行時(shí)，SRAM對(duì)應(yīng)64K×16的程序存儲(chǔ)器空間和局部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，DARAM對(duì)應(yīng)在全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，不允許DSP對(duì)E²PROM操作。因此SRAM、DARAM和E²PROM的片選信號(hào)譯碼如下： CESRAM=ps×br×k×ds CEE²PROM=k+br+ds CEDARAM=k×br×ds

　　式中ds為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選擇引腳，br為總線請(qǐng)求引腳，ps為程序存儲(chǔ)器選擇引腳；k為模式轉(zhuǎn)換控制位，上電或復(fù)位后，k=0；程序運(yùn)行后，DSP通過(guò)端口操作可使k=1，來(lái)改變系統(tǒng)各存儲(chǔ)器在DSP存儲(chǔ)器空間的映射范圍，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器空間范圍在SRAM、DARAM和EPROM的重新分配。

　　3 數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　1. 軟件結(jié)構(gòu)

　　該經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全軟件控制，完成了諸如信息處理、加減速控制、適量變換控制、伺服控制等基本功能，具有點(diǎn)位控制功能、連續(xù)輪廓控制功能（直線插補(bǔ)，圓弧插補(bǔ)和三軸聯(lián)動(dòng)功能）、刀具半徑和長(zhǎng)度補(bǔ)償功能、刀具選擇和交換功能、鏡象加工功能、固定循環(huán)功能等。

　　a. 在操作方式上設(shè)有編程、參數(shù)設(shè)定、自動(dòng)運(yùn)行、空運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行、回零（回機(jī)械原點(diǎn)、回程序原點(diǎn)）、MDI（自動(dòng)數(shù)據(jù)輸入）、通訊、示教等多種模式。編程模式指零件加工程序的輸入、檢索、插入、刪除和復(fù)制；自動(dòng)模式包括連續(xù)加工零件和單段加工零件兩種方式，加工速率可以實(shí)時(shí)修調(diào)；空運(yùn)行模式指零件模擬加工，有連續(xù)運(yùn)行和單段運(yùn)行兩種方式；手動(dòng)模式指工作臺(tái)位置的調(diào)整，就是按下方向鍵移動(dòng)工作臺(tái)，進(jìn)給速率可以調(diào)修；回零模式指工作臺(tái)手動(dòng)返回零點(diǎn)操作，點(diǎn)擊方向鍵，相應(yīng)坐標(biāo)軸回零；對(duì)刀模式包括手動(dòng)對(duì)刀和自動(dòng)對(duì)刀（手動(dòng)對(duì)刀就是采用多次試切確定參考點(diǎn)，自動(dòng)對(duì)刀就是采用專(zhuān)用對(duì)刀器快速確定參考點(diǎn)），中文提示，真正實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)的操作，簡(jiǎn)便易學(xué)；示教功能則適應(yīng)了當(dāng)前機(jī)電一體化教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要。

　　b. 完善的補(bǔ)償功能。如：刀具半徑補(bǔ)償、刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償、間隙補(bǔ)償?shù)?，特別是可以實(shí)現(xiàn)尖角、內(nèi)角的自動(dòng)過(guò)渡功能，有效的解決了模具加工中垂直型腔的加工問(wèn)題。

　　c. 多種循環(huán)控制功能的設(shè)置，有效地提高了產(chǎn)品加工時(shí)效及產(chǎn)品加工的一致性。如：直線等分循環(huán)、圓槽循環(huán)、矩槽循環(huán)、圓弧等分循環(huán)、輪廓循環(huán)、深孔鉆孔循環(huán)等等。

　　事實(shí)上，TMS320f240數(shù)字信號(hào)處理器在精密數(shù)控加工的伺服控制、刀具監(jiān)控補(bǔ)償及快速伺服、先進(jìn)控制算法的采用、機(jī)床保護(hù)系統(tǒng)等方面有著廣泛而有效的應(yīng)用。

　　2. 采用改進(jìn)的控制算法

　　數(shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用，使許多先進(jìn)控制策略和方法如自適應(yīng)控制、學(xué)習(xí)控制、摩擦控制等等得以應(yīng)用于高精度伺服控制系統(tǒng)，大大提高了控制精度和快速性。本系統(tǒng)采用改進(jìn)的時(shí)間分割法進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算。以直線插補(bǔ)為例：在粗插補(bǔ)中，通過(guò)該算法占用的指令數(shù)計(jì)算出的插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)間以及反饋采樣周期、精度、速度確定插補(bǔ)周期T；綜合插補(bǔ)周期T、進(jìn)給速度F以及插補(bǔ)直線段的終點(diǎn)坐標(biāo)X、Z計(jì)算出本插補(bǔ)周期各個(gè)坐標(biāo)的位移DX及DZ；通過(guò)反饋采樣和比較環(huán)節(jié)計(jì)算得到本次插補(bǔ)周期內(nèi)各軸位移實(shí)際進(jìn)給量SX、SZ，換算成相應(yīng)的脈沖數(shù)d'Z、取整后得dX、dZ；采用DDA脈沖分配法，利用脈沖分配數(shù)組dX(i)、dZ(j)來(lái)分配X、Z軸的脈沖數(shù)。在精插補(bǔ)中，將粗插補(bǔ)中分配完成的脈沖數(shù)組dXi(i)、dZ(i)送入脈沖發(fā)送的中斷服務(wù)子程序中，中斷服務(wù)子程序由TM320f240內(nèi)部的可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的中斷調(diào)用；$(. 響應(yīng)中斷后，轉(zhuǎn)入脈沖發(fā)送中斷服務(wù)子程序，判斷脈沖數(shù)組相應(yīng)的內(nèi)容，若數(shù)組內(nèi)容為1，就向硬件端口發(fā)送脈沖，若為0，則不發(fā)，從而完成了本次插補(bǔ)周期內(nèi)對(duì)各軸步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給脈沖的調(diào)協(xié)分配。

　　在實(shí)際運(yùn)行中，該系統(tǒng)將每個(gè)插補(bǔ)周期分為10個(gè)控制周期進(jìn)行伺服控制，從而對(duì)插補(bǔ)過(guò)程構(gòu)成更為有效的控制，使曲線的插補(bǔ)更加精確。結(jié)果表明：該方法大大提高了系統(tǒng)對(duì)曲線跟蹤的準(zhǔn)確性和快速性。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　基于DSP的數(shù)控機(jī)床的高速性能得到大大提高，改造后機(jī)床達(dá)到的技術(shù)參數(shù)為：脈沖當(dāng)量，X向0.005mm/脈沖，Z向0.01mm/脈沖；進(jìn)給速度，X向50mm/s，Z向100mm/s；自動(dòng)進(jìn)給速度，1~100mm/s；X、Z兩軸聯(lián)動(dòng)；坐標(biāo)顯示分辨率，X向0.005，Z向0.01mm。DSP數(shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用為精密數(shù)控的伺服控制系統(tǒng)提供了良好跟蹤伺服控制，用DSF處理器進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的改造后可以用于機(jī)床的閉環(huán)控制和其他高速運(yùn)動(dòng)裝置的控制，同時(shí)用戶(hù)可以用很少的費(fèi)用不斷進(jìn)行軟、硬件升級(jí)，始終跟上數(shù)控技術(shù)的發(fā)展步伐。