基于DSP核心控制器的開放式五軸數控系統

鄧永紅， 曹樹坤

(濟南大學 機械工程學院， 山東 濟南 250022)

目前，開放式數控系統因不依賴某個特定的硬件、軟件，可以優化選配來自不同供應商的零部件，提供最大柔性，根據用戶需要集成特殊功能等優點，已成為國際研究數控系統主潮流.美國的NGC和OMAC計劃、歐盟的OSACA計劃以及日本的OSEC計劃最有代表性，其體現了國外開放性數控的發展現狀[1].國內對開放式數控系統的研究還在起步階段，與國際先進水平存在很大差距.國內在數控系統中實現直接數字控制的方法主要是現場總線控制，基于現場總線的數控系統同樣需要在CNC上開發通信板卡，這些板卡須插入CNC的標準ISA/PCI插槽內，但ISA/PCI總線接口復雜，驅動程序、硬件接口開發難度大，開發成本較高，開發周期也較長,同時還需要伺服系統提供相應的現場總線接口[2].而且目前市場上多種現場總線并存，不同類型現場總線之間不能相互通信，很難滿足開放性數控系統的要求.本文以開放式數控系統為研究對象，設計一套基于DSP核心控制器的開放式五軸數控系統，以期提供一種響應速度快、可靠性高、靈活性好，能夠更好地滿足機械加工中的更高要求，提高數控機床使用安全和效率的開放式數控系統.

1 數控系統的硬件設計

1．1 數控系統的總框架

如圖1所示，基于DSP核心控制器的開放式五軸數控系統由上位機、下位機和五軸數控機床等組成.它采用上位機與下位機組成的開放式控制系統，上位機由PC機、ARM模塊、DSP模塊、儲存單元四部分組成，各自硬件相互獨立，操作界面完善，給操作人員多種操作機器的手段，通過功能切換并與下位機連接成功后可對五軸數控機床操作[3].下位機由電機控制板、電液伺服閥和數據采集及輸出模塊組成.上位機完成配置硬件、設置試樣參數、實時顯示圖形、保存數據、打印報告等功能，且通過USB高速接口與下位機進行通訊，下位機負責實時接收其命令，實時采集傳感器數據并返回給上位機顯示，并做有關數據運算、伺服電機閉環控制等工作[4].

圖1 系統總體結構框圖

1．2 ARM模塊的設計

為了滿足數控系統低成本、高性能、低功耗的要求，本文設計的解決方案采用Samsung 公司的16/32位RISC處理器S3C2410A.S3C2410A提供了以下豐富的內部設備：分開的16KB的指令Cache和16KB數據Cache， MMU虛擬存儲器管理，LCD控制器(支持STN&TFT)，支持NAND Flash系統引導，系統管理器(片選邏輯和SDRAM控制器)，3通道UART，4通道DMA，4通道PWM定時器，I/O端口，RTC，8通道10位ADC和觸摸屏接口，IIC-BUS接口，IIC-BUS接口，USB主機，USB設備，SD主卡&MMC卡接口，2通道的SPI以及內部PLL時鐘倍頻器[5].

ARM模塊的功能是負責處理各種接口通信與人機交互、數據存儲與發送.ARM處理器s3c2410是數控系統的主要硬件，RT-Linux操作系統運行在此硬件上.操作系統主要完成數據的計算和邏輯運算，管理中斷信號和實時調度工作，采用現場總線技術通過CAN總線控制器與DSP實現數據傳輸.

1．3 DSP模塊的設計

本開放式數控系統使用的核心處理器為TMS320F28335.TMS320F28335采用靜態CMOS技術，主頻達150MHz； CPU核供電電壓為1.8V，I/O口供電電壓為3.3V；具有3個獨立的外部擴展接口，超過2M的尋址空間；芯片內部本身具有256K X16位FLASH，34K X16位SARAM空間；具有豐富的內部外圍模塊、完善快速的中斷體系及豐富的I/O資源[6].

DSP處理器TMS320F28335是本數控系統的核心硬件，本系統使用DSP處理器的EPWM模塊對伺服電機進行控制，例如通過讓EPWM1模組的時基與EPWM2和EPWM3同步，同時讓EPWM4的時基與EPWM5和EPWM6同步，即可現實對兩個伺服電機的獨立控制；通過讓EPWM1的時基與另外五個模組同步，即可現實兩個伺服電機在同一時間啟動，完成機床兩軸聯動.應用eQEP模塊對電機位置與速度進行實時測量.應用通用定時器和外部中斷接口實現各外設控制.應用通用I/O模塊實現DSP與各外設以及ARM平臺間的數據交互.

1．4 儲存單元模塊的設計

儲存單元由IDE硬盤、FLASH和內存組成，IDE硬盤主要儲存零件加工程序.加工零件程序編寫復雜、數據量大,可在該系統加上硬盤以彌補FLASH的儲存空間不足,將調試好的RT-Linux操作系統以及用戶的應用程序等存放于FLASH儲存器[7].RT-Linux操作系統由BootLoader、RT-Linux內核、文件系統組成；用戶應用程序主要為數控系統部分模塊和人機界面軟件等[8].當數控系統運行時，其主要區域為內存，內存中包含系統及用戶數據以及系統運行時的堆棧.

1．5 電機控制板模塊的設計

電機控制板模塊負責驅動伺服電機并反饋傳感器信號.圖2所示為MCT8000F8控制器控制的一個交流伺服電機的控制圖.在本系統中，采用松下MSD伺服驅動器驅動交流伺服電機.MCT8000F8控制板和MCT8000F8-IO接口板向伺服驅動器輸出控制信號.編碼器檢測電機的實際位置并反饋給MCT8000F8.MCT8000F8將需要的位置指令信息與反饋的編碼器實際位置信號進行比較，通過DAC輸出端子DAC0將產生的偏差信號輸入伺服驅動器，形成閉環位置控制系統[9].三個數字輸出信號DO0、DO1、DO2用于控制伺服驅動器；兩個數字輸入信號DI0和DI1用于檢測驅動器的運行狀態.本系統用一個MCT8000F8同時控制5個電機，實現五軸聯動加工.

圖2 交流伺服電機的控制圖

2 數控系統的軟件設計

本系統使用DSP核心控制器加上ARM處理器，實現多處理器并行工作，將軟件工作分配給各級處理器，完成實時多任務處理，提高了整個系統的運行速度.將數控系統中整個軟件分為三部分各自獨立運行：在PC的windows運行部分、在ARM的RT-Linux運行部分以及在DSP的運行部分.在PC中完成復雜曲面的高效、精密加工； ARM運算速度比DSP高，用于事件處理；DSP芯片內部沒有操作系統，基本上單任務運行，不支持進程間調度問題，但支持高速浮點運算，因此該環境可以運行實時要求高及運算量大的任務[10].

整個系統的軟件部分是以Visual C++6.0為開發工具，采用了面向對象和模塊化的思想進行開發，主要分為五大模塊：參數設置、運行模式、狀態顯示、狀態控制、系統管理[11].參數設置模塊包括運行模式的選擇、刀具選擇、加速度設置和速度設置，此模塊負責各軸運動控制的脈沖輸出設置和刀具選擇等.運行模式模塊主要包括點動運行、手動運行和自動運行，此模塊完成調整運行的方式[12].狀態顯示模塊包括運行狀態顯示、運行軌跡顯示、速度顯示和I/O顯示，該模塊負責將運行狀態(位置、速度、I/O量等)及調整后的參數實時顯示[13].狀態控制模塊包括I/O控制、速度控制，該模塊負責向運動控制卡及其他執行部件發送控制指令.系統管理模塊包括幫助文檔、程序編譯和文件管理，其負責文件管理以及軟件的操作說明等.上述各個模塊在主框架程序控制下相互協調，組成一個完整的運動控制系統[14].

該系統是以DSP為核心的運動控制器，需要與ARM進行通信以得到代碼指令，并完成指令解析和插補算法，最終輸出PWM脈沖驅動各電機完成有序運動.其主程序流程圖如圖3所示.

圖3 DSP主程序流程圖

部分程序代碼：

struct CMachinePara

{

double machRect[6];//工作臺行程

double mmPrePulse[5];

double arcPrePulse[5];

int ciraxis;//旋轉軸號

double calibratehig;//對刀器高度

double calibrateVel;//對刀速度

short LimSns,HomeSns;

double HomeVel[5];//五軸的回零速度

int HomeDir[4];//回零方向

double sysMaxVel;//系統最高速度

int SpineDelay;//主軸啟動延遲時間

bool startGohome;//程序啟動自動會零

};

……

3 數控系統設計的實現

3．1 數控系統應用界面介紹

(1)主操作界面

該系統主操作界面中包括標題欄、菜單欄、工具欄、軌跡跟蹤區、代碼跟蹤區、坐標跟蹤區、速度調節區、轉速調節區、狀態顯示區、手動控制區和系統狀態欄.系統正常啟動后，出現如圖4所示的系統主操作界面，此時用戶即可進行各項正常操作.

圖4 系統主操作界面

(2)參數設置界面

在進行加工之前需用設置系統參數.點擊主操作界面上的“工具”以及“設置系統參數”菜單項，系統將彈出“系統參數設置”對話框.“機床參數設置”對話框包括三個部分：速度設置、加速度設置、其他，如圖5所示.

圖5 系統參數設置

3．2 數控系統應用測試

將該數控系統應用到一臺五軸坐標數控銑床上進行實物加工試驗，五軸坐標機床實驗平臺X軸的行程為240mm、Y軸的行程為130mm、Z軸的行程為140mm,轉動軸A軸最大轉動角度為360°，轉動軸C軸的最大轉動角度為140°.試驗系統如圖6、圖7所示.

圖6 數控系統測試平臺1

圖7 數控系統測試平臺2

整個數控系統工作過程如下：

(1)操作端對需要加工的零件進行UG建模、刀具軌跡生成并進行刀具軌跡信息提取.

(2)DSP模塊將數控機床初始化等待ARM指令.

(3)操作端通過數據線將刀具軌跡信息傳送到ARM模塊.

(4)ARM接到刀具軌跡信息后向DSP發送測量指令，并獲取反饋的測量信息，DSP獲得指令啟動測量功能獲得加工工件的初始尺寸和定位信息，并反饋回ARM.

(5)ARM根據測量信息智能規劃刀具的路徑、根據智能工藝數據庫選擇加工工藝參數，并自動生成數控代碼，進行加工仿真和數控代碼檢查、將檢查過的數控代碼傳送給DSP并控制DSP的工作狀態.

(6)DSP接受數控代碼，向電機控制板、電液伺服閥發送指令脈沖.

(7)電機控制板、電液伺服閥接受脈沖指令，電機控制板將指令發向伺服驅動器.

(8)伺服電機、電液伺服閥按數控指令驅動五軸數控機床.

(9)五軸數控機床完成數控加工同時將加工中的狀態信息通過DSP反饋給ARM.

(10)加工完成后，ARM再次啟動測量功能，對工件尺寸和形狀進行自動檢測，實現加工質量的主動控制.

(11)DSP接收到ARM命令后再次啟動測量功能對工件的關鍵尺寸和形狀等質量狀態進行在線檢測，并反饋給ARM.

配置適當參數對X軸、Y軸、Z軸、A軸及C軸進行測試，機床在測試過程中運行平穩.

4 結束語

試驗表明，本文設計的基于DSP核心控制器的開放式數控系統響應速度快、可靠性高、靈活性好，能夠較好地滿足實際加工中的更高要求，提高了數控機床使用安全和效率，且具有以下特點：

(1)采用DSP作為核心器件，在整個數控系統中可以集成、固化多種伺服控制核，實現控制的靈活性以及靈活的智能化控制.

(2)通過增設ARM模塊，融合了數控技術和可嵌入技術，實現數控系統與人交互功能；通過監控終端實現對數控機床狀態實時監控，及時了解各數控機床生產加工過程以及機床狀態，實現預知維修，及早發現故障隱患把損失降到最低，提高數控機床使用效率.

[1] 張恒．直接面向加工路徑的開放式數控系統研究[D].濟南：濟南大學，2009．

[2] 李攀，裴海龍，王清陽．開放式數控系統軟運動控制器全數字化的實現[J]．機床與液壓，2011,39(4)：83-86．

[3] 盛曉超，陶濤，張東升，等．基于運動控制器的開放式數控系統設計[J]．機床與液壓，2011,39(19)：58-66．

[4] Kim D Y,Do H S, Jeon D Y．Feed-system autotuning of a CNC machining center: rapid system identification and fine gain tuning based on optimal search[J]．Precision Engineering，2012，36(2)：339-348．

[5] 侯殿有．嵌入式系統開發基礎——基于ARM9微處理器C語言程序設計[M]．北京：清華大學出版社，2011：2-15．

[6] 劉陵順．TMS320F28335DSP原理及開發編程[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2011：1-5．

[7] 蘇傳芳．嵌入式處理器實現IDE硬盤存儲[J]．計算機時代，2002,25(4)：36-38．

[8] Bousias K,Guang L,Jesshope C R,etal. Implementation and evaluation of a microthread architecture[J].J.Syst.Architect,2009,55 (3) :149-161.

[9] 周虹．開放式數控系統在數控車床上的應用[D].長沙：湖南大學，2005．

[10] 徐躍，王太勇．基于ARM和DSP的可重構數控系統[J]．吉林大學學報：工學版，2008,38(4)：848-851．

[11] 陳先鋒．西門子數控系統故障診斷與電氣調試[M]．北京：化學工業出版社，2012：1-10．

[12] 徐斌．基于運動控制卡的機械手控制系統研究[J]．合肥學院學報：自然科學版，2010,20(3)：86-88．

[13] 許青林，解爭龍．基于ARM的Linux系統移植研究與實現[J]．物聯網技術，2013，37(1)：37-42．

[14] 李建奇，肖繼國，賀盛修，等．基于NURBS插補算法的數控雕刻機控制系統的設計與實現[J]．計算機測量與控制，2012,20(13)：3 249-3 252．