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基于DSP技术的多轴运动控制器的应用研究 作者： 日期：12 个人收集整理 勿做商业用途基于技术的多轴运动控制器的应用研究摘要：本文介绍了利用基于技术的多轴运动控制器作为下位机,机作为上位机所构成的主从式数控立式铣床控制系统。该系统充分利用了机技术和技术资源,具有高精度、高速度、高性价比的特性。1 引言-中国人企盼十多年的梦想终于实现了,这无疑对我国原本相对落后的机械制造业带来了难得的机遇和巨大的挑战。作为机械制造业重中之重的数控机床自然首当其冲，未来几年内我们国家能不能尽快与国际接轨，开发出具有自主知识产权的高精密数控机床，在中高端数控机床方面占有一席之地显得十分重要。“十五”规划中也指出,整个机床行业要以提高国产数控机床市场占有率为目标。 数控系统是一种典型的多轴实时运动控制系统。传统的机床数控系统采用的是专用的计算机加多单片机-多控制回路的封闭式并行结构。此类控制器在高速、高精度和多轴同步运动控制等方面存在着难以逾越的技术瓶颈。为此我们采用了深圳摩信科技有限公司基于技术的多轴运动控制器80004(插在机插槽中)配以机组成了主从式数控系统,以实现立式数控铣床的功能。该控制器可提供28轴的高速、高精度伺服(步进)控制，其核心芯片采用美国公司32位浮点32031(40）。系统的多轴控制指令集合可以在一个中断周期（高达10)内完成,从而克服了传统的并行结构在本质上的同步控制瓶颈。2 系统构成图1为该方案的系统硬件构成图。利用控制器的其中三个步进控制通道控制、轴（刀具上下位移)三个步进电机,、轴实现两联动，通过滚珠丝杆驱动加工平台。所有步进电机都配以光电旋转编码器以构成(半）闭环系统,实现位置和速度控制,并且在步进电机驱动器内实现细分控制，在控制器内对编码器位置反馈脉冲14倍频,这样可以有效地提高步进电机和光电编码器的性价比。主轴旋转电机采用交流变频调速电机，实现转速控制.控制器的/通道则用来实现数控铣床的其它辅助功能,比如、轴行程限位、工作台台灯、冷却、润滑等。该系统脉冲当量为0.0075，理论最高直线位移速度为15/（受所用电机、驱动器、机械部件等影响）.3 系统工作过程上位机处理机床控制中的非实时任务,实时任务由80004运动控制器处理。运动控制器的运行机制,是按预先设定的中断时间周期地执行各种运动控制指令。主控程序（可完全在语言环境下开发)在前台监控运动控制程序的运行状态,在后台响应用户的实时控制命令，控制底层控制环节的正常运行。具体工作流程如下（参见图2)：首先在机上通过人机交互界面(采用语言开发,以便于下一步的网络控制实现)绘制所要加工工件图形(目前限于直线和圆弧两种线条),并指定是左刀补或是右刀补，然后启动机上刀具半径补偿应用程序。计算出刀具半径补偿后的所要加工工件图形各段的端（节)点坐标及圆弧起点、终点、圆心坐标，并设定各段所允许的最大加工进给速度、加速度等参数.接着启动主控程序，进行下位机控制器的初始化，然后将上述有关参数读入到主控程序。开启基于内部定时器的中断服务例程.该中断程序主要执行如下内容:进行直线、圆弧实时插补，插补前后加减速控制,采样指令位置和实际位置并计算出位置偏差，进而通过内部数字控制器输出各轴所需脉冲，以驱动工作平台和刀具正确实时运动。其中控制器可以使(半）闭环系统具有指定的增量裕度和相位裕度,、参数则通过离线调试完成设定。4 关键技术及其相关理论4.1刀具半径补偿在轮廓加工过程中,铣刀刀具总有一定的半径，并且在粗加工和半精加工时,还要预留一定的加工裕量，而且由于刀具还存在着磨损,因此，待加工工件轮廓还要加上刀具半径补偿才是刀具中心的正确运动轨迹.为此本系统采用了机能刀具半径补偿的方法，刀具补偿的工作包括了程序段之间的自动转接和切削判别。图3是直线接直线时刀具半径矢量、转接交点矢量计算的软件实现流程图，该应用程序在开发环境下实现，然后集成到人机控制界面中去。对于直线接圆弧、圆弧接圆弧的情况稍作修正即可利用这一流程图来实现。将刀具半径补偿环节在机上进行,一则可以充利用机资源，又可以为运动控制器实时插补、运动控制争取更多的资源。4.2直线及圆弧插补插补运算是数控系统根据输入的基本数据(如直线的起点和终点，圆弧的起点、终点和圆心,进给速度，刀具参数等）,在轮廓起点和终点之间，计琐若干中间点的坐标值（密值)，从而将工件轮廓描述出来。本系统的插补运算采用了闭环控制的数控机床中常用的时间分割插补法.这种方法是每隔时间进行一次插补运算。即先通过速度计算,按进给速度（/)计算出内的合成进给量,然后进行插补运算，根据刀具运动轨迹与各坐标轴的几何关系，求出各轴在一个插补周期内的插补进给量，按时间间隔以增量形式给各轴送出一个个插补增量，通过驱动部分使机床完成预定轨迹的加工，边计算，边加工，直至加工终点。合成进给量为：=×1000×60×1000=60/对于直线插补来讲,插补所形成的轮廓步长子线段与给定的直线重合,不会造成轨迹误差;而在圆弧插补中,是用切线或弦线来逼近圆弧，因而不可避免地会带来轮廓误差。本系统的轮廓误差可以按如下公式由用户自行设定. 22(22,)/注:为轮廓精度，为圆弧半径,2为计算机反正切函数，为插补周期,为插补速度。传统的数据采样插补法采用粗插补和精插补,不仅增加了计算量，降低了加工速度，而且破坏了速度与加速度的平稳圆滑过渡，易引起抖动和振动。同时第一次粗插补在一定程度上已决定了系统插补的精度,而且中间点的密度过大势必造成运算量的大增。而本系统则直接采用一次高速、高精度精插补法，配以加减速控制，由-2(）函数具体实现,实际运行效果比较理想.4.3加减速控制在数控系统中，为了保证机床在起动或停止时不产生冲击、失步、超程或振荡,必须对送到电机的进给脉冲频率或电压进行加减速控制。即在机床加速起动时，保证加在电机上的脉冲频率或电压逐渐增大,反之则减少,从而使机床在各种加工作业的情况下都能快速准确地停留在给定的位置上。如图4所示,本系统控制器支持匀加减速、三角函数双加减速和抛物线双加减速三种加减速控制方式,实现于插补运算前后.通过设定各段加工线条的最大允许插补速度、加速度即可以实现插补前加减整速控制,插补后加减速控制则通过设定最大允许进给速度、加速度由步进控制脉冲输出函数（）具体实现.比较图中的三条加减速控制曲线可以看出在初速度、最大加速度和最大速度相同的情况下,抛物线双加减速控制方式最为平稳圆滑,三角函数双加减速次之,匀加减速控制方式则存在着速度突变,对机械部分不利易引起抖动和振动.结束语该系统摈弃了传统数机床比较烦琐的代码、二次粗精插补，采用了人机交互绘制加工图形并先行进行刀具半径补偿再将相关数据送至底层主控程序，进行一次性高速度、高精度实时插补、前后加减速运动控制的方法。上位机、下位机两部分控制程序可以用高级语言实现分块独立开发，有效地缩短了开发周期。本文所研究之数控立式铣床系统现已实现两轴半数控铣床的主要功能，更完善、更深入的研究正在进行之中。可编程运动控制器的应用方法研究引言现代大工业生产的特点是：高效率、高精度、高可靠性及产量和质量的高竞争性。因此,大规模自动生产线成为现代企业的象征.如何建造高效率、高精度、高可靠性的生产线涉及多门学科先进技术与器件的优化应用，尤其重要的是选择适宜的控制器类型，采用合理的控制方法,使得质量和效率达到最佳的结合点，这正是我们要深入研究的问题。在现代测量与控制中，可以选用的控制器种类很多，性能指标差异很大，可以说各有千秋。归纳起来。可以从3个方面进行性能评价:是否确保质量，有利于基准溯源；控制的多元性（多维、多点同步动作）及编程的复杂性;经济性（维护难易程度，市场价格等)考虑。各类型控制器的性能指标可划分为如表1所示的几种类型。设计者可以根据具体项目的技术指标要求选择适宜的控制方案。1 有利于基准溯源的控制器应用方法为了说明问题，本文以我们研制的半导体器件生产线中应用的“多轴精密机械手"为例，介绍多轴运动控制器结合PC机的应用方法，并论述了在这种控制系统下对各轴的运动和位置精度定位的具体实现过程。图1为多轴精密机械手外观。该设备自动化程度高，性能稳定,可连续工作16小时。该自动线属于密集型生产方式，具有5自由度功能，可同时对10个半导体管座进行操作，大大提高了生产效率，每分钟可将4060个半导体管座从塑料运载板上吸起、旋转定位、坐标变换后送入专用铝模条内，比目前手工作业效率提高了6倍，节约了大量的人力耗费.该“多轴精密机械手”采用了多轴运动控制器，配合精密滚珠丝杠作为运动基准。从控制原理上分类,属于开环控制结构。但由于要求极高的结构尺寸精度和定位精度，并要求对生产过程中出现的故障进行自动诊断、自动复零启动，所以,开环控制已无法满足精度要求。因此,在多轴运动控制器的设计中涉及了两个问题：(1) 如何实现基准溯源各轴传送运动采用精密丝杆与步进电机组合方式,丝杆作为长度标准,其精度可达±（13）um/m.丝杆旋转一周,工作台向前移动一个螺距。但丝杆运动无法与计算机通讯，为此， 在设备的整体调整中，总结出一套以激光传感器作为零位基准，通过多轴运动控制器I/O口与计算机通讯的方法将开环控制仿真为闭环反馈控制功能；从而，以精密滚珠丝杠及激光传感器相配合实现了整个工作过程中的基准溯源。（2） 如何确保长期精度的稳定性为了确保设备在长期运行中基准的稳定性，还总结出以标准器具为核心调整各轴相互位置关系的方法.该方法可不依靠任何仪器、快速对设备进行准确的调整和定位，无疑，该方法是对开环或闭环复杂精密设备进行在线综合调整的贡献。2 控制系统的构成单元运动控制卡有独立式和插卡式两种规格，我们所选择的由PC机和运动控制器组成的系统中，运动控制器选择了美国Parker公司插卡式AT6n00系列。PC机和运动控制器之间为ISA总线通讯方式,由控制器提供驱动、用户软件以及DLL动态链接库等。事实上,在这个控制系统中，可以分为用户监控部分和运动控制部分，如图2所示。PC机主要是面向用户，用户可以通过PC机上的控制卡终端窗口查询控制器的运动情况,甚至中断和发送控制器中的指令队列中的指令，从而达到通过控制器控制生产线的运动。运动控制器主要是面向电气运动单元.控制器发出脉冲信号和方向信号给驱动器,驱动器带动步进电机旋转，从而使生产线运动起来。控制器还将接受和输出一些开关量,如激光传感器信号，压力传感器信号，电磁阀驱动信号等，这些开关量将在控制器中进行监测比较，以便控制生产线的正常运转。3 可编程控制器的功能3.1 实现用户监控如上所述，用户面对的只是PC机，因此充分体现了PC机的优点.我们可以利用计算机的各种高级语言（如C、VC、VB等)编程，软件的界面友好，功能齐全。现在，我们使用VC开发的软件，可以根据用户需要预先设定生产线的工作量,用户需要做的事情就是打开软件,指定工作量或者使用默认值，然后点击“开始”按钮，剩下的工作都可以交给软件和控制器完成.软件根据用户的要求,对控制器发出一队指令序列，存储在控制器的指令ROM中，然后控制器依次执行队列指令，整个生产线就运动起来了。由于大部分计算都在控制器中进行，所以软件占用PC机的资源较少，不影响PC机其他任务的执行。在这里，PC机充当了用户和控制器信息交换的桥梁。3.2 完成运动控制生产线所有的动作都是运动控制器控制的。大部分运动是由步进电机驱动的。我们在控制器中设置与驱动器匹配的分辨率，并且指定合适的脉冲宽度，一般情况下，分辨率越高的,脉冲越窄，以防相邻脉冲之间产生叠加.针对驱动器,控制器发出脉冲指令，并且规定方向和速度,与驱动器相连的步进电机就转动起来了，如果连上导轨，还可以将转动变为直线运动。我们选用的运动控制器可同时对4个轴进行控制,因此，又可以称为4轴控制器.控制器有对4个轴进行同步控制的功能，使得运动同步编程方面大为简单。还有一部分往复运动是由气缸推动的。气缸运动的控制更为简单。控制器只需给出一个“0”或者“1”的数字信号给继电器，由继电器驱动电磁阀，气缸的运动就实现了。运动控制器的优点还体现在它具有一批I/O口.我们选用的控制器有输入输出口各24个,就像气缸运动的控制就是由输出口实现的。生产线上设了一些压力传感器,激光传感器，还有各个方向导轨带有的行程限位开关，这些信号都由输入口采集进控制卡中，通过指令,将这些信号进行比较，作为运动控制的条件.并且，控制器也接受外部按钮信号，这样，用户可以通过外部控制面板上的按钮对生产线的运行进行干预.输出口可以实现数字化控制，比如气动元件电磁阀的开闭动作，报警用的红灯闪烁以及蜂鸣声，并且,它还可以指示控制器指令是否持续执行，各个轴的运动情况等。由于控制器有150KB的ROM，我们预先可以编好各种功能的程序段，使用时下载到控制卡中，程序执行时,根据各种条件（如某几个输入口的状态），实现程序间的跳转,于是，所有的运动将被连续起来,确保循环动作的顺利进行。3。3 影响位置精度的误差原因分析与解决措施从上面分析可以看出,没有激光零位传感器的整个系统属开环结构,虽然开环系统的结构相应简单，维修也比较方便，但是不能保证精度。比如控制器发出一定数量的脉冲，但是如果步进电机在运动过程中遇到较大的突变阻力，则出现丢步现象，而控制卡并不能检测到步进电机的失误，依旧认为运动成功。这种情况下继续运行生产线，将严重导致生产线的瘫痪，以至于设备的毁坏.在高精度检测系统中其它引起运动误差的原因还有零部件的机械刚度不足、配合件的间隙、运动件间的摩擦、传送件间的空程、弹性元件的后滞等各种偶然失误形成的误差。还有实际系统所具有的质量、惯性也都将引起运动误差.既使采用反馈环节，也无法降低系统误差。在利用开环系统实现接近于闭环系统高精度的控制中关键在于选择一个高精度的检测传感器。一般来说传感器的重复精度要比所要求的位置精度高出一个量级，所以它的精度直接影响定位装置的精度。事实上,对于一般的实际生产线来说,我们只对线上的某些特殊位置的精度感兴趣，并不需要对全程进行精密控制。这样，可以把检测传感器的工作性质和工作范围改变一下，即传感器只对某一位置的精度负责。换句话说，我们并不在意过程怎样，只要结果符合要求就可以了。位置控制有两种实现方法。第1,传感器一直开启，当物体在目标位置出现时，传感器给出信号，工作轴停止运动。第2，工作轴运动完成后，传感器开启，检测物体是否到达目标位置，根据传感器给出的信号，确定是否需要位置纠正。比较这两种方法，前者在动态中检测物体，事实上,物体有效部分只是令传感器敏感部分的开始边缘,只要这个边缘清晰，边缘部分位置就可以用传感器信号检测出来,从而控制整个物体的位置。根据传感器的特性，我们很容易在物体上制作这样的边缘，比如明暗边缘。这种方法里面，将一直占用控制器的控制权，不能进行其他运动的控制，而且还要考虑传感器和控制卡的反应延时。精确测出系统的反应延时以及重复精度，可以作为位置控制精度的基本依据。而且运动速度也影响精度。后者可以充分利用驱动装置，特别是运动过程中受到阻力较小的场合。我们可以预先在物体上做上标记,使之在目标位置时，传感器有效，并且，使精度达到预先要求的范围。由于这些调整是静态进行，我们可以借助一些仪器和手段,通过调整传感器的激光光束和物体上的敏感标记，一般能够达到要求。4 一种利用标准检具的快速定期标定方法对于自动生产线进行定期的标定，我们应该保证对各个关键的参数都标定到，其次，我们的标定能达到一定的精度要求，再次,选用的标定方法一定要具有较高的效率。在一般情况下，我们标定仪器或者设备可以选用标准器，如长度标准器量块，激光干涉等,也可以用其它精度较高的检测设备，如3坐标测量机。但是，当自动线具有多点工作,参数较多，相对关系复杂，无法通过任何标准仪器设备进行标定时，自动线的定期标定成为重要课题。向工调化参自动线的根本任务就是能够按照预先设定的程序完成生产，并且能够保证质量。这样的一条自动线我们认为是一条合格的自动线。定期标定的作用就是确保自动线的合格性。从这一点出发，我们认为生产的过程就是最好的鉴定自动线是否合格的过程。我们模拟自动线的生产运动过程，根据在生产线上流动的产品和工件，制作了一些含有某些特征的标准检具.首先在静态调整整条自动线的直线度和垂直度。然后进行单步运作，调整动态中的运动精度。最后，将运动连续起来,完全再现生产状态,进行整体的标定检测。利用这种方法,我们的半导体器件生产用多轴精密自动线能够进行各个参数的迅速标定，使得自动线保证合格。这种方法也有一定的缺点。首先，对于每一条自动线，它都有自己的标准检具，不同自动线之间,由于参数性质不同，检具的通用性较差.其次，这种方法是定性标定，不能给出数据依据，不利于对标定精度进行分析,最后，此方法受一定的人为影响，需要标定者有一定的仪器设备调整经验。基于智能运动控制器的开放式多轴联动数控系统摘要:提出了一种以工控机为支撑平台,利用智能运动控制器对多轴联动进行位控的开放式闭环数控系统。介绍了该系统的功能，硬件和软件设计方法.实践证明，基于智能运动控制器的数控系统完全可以实现较高精度的实时控制，而且具有开放性，可实现对多轴联动的开环和闭环控制。本文提出了以智能运动控制器为位控模块，工业控制机为支撑单元的开放式数控系统，其软件平台实现了人机界面的图形化，用二次插补法实现对多轴联动的控制。1数控系统的硬件结构1.1智能运动控制器智能运动控制器是一个较高性能的伺服运动控制器。每一两块块控制器上有三块或四块控制芯片，每一块芯片独立地控制一个轴的运动,可对芯片进行初始化编程，规定各控制芯片的工作状态:发脉冲的速率，发脉冲的个数。本文采用两块智能运动控制器控制五轴联动。1。2数控系统硬件结构及工作原理该数控系统的控制是在工业控制机(）平台的基础上,采用两块智能运动控制器进行位控。工控机上的和运动器上的控制芯片构成了主从式处理机构。主机完成粗插补运算,得到每一次各轴需运动的步数及方向,用这些数据去控制智能运动控制器的工作状态:各轴的运动步数、发脉冲速率；再由智能运动控制器完成五轴的精插补。工作台的运行情况通过传感器直接反馈输入智能运动控制器，此信号可由主读入。其结构原理如图1所示。1.3闭环控制系统在这种系统中，主机读入长光栅传感器反馈回的工作台的实际位移量,将此位移量与理想值相比较,得到误差信号并用此误差去控制智能运动控制器,使实际值与理想值趋于重合,从而消除运行误差。该系统如图2所示.2.1数字控制的插补算法保证数控工作台沿着预定的轨迹运行的问题，实质上是如何通过插补运算，实现按一定规律分配进给脉冲，控制伺服电机运动.插补运算是根据数控语言代码提供的轨迹类型选择相应算法，保证在一定精度范围内计算出一段直线或圆弧的一系列中间点的坐标值,并逐次以增量坐标值或脉冲序列形式输出,使伺服电机以一定速度转动,控制工作台按预定的轨迹运动。数控技术中采用的插补算法可归纳为两类：(1）一次插补法如逐点比较法、数字积分器法等，这类算法，进给速度受到限制，过去的硬件数控系统常常采用。(2）二次插补法它将插补功能分为粗插补和精插补两部份完成，常用的有扩展数字积分器法和时间分割法。这类算法，在每个插补运算周期里输出的不是单个脉冲，而是一个线段（位置增量坐标数据）,因而能显著提高进给速度,在计算机数控系统中得到广泛采用.本系统的插补算法就是采用时间分割法,它根据进给速度计算出每个固定时间内的进给量，进行粗插补运算，求出这个插补周期各联动坐标应移动的位置增量值，然后再通过精插补将该插补周期的各轴位置增量值变换成各坐标方向的均匀运动.2。2基于扩充内存的时间分割插补法数控系统的加工过程一般要经过插补、输出脉冲、反馈等几个过程。传统的方法是插补一次,发出一个脉冲，检测一次误差。在这种方法下,控制过程是一个顺序过程,其中各个环节环环相扣，互相制约,因此很难实现误差的快速响应.同时，由于系统的寻址能力有限,因此必须考虑存放大量插补数据的方法。为了解决这些问题,本系统采用基于扩充内存的时间分割插补方法：为了提高系统的实时性，控制方法上采用读入运行代码文件后,先在主机完成粗插补运算,并把插补得到的数据放入扩充内存，然后采用中断的方式从扩充内存取数，并与反馈系统检测的误差数据合并处理,再用得到的结果（各轴的位置坐标增量数据）去控制智能运动控制器的工作状态,然后由智能运动控制器完成精插补,它发出序列脉冲去直接控制各个伺服驱动器.放入扩充内存的数据类型定义如下:其中是定义粗插补数据是否完成的标志,5定义五轴的运动方向：000为不动,001为正转，010为反转;5定义五轴的运动步数。中断程序从扩充内存读入这些数据后,再与反馈系统检测的误差数据合并处理,并用得到的结果去控制智能运动控制器控制芯片的工作状态,就可完成精插补，实现在相同时间内各轴沿相应方向运动一定的步数。图3是系统闭环控制程序框图.这里采用的闭环控制方法是在精插补前根据误差补偿数据自动与粗插补数据合并而实现的。例如取得粗插补数据后（各轴应运动的步数及方向）,在发给智能运动控制器之前，会根据系统反馈的误差数据重新配置,假设粗插补数据0轴是：0= 001，0=001,而系统反馈情况是上一次反转运行有一步未运行,则精插补数据变为0=000，0=000,此次0轴电机不运行;如反馈情况是上一次正转有一步未运行，则精插补数据变为0=001,0=002,此次0轴电机正转运行2步。经过这样的处理后，位控系统及时地将运行误差在紧邻的一个粗插补数据进行补偿，避免了影响后面的插补运行，提高了反馈补偿的响应速度和精度.而传统的间接控制方法是将误差补偿数据编入插补算法中,这样补偿被人为地滞后,而且如果补偿不到位,将影响后面的插补数据精度,其精度和响应速度都降低了。