DSP技术多轴运动控制器应用研究报告 .docx

精品名师归纳总结基于技术的多轴运动把握器的应用争论摘要 :本文介绍了利用基于技术的多轴运动把握器作为下位机,机作为上位机所构成的 主从式数控立式铣床把握系统。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 中国人希望十多年的理想最终实现了,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,将来几年内我们国家能不能尽快与国际接轨,开发出具有自主学问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的显得特别重要。“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把握系统。传统的机床数控系统接受的是专用的运算机加多单片机 -多把握回路的封闭式并行结构。此类把握器在高速、高精度和多轴同步运动把握等方面存在着难以逾越的技术瓶颈。为此我们接受了深圳摩信科技有限公司基于技术的多轴运动把握器 8000 4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。该把握器可供应2 8轴的高速、高精度伺服步进 >把握 ,其核心芯片接受美国公司32位浮点 320 3140 >。系统的多轴把握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把握瓶颈。2 系统构成图1为该方案的系统硬件构成图。利用把握器的其中三个步进把握通道把握、轴刀具上下位移 >三个步可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结进电机 ,、轴实现两联动 ,通过滚珠丝杆驱动加工平台。全部步进电机都配以光电旋转编码器以构成 半>闭环系统 ,实现位置和速度把握 ,并且在步进电机驱动器内实现细分把握,在把握器内对编码器位置反馈脉冲1 4倍频 ,这样可以有效的提高步进电机和光电编码器的性价比。主轴旋转电机接受沟通变频调速电机,实现转速把握。把握器的/通道就用来实现数控铣床的其它帮忙功能,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把握中的非实时任务,实时任务由8000 4运动把握器处理。运动把握器的运行机制,是按预先设定的中断时间周期的执行各种运动把握指令。主控程序 可完全在语言环境下开发>在前台监控运动把握程序的运行状态,在后台响应用户的实时把握命令 ,把握底层把握环节的正常运行。具体工作流程如下参见图 2>:第一在机上通过人机交互界面接受语言开发,以便于下一步的网络把握 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。运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,并设定各段所答应的最大加工进给速度、 加速度等参数。接着启动主控程序,进行下位机把握器的初始化,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,插补前后加减速把握 ,采样指令位置和实际位置并运算出位置偏差 ,进而通过内部数字把握器输出各轴所需脉冲,以驱动工作平台和刀具正可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结的确时运动。其中把握器可以使半>闭环系统具有指定的增量裕度和相位裕度,、参数就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 ,铣刀刀具总有确定的半径,并且在粗加工和半精加工时,仍要预留确定的加工裕量 ,而且由于刀具仍存在着磨损,因此 ,待加工工件轮廓仍要加上刀具半径补偿才是刀具中心的正确运动轨迹。为此本系统接受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 运算的软件实现流程图,该应用程序在开发环境下实现,然后集成到人机把握界面中去。对于直线接圆弧、圆弧接圆弧的情形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,一就可以充利用机资源,又可以为运动把握器实时插补、运动把握争取更多的资源。4.2 直线及圆弧插补插补运算是数控系统依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,计琐如干中间点的坐标值密值 >,从而将工件轮廓描述出来。本系统的插补运算接受了闭环把握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。即先通过速度运算,按进给速度 / >运算出内的合成进给量,然后进行插补运算 ,依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,边运算 ,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 ,是用切线或弦线来靠近圆弧,因而不行防止的会带来轮廓误差。本系统的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结轮廓误差可以按如下公式由用户自行设定。 2 22 -2,->/ 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结注: 为轮廓精度 ,为圆弧半径 , 2为运算机反正切函数 , 为插补周期 ,为插补速度。传统的数据采样插补法接受粗插补和精插补,不仅增加了运算量,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确定程度上已准备了系统插补的精度,而且中间点的密度过大势必造成运算量的大增。而本系统就直接接受一次高速、高精度精插补法,配以加减速把握 ,由 - -2- >函数具体实现 ,实际运行成效比较理想。4.3 加减速把握在数控系统中 ,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,必需对送到电机的进给脉冲频率或电压进行加减速把握。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步增大,反之就削减 ,从而使机床在各种加工作业的情形下都能快速精确的停留在给定的位置上。如图4所示 ,本系统把握器支持匀加减速、三角函数双加减速和抛物线双加减速三种加减速把握方式,实现于插补运算前后。通过设定各段加工线条的最大答应插补速度、加速度即可以实现插补前加减整速把握,插补后加减速把握就通过设定 最大答应进给速度、加速度由步进把握脉冲输出函数 >具体实现。比较图中的三条加减速把握曲线可以看出在初速度、最大加速度和最大速度相同的情形下 ,抛物线双加减速把握方式最为平稳圆滑,三角函数双加减速次之,匀加减速控制方式就存在着速度突变,对机械部分不利易引起抖动和振动。终止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 ,接受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、前后加减速运动把握的方法。上位机、下位机两部分把握程序可以用高级语言实现分块独立开发 ,有效的缩短了开发周期。本文所争论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、更深化的争论正在进行之中。可编程运动把握器的应用方法争论引言现代大工业生产的特点是：高效率、高精度、高牢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、高牢靠性的生产线涉及多门学科先进技术与器件的优化应用，特别重要的是选择适宜的把握器类型，接受合理的把握方法，使得质量和效率达到正确的结合点，这正是我们要深化争论的问题。在现代测量与把握中，可以选用的把握器种类很多，性能指标差异很大，可以说各有 千秋。归纳起来。可以从 3个方面进行性能评判：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 <爱护难易程度，市场价格等）考虑。各类型把握器的性能指标可划分为如表 1所示的几种类型。设计者可以依据具体工程的技术指标要求选择适宜的把握方案。1 有利于基准溯源的把握器应用方法可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结为了说明问题，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，介绍多轴运动把握器结合PC 机的应用方法，并论述了在这种把握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，性能稳固，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40 60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 ”接受了多轴运动把握器，协作精密滚珠丝杠作为运动基准。从控制原理上分类，属于开环把握结构。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显现的故障进行自动诊断、自动复零启动，所以，开环把握已无法中意精度要求。因此，在多轴运动把握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接受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。但丝杆运动无法与运算机通讯，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，通过多轴运动把握器I/O 口与运算机通讯的方法将开环把握仿真为闭环反馈把握功能。从而，以精密滚珠丝杠及激光传感器相协作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固性为了确保设备在长期运行中基准的稳固性，仍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、快速对设备进行精确的调整和定位，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 把握系统的构成单元运动把握卡有独立式和插卡式两种规格，我们所选择的由PC 机和运动把握器组成的系统中，运动把握器选择了美国Parker 公司插卡式 AT6n00 系列。 PC机和运动把握器之间为I SA总线通讯方式，由把握器供应驱动、用户软件以及DLL 动态链接库等。事实上，在这个把握系统中，可以分为用户监控部分和运动把握部分，如图2所示。 PC机主要是面对用户，用户可以通过PC机上的把握卡终端窗口查询把握器的运动情形，甚至中断和发送把握器中的指令队列中的指令，从而达到通过把握器把握生产线的运动。运动把握器主要是面对电气运动单元。把握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。把握器仍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，这些开关量将在把握器中进行监测比较，以便把握生产线的正常运转。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3 可编程把握器的功能3.1 实现用户监控如上所述，用户面对的只是PC 机，因此充分表达了 PC 机的优点。我们可以利用运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，可以依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“开头 ”按钮，剩下的工作都可以交给软件和把握器完成。软件依据用户的要求，对把握器发出一队指令序列，储备在把握器的指令ROM 中，然后把握器依次执行队列指令，整个生产线就运动起来了。由于大部分运算都在把握器中进行，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，P C机充当了用户和把握器信息交换的桥梁。3.2 完成运动把握生产线全部的动作都是运动把握器把握的。大部分运动是由步进电机驱动的。我们在把握器中设置与驱动器匹配的辨论率，并且指定合适的脉冲宽度，一般情形下，辨论率越高的，脉冲越窄，以防相邻脉冲之间产生叠加。针对驱动器，把握器发出脉冲指令，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，假如连上导轨，仍可以将转动变为直线运动。我们选用的运动把握器可同时对4个轴进行把握，因此，又可以称为4轴把握器。把握器有对 4个轴进行同步把握的功能，使得运动同步编程方面大为简洁。仍有一部分往复运动是由气缸推动的。气缸运动的把握更为简洁。把握器只需给出一个“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。运动把握器的优点仍表达在它具有一批I/O 口。我们选用的把握器有输入输出口各24个，就像气缸运动的把握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，仍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把握卡中，通过指令，将这些信号进行比较，作为运动把握的条件。并且，把握器也接受外部按钮信号，这样，用户可以通过外部把握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把握，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，它仍可以指示把握器指令是否连续执行，各个轴的运动情形等。由于把握器有 150KB 的ROM ，我们预先可以编好各种功能的程序段，使用时下载到把握卡中，程序执行时，依据各种条件<如某几个输入口的状态），实现程序间的跳转，于是，全部的运动将被连续起来，确保循环动作的顺当进行。3.3 影响位置精度的误差缘由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洁，修理也比较便利，但是不能保证精度。比如把握器发出确定数量的脉冲， 但是假如步进电机在运动过程中遇到较大的突变阻力，就显现丢步现象，而把握卡并不能检测到步进电机的失误，照旧认为运动成功。这种情形下连续运行生产线，将严肃导致生可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结产线的瘫痪，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缘由仍有零部件的机械刚度不足、协作件的间隙、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。仍有实际系统所具有的质量、惯性也都将引起运动误差。既使接受反馈环节，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把握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别位置的精度感爱好，并不需要对全程进行精密把握。这样，可以把检测传感器的工作性质和工作范畴转变一下，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。位置把握有两种实现方法。第 1，传感器始终开启，当物体在目标位置显现时，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，依据传感器给出的信号，确定是否需要位置订正。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捷部分的开头边缘，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，从而把握整个物体的位置。依据传感器的特性，我们很简洁在物体上制作这样的边缘，比如明暗边缘。这种方法里面，将始终占用把握器的把握权，不能进行其他运动的把握，而且仍要考虑传感器和把握卡的反应延时。精确测出系统的反应延时以及重复精度，可以作为位置把握精度的基本依据。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畴。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捷标记，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，我们应当保证对各个关键的参数都标定到，其次， 我们的标定能达到确定的精度要求，再次，选用的标定方法确定要具有较高的效率。在一般情形下，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依据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。从这一点动身,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，依据在生产线上流淌的产品和工件，制作了一些含有某些特点的标准检具。第一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。最终，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快速标定，使得自动线保证合格。这种方法也有确定的缺点。第一，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，最终，此方法受确定的人为影响，需要标定可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结者有确定的仪器设备调整体会。基于智能运动把握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,利用智能运动把握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,基于智能运动把握器的数控系统完全可以实现较高精度的实时把握,而且具有开放性 ,可实现对多轴联动的开环和闭环把握。本文提出了以智能运动把握器为位控模块,工业把握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把握。1数控系统的硬件结构1.1 智能运动把握器智能运动把握器是一个较高性能的伺服运动把握器。每一两块块把握器上有三块或四块把握芯片 ,每一块芯片独立的把握一个轴的运动,可对芯片进行初始化编程,规定各把握芯片的工作状态 :发脉冲的速率 ,发脉冲的个数。本文接受两块智能运动把握器把握五轴联动。1.2 数控系统硬件结构及工作原理该数控系统的把握是在工业把握机 >平台的基础上 ,接受两块智能运动把握器进行位控。工控机上的和运动器上的把握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,用这些数据去把握智能运动把握器的工作状态:各轴的运动步数、发脉冲速率。再由智能运动把握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把握器,此信号可由主读入。其结构原理如图1所示。1.3 闭环把握系统可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结在这种系统中 ,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把握智能运动把握器,使实际值与理想值趋于重合 ,从而排除运行误差。该系统如图2所示。2.1 数字把握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,实现按确定规律支配进给脉冲 ,把握伺服电机运动。插补运算是依据数控语言代码供应的轨迹类型选择相应算法 ,保证在确定精度范畴内运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,使伺服电机以确定速度转动,把握工作台按预定的轨迹运动。数控技术中接受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接受。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,在运算机数控系统中得到广泛接受。本系统的插 补算法就是接受时间分割法,它依据进给速度运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,把握过程是一个次序过程,其中各个环节环环相扣 ,相互制约 ,因此很难实现误差的快速响应。同时,由于系统的寻址才能有限 ,因此必需考虑存放大量插补数据的方法。为明白决这些问题,本系统接受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,把握方法上接受读入 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,然后接受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>去把握智能运动把握器的工作状态,然后由智能运动把握器完成精插补 ,它发出序列脉冲去直接把握各个伺服驱动器。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 ,0 01 为正转 ,0 10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, 并用得到的结果去把握智能运动把握器把握芯片的工作状态,就可完成精插补 ,实现在相同时间内各轴沿相应方向运动确定的步数。图3是系统闭环把握程序框图。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结这里接受的闭环把握方法是在精插补前依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>,在发给智能运动把握器之前 ,会依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=0 01, 0=0 01,而系统反馈情形是上一次反转运行有一步未运行,就精插补数据变为 0=0 00, 0=0 00,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,就精插补数据变为0=0 01, - 0=0 02,此次 0轴电机正转运行 2步。经过这样的处理后,位控系统准时的将运行误差在紧邻的一个粗插补数据进行补偿,防止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。而传统的间接把握方法是将误差补偿数据编入插补算法中,这样补偿被人为的滞后 ,而且假如补偿不到位 ,将影响后面的插补数据精度,其精度和响应速度都降低了。可编辑资料 - - - 欢迎下载