基于DSP芯片和運(yùn)動控制算法實(shí)現(xiàn)開放式并聯(lián)運(yùn)動機(jī)床的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

并聯(lián)機(jī)床（ParallelMachineTool）又稱虛擬軸機(jī)床 （VirtualAxisMachineTool）或并聯(lián)運(yùn)動學(xué)機(jī)器，是基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的新型數(shù)控加工設(shè)備，實(shí)質(zhì)上是機(jī)器人技術(shù)、機(jī)床結(jié)構(gòu)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等相結(jié)合的物，它同時兼顧了機(jī)床和機(jī)器人的諸多特性，既可以看作是機(jī)器人化的機(jī)床， 又可以看作是機(jī)床化的機(jī)器人 。它能夠提供機(jī)器人的靈活與柔性，又具有機(jī)床的剛度和精度，是集多種功能于一體的新型機(jī)電設(shè)備。

1、并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)

并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，它由伺服（步進(jìn)）電機(jī)1、固定平臺2、支架3、伸縮桿4、動平臺5、銑削頭6、工作臺7等組成。安裝在固定平臺和動平臺之間的伸縮桿由伺服電機(jī)（或步進(jìn)電機(jī)） 驅(qū)動，帶動伸縮桿內(nèi)的滾珠絲杠和螺母運(yùn)動，使伸縮桿的長度發(fā)生變化。由于各伸縮桿（一般為6桿或3桿）的長度發(fā)生變化，使得動平臺的位姿發(fā)生變化，多個伸縮桿共同運(yùn)動，驅(qū)動動平臺實(shí)現(xiàn)上升、下降、翻轉(zhuǎn)等運(yùn)動，帶動銑削頭實(shí)現(xiàn)工作所需的各種運(yùn)動。各伸縮桿采用相互獨(dú)立的伺服驅(qū)動裝置驅(qū)動 。

2、開放式的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對于并聯(lián)運(yùn)動機(jī)床來說，其最大特點(diǎn)就是機(jī)械結(jié)構(gòu)非常簡單，而控制卻異常復(fù)雜。并聯(lián)運(yùn)動機(jī)床的控制系統(tǒng)必須采用開放式結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)外的開放式數(shù)控系統(tǒng)主要有如下3種結(jié)構(gòu)形式 。

2.1、專用CNC十PC型

即在傳統(tǒng)的非開放式的專用數(shù)控系統(tǒng)中嵌入機(jī)，使得整個系統(tǒng)可以共享一些計(jì)算機(jī)軟硬件資源 。部分完成系統(tǒng)管理等非實(shí)時控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)輔助編程、分析、監(jiān)控和編排工藝等功能；CNC部分負(fù)責(zé)完成插補(bǔ)計(jì)算、伺服控制以及I／O控制等一些實(shí)時控制任務(wù)。這種結(jié)構(gòu)形式的數(shù)控系統(tǒng)其開放性只在機(jī)部分，其專業(yè)的數(shù)控部分仍處于封閉狀態(tài)，不能實(shí)現(xiàn)CNC內(nèi)核的開放，此類結(jié)構(gòu)形式一般為主流數(shù)控系統(tǒng)廠商所采用。

2.2、 PC+運(yùn)動控制

卡這種基于開放式運(yùn)動控制卡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是以通用微機(jī)為平臺，以標(biāo)準(zhǔn)插件形式的開放式運(yùn)動控制卡為控制核心。通用PC機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序編輯 、人機(jī)界面管理、外部通信等功能，運(yùn)動控制卡負(fù)責(zé)機(jī)床的運(yùn)動控制和邏輯控制。它支持用戶的二次開發(fā)和自主擴(kuò)展，既具有PC機(jī)的開放性，又具有專用數(shù)控模塊的開放性，可以說它具有上、下兩級的開放性。

2.3、純PC型

即全軟件形式的PC機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是指的全部功能均由PC機(jī)進(jìn)行處理， 并通過裝在擴(kuò)展槽中的伺服接口卡對伺服驅(qū)動等進(jìn)行控制。其軟件的通用性好，編程處理靈活，但存在著操作系統(tǒng)的實(shí)時性、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題。目前這類系統(tǒng)正處于探索階段，還尚未形成產(chǎn)品，但它代表了數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。

如果著眼于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控并聯(lián)機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，選擇PC+運(yùn)動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)是當(dāng)前最為理想的。以PC機(jī)和運(yùn)動控制卡為控制系統(tǒng)核心，直接將系統(tǒng)平臺構(gòu)筑于PC機(jī)的軟硬件基礎(chǔ)之上，驅(qū)動元件為步進(jìn)電機(jī)，系統(tǒng)在Windows環(huán)境下用VC++ 語言實(shí)現(xiàn)，軟件的設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蟮姆椒ā?/p>

3、基于PCI總線的并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動控制卡設(shè)計(jì)

并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動控制卡通過控制機(jī)床各個驅(qū)動桿實(shí)現(xiàn)主軸的運(yùn)動，控制軸數(shù)較多，同時還要得到所要求的刀具運(yùn)動軌跡。要實(shí)現(xiàn)刀具的高速、高精度軌跡控制，運(yùn)動控制卡和PC機(jī)存在著大量的數(shù)據(jù)交互，傳統(tǒng)的方式是采用ISA總線進(jìn)行，由于ISA總線帶寬限制，數(shù)據(jù)傳輸速度慢，使PC機(jī)在數(shù)據(jù)傳輸方面花費(fèi)的時間較多，從而在其它方面的處理時間相對縮小。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制卡與PC機(jī)通信，能夠達(dá)到很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，使PC機(jī)的處理能力大大增強(qiáng)，從而保證了數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時性，并且使開發(fā)相應(yīng)的基于平臺的數(shù)控軟件更容易，和配套的其它軟件的接口更方便。

控制系統(tǒng)硬件組成圖見圖2。該系統(tǒng)采用的是公司的32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320VC33 。DSP芯片負(fù)責(zé)接受PCI局部總線的命令和參數(shù)，然后通過運(yùn)動控制算法完成對步進(jìn)電機(jī)的精確運(yùn)動控制，同時芯片還負(fù)責(zé)將反饋信息傳輸給PCI局部總線，并且控制系統(tǒng)外圍I／O模塊。DSP與PC機(jī)的通信通過橋接芯片CY7C09449PV實(shí)現(xiàn)。

3.1、CY7C09449PV與PC機(jī)的連接

總線是目前應(yīng)用最廣泛、最流行的一種高速同步總線，具有64位總線寬度，工作頻率33MHz，最大傳輸速率可以達(dá)到132Mb／s。它可將外設(shè)直接掛到主機(jī)CPU局部總線上并以CPU速度運(yùn)行，可以大大提高外設(shè)的運(yùn)行速度。DSP與PC機(jī)的通信通過連。CY7C09449PV是Cypress 公司提供的符合PCI2—2總線規(guī)范的功能完善、價格低廉的雙端口RAM 接口芯片。其中，一個端 口是PCI接口，適合與PC機(jī)通信；另一端口為本地接口。 它提供主／目標(biāo)接口， 可以同任何通用微處理器連接，片內(nèi)有128雙端口存儲器用于局部處理器與PCI總線數(shù)據(jù)共享。CY7C09449PV與PCI總線的連接見圖3 。

3.2PCI 總線開發(fā)方案的實(shí)現(xiàn)

專用芯片CY7C09449PV采用3.3V單電源供電，兼容3V和5V的PCI信號環(huán)境。電源可由PCI 槽引出，PCI 槽可以提供3.3 V、5V電壓，在PCI 槽需特別注意兩個引腳 P RS NT1 和，這兩個引腳接地和懸空的4種組合直接決定 PCI卡的功率。CY7C09449PV在使用時，某些引腳要加阻值為l kfI ～10kfl的下拉或上拉電阻。根據(jù)具體情況， 在該設(shè)計(jì)中， SCI 、S DA、AIE、／BE［ 2 ］ 、RDY —引腳加上拉電阻， TEST—MODE引腳加下拉電阻。

是TI公司新推出的系列新一代浮點(diǎn)DSP，它是在原來浮點(diǎn)DSP的基礎(chǔ)上開發(fā)的一個價格更低的版本，該產(chǎn)品以高速、低功耗、低成本、易于開發(fā)為顯著的特點(diǎn)。由于它采用了內(nèi)部1 。 8 V、外部。 3 V供電 ，因而功耗比原有型號降低了大約一個數(shù)量級，而且能支持高達(dá)150 ×10次／s的運(yùn)行速度，是需浮點(diǎn)運(yùn)算的便攜式產(chǎn)品中的一種理想的DSP器件 。

作為控制系統(tǒng)的核心， TMS320VC33主要完成實(shí)時中斷的伺服控制程序，包括對各種底層硬件的操作。它采用32 位局部總線接 口方式， 時鐘信號可以是單獨(dú)提供的時鐘源，也可以是 CY7C09449PV提供的 PCI 時鐘信號 PCI KOUT［20］ 中任意的一個。

4、結(jié)束語

并聯(lián)機(jī)床需要控制的軸數(shù)比較多，而且牽涉到并聯(lián)機(jī)構(gòu)的正逆解運(yùn)算，運(yùn)算量比較大，采用基于總線的運(yùn)動控制卡，整個數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)就由PC機(jī)和運(yùn)動控制卡來共同承擔(dān)，在開放式數(shù)控系統(tǒng)中能夠發(fā)揮出理想的運(yùn)動控制性能。隨著數(shù)控系統(tǒng)的普及和產(chǎn)品檔次的提高，這種運(yùn)動控制卡將會有廣泛的應(yīng)用前景 。

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