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(tǒng)因不依賴某個特定的硬件、軟件，可以優(yōu)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(yōu)點，已成為國際研究數控系統(tǒng)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(xiàn)了國外開放性數控的發(fā)展現(xiàn)狀[1].國內對開放式數控系統(tǒng)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(tǒng)中實現(xiàn)直接數字控制的方法主要是現(xiàn)場總線控制，基于現(xiàn)場總線的數控系統(tǒng)同樣需要在CNC上開發(fā)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(fā)難度大，開發(fā)成本較高，開發(fā)周期也較長,同時還需要伺服系統(tǒng)提供相應的現(xiàn)場總線接口[2].而且目前市場上多種現(xiàn)場總線并存，不同類型現(xiàn)場總線之間不能相互通信，很難滿足開放性數控系統(tǒng)的要求.本文以開放式數控系統(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng).

1 數控系統(tǒng)的硬件設計

1．1 數控系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，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(huán)控制等工作[4].

圖1 系統(tǒng)總體結構框圖

1．2 ARM模塊的設計

為了滿足數控系統(tǒng)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(tǒng)引導，系統(tǒng)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(fā)送.ARM處理器s3c2410是數控系統(tǒng)的主要硬件，RT-Linux操作系統(tǒng)運行在此硬件上.操作系統(tǒng)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(xiàn)場總線技術通過CAN總線控制器與DSP實現(xiàn)數據傳輸.

1．3 DSP模塊的設計

本開放式數控系統(tǒng)使用的核心處理器為TMS320F28335.TMS320F28335采用靜態(tài)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(tǒng)的核心硬件，本系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)實兩個伺服電機在同一時間啟動，完成機床兩軸聯(lián)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(xiàn)各外設控制.應用通用I/O模塊實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)以及用戶的應用程序等存放于FLASH儲存器[7].RT-Linux操作系統(tǒng)由BootLoader、RT-Linux內核、文件系統(tǒng)組成；用戶應用程序主要為數控系統(tǒng)部分模塊和人機界面軟件等[8].當數控系統(tǒng)運行時，其主要區(qū)域為內存，內存中包含系統(tǒng)及用戶數據以及系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)位置控制系統(tǒng)[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(tài).本系統(tǒng)用一個MCT8000F8同時控制5個電機，實現(xiàn)五軸聯(lián)動加工.

圖2 交流伺服電機的控制圖

2 數控系統(tǒng)的軟件設計

本系統(tǒng)使用DSP核心控制器加上ARM處理器，實現(xiàn)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(tǒng)的運行速度.將數控系統(tǒng)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(tǒng)，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(huán)境可以運行實時要求高及運算量大的任務[10].

整個系統(tǒng)的軟件部分是以Visual C++6.0為開發(fā)工具，采用了面向對象和模塊化的思想進行開發(fā)，主要分為五大模塊：參數設置、運行模式、狀態(tài)顯示、狀態(tài)控制、系統(tǒng)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(tài)顯示模塊包括運行狀態(tài)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(tài)(位置、速度、I/O量等)及調整后的參數實時顯示[13].狀態(tài)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(zhí)行部件發(fā)送控制指令.系統(tǒng)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(xié)調，組成一個完整的運動控制系統(tǒng)[14].

該系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)設計的實現(xiàn)

3．1 數控系統(tǒng)應用界面介紹

(1)主操作界面

該系統(tǒng)主操作界面中包括標題欄、菜單欄、工具欄、軌跡跟蹤區(qū)、代碼跟蹤區(qū)、坐標跟蹤區(qū)、速度調節(jié)區(qū)、轉速調節(jié)區(qū)、狀態(tài)顯示區(qū)、手動控制區(qū)和系統(tǒng)狀態(tài)欄.系統(tǒng)正常啟動后，出現(xiàn)如圖4所示的系統(tǒng)主操作界面，此時用戶即可進行各項正常操作.

圖4 系統(tǒng)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(tǒng)參數.點擊主操作界面上的“工具”以及“設置系統(tǒng)參數”菜單項，系統(tǒng)將彈出“系統(tǒng)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(tǒng)參數設置

3．2 數控系統(tǒng)應用測試

將該數控系統(tǒng)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(tǒng)如圖6、圖7所示.

圖6 數控系統(tǒng)測試平臺1

圖7 數控系統(tǒng)測試平臺2

整個數控系統(tǒng)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(fā)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(guī)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(tài).

(6)DSP接受數控代碼，向電機控制板、電液伺服閥發(fā)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(fā)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(tài)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(xiàn)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(tài)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(wěn).

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(tǒng)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(tǒng)中可以集成、固化多種伺服控制核，實現(xiàn)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(xiàn)數控系統(tǒng)與人交互功能；通過監(jiān)控終端實現(xiàn)對數控機床狀態(tài)實時監(jiān)控，及時了解各數控機床生產加工過程以及機床狀態(tài)，實現(xiàn)預知維修，及早發(fā)現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)軟運動控制器全數字化的實現(xiàn)[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(tǒng)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(tǒng)開發(fā)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(fā)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)[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(tǒng)故障診斷與電氣調試[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2012：1-10．

[12] 徐斌．基于運動控制卡的機械手控制系統(tǒng)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(tǒng)移植研究與實現(xiàn)[J]．物聯(lián)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(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]．計算機測量與控制，2012,20(13)：3 249-3 252．