介紹了一種基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的開放體系電火花數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，給出了系統(tǒng)的軟、硬件的主要結(jié)構(gòu)和功能，并著重分析了DSP的任務(wù)、工作程序，通過速度、加速度前饋濾波實(shí)現(xiàn)了位置閉環(huán)和速度閉環(huán)，從而保證了系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能。最后給出了該數(shù)控系統(tǒng)成功用于TM735電火花機(jī)的數(shù)控改造實(shí)例。 1 引言 近年來，隨著LSI技術(shù)的發(fā)展國外一些大公司如德州儀器公司、AD公司推出一類新型的微處理器芯片數(shù)字信號(hào)處理器（Digtal Signal Processor——DSP），有的DSP除增加了芯片內(nèi)RAM的容量和片外尋址能力外，還增加了串/并口的數(shù)量和速度，增加了計(jì)數(shù)定時(shí)器、ADC、DAC等，其處理一條指令的時(shí)間提高到幾十納秒，數(shù)據(jù)吞吐能力高達(dá)數(shù)十MIPS以上，非常適用于大數(shù)據(jù)量的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。在國外DSP已廣泛應(yīng)用于通信、遙感、語音和圖象處理、電子測量、自動(dòng)控制和模式識(shí)別等領(lǐng)域；而我國DSP的應(yīng)用還處于起步階段。 在數(shù)控加工中，特別是在電火花數(shù)控加工中，要求數(shù)控系統(tǒng)在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)位置信號(hào)和加工間歇電壓信號(hào)進(jìn)行處理，電火花加工工藝非常復(fù)雜，采用DSP能夠?qū)崿F(xiàn)其工藝參數(shù)的快速調(diào)整，從而大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，因此，將DSP應(yīng)用于高性能電加工數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)不失為一種好的策略。目前真正能夠生產(chǎn)數(shù)控電火花機(jī)的廠家使用的多是德國西門子數(shù)控系統(tǒng)或臺(tái)灣生產(chǎn)的各種系統(tǒng)，這類產(chǎn)品在技術(shù)上已經(jīng)成熟，在器件上多采用32位RISC芯片，數(shù)字協(xié)處理器（Mathematical Coprocessor）及動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器等新技術(shù)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度和精度，但其采用的是非標(biāo)準(zhǔn)總線，開放性差。目前采用通用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，充分利用通用計(jì)算機(jī)具有豐富的軟硬件資源和便于隨通用計(jì)算機(jī)升級(jí)換代的優(yōu)勢，始終保持技術(shù)上的領(lǐng)先，發(fā)展前景很好，基于PC平臺(tái)的CNC系統(tǒng)已成為國際數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主流。 有鑒于此，本文在對(duì)開放式體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，直接應(yīng)用當(dāng)今微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新成果——美國德州儀器公司的DSP芯片TMS320C40，選擇合適的元器件和部件，通過減少元器件和部件的數(shù)量提高硬件的可靠性和兼容性；在軟件設(shè)計(jì)方面采用模塊化、開放式結(jié)構(gòu)，吸收各種有價(jià)值的應(yīng)用軟件，完善系統(tǒng)功能；成功地開發(fā)了一套基于DSP的開放式電火花數(shù)控系統(tǒng)并用于實(shí)際生產(chǎn)。這樣的系統(tǒng)兼容性好，維修、升級(jí)方便。 2 開放式的數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 本開放式體系結(jié)構(gòu)的核心是開發(fā)一塊具有STD/PCI04總線，并且自帶高速DSP芯片的開放式多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，與嵌入式PC主機(jī)構(gòu)成多處理器結(jié)構(gòu)，充分利用DSP具有高達(dá)數(shù)十MIPS的數(shù)據(jù)吞吐能力以及短至幾十納秒的指令周期，這些非常適合高速數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制的特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電火花加工間歇電壓采集、高速插補(bǔ)、計(jì)算等功能。 由于運(yùn)動(dòng)控制卡可完成空間直線、圓弧插補(bǔ)，從而大大減輕了主機(jī)負(fù)擔(dān)，同時(shí)系統(tǒng)中主機(jī)與DSP之間交換數(shù)據(jù)采用了雙口存儲(chǔ)器方式，解決了輸入/輸出通信瓶頸問題。由于使用了標(biāo)準(zhǔn)的工控機(jī)作為主機(jī)，從而使系統(tǒng)具有雙CPU結(jié)構(gòu)，主機(jī)（工業(yè)PC機(jī)）與DSP直接通過總線相聯(lián)，主機(jī)和DSP均可讀寫內(nèi)存。同時(shí)主機(jī)CPU也可直接讀寫I/O信號(hào)和讀取反饋信號(hào)。DSP采用50MHz的TMS320C40芯片，它具有多總線、多處理單元、流水線、硬件乘法器等結(jié)構(gòu)，使其具有了高速的數(shù)據(jù)處理和邏輯控制能力，能夠較好地完成較為復(fù)雜的控制算法。 控制系統(tǒng)可提供4軸閉環(huán)模擬電壓（±10V）伺服控制信號(hào)，8路光電隔離限位開關(guān)信號(hào)輸入，4路光電隔離原點(diǎn)開關(guān)信號(hào)輸入，16路光電隔離通用信號(hào)輸入，16路光電隔離通用信號(hào)輸出，8路12位A/D轉(zhuǎn)化，4路4倍頻光電編碼器反饋信號(hào)接口，編碼器輸人信號(hào)頻率最高可達(dá)8MHz，輸入輸出接口均使用光電隔離保護(hù)，以滿足工業(yè)環(huán)境的使用，圖1是數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡圖。 2.2 系統(tǒng)硬件工作原理分析 本控制系統(tǒng)中DSP通過STD或PCI04總線和計(jì)算機(jī)通信，主機(jī)千方面從各控制軸采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；另一方面，又根據(jù)工藝及數(shù)學(xué)模型運(yùn)算生成運(yùn)動(dòng)控制指令，通過雙口存儲(chǔ)器與DSP交換數(shù)據(jù)，DSP通過計(jì)算，將命令送達(dá)各軸伺服驅(qū)動(dòng)器，完成運(yùn)動(dòng)控制，加工出滿足工藝要求的合格產(chǎn)品。主CPU和DSP能直接訪問數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)快速通訊，運(yùn)動(dòng)控制卡不要求PC計(jì)算機(jī)任何時(shí)候都處于通訊狀態(tài)，只有在有信息傳送或命令運(yùn)行時(shí)，計(jì)算機(jī)才需要讀或?qū)憯?shù)據(jù)總線。而且任何運(yùn)動(dòng)命令均可暫存在DSP的內(nèi)存中等待執(zhí)行。這樣就便于采用標(biāo)準(zhǔn)化接口和通用軟件開發(fā)工具，靈活地進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，使系統(tǒng)具有開放性和通用性，并且通過以太網(wǎng)，可方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。 3 開放式的數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 3.1 DSP的任務(wù) DSP的首要任務(wù)是計(jì)算在一定時(shí)間段內(nèi)（一般為10ms左右，稱作分析周期）的加工間隙電壓的平均值．并根據(jù)此值判斷加工狀態(tài)是否正常，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電火花加工間隙電壓的控制。由于電火花加工過程不同于其它的機(jī)械加工，不存在切削力作用，而是依靠工具電極和工件之間的火花放電所引起的物理、化學(xué)變化不斷蝕除工件表層的過程。在工程實(shí)踐中一般采用一個(gè)檢測周期內(nèi)間隙電壓的平均值來判斷放電狀態(tài)，間隙電壓過大不能形成放電通道，不能加工；間隙電壓適中，正常加工；間隙電壓過小，造成短路燒毀工件。常用的方法是通過設(shè)置門欖電壓值Vref1、Vref2）、乙的方法，將放電狀態(tài)劃分為3個(gè)區(qū)域，即當(dāng)放電電壓值高于Vref1，時(shí)為開路；當(dāng)放電電壓值在Vref1和Vref2之間時(shí)為正常放電區(qū)域；當(dāng)放電電壓值低于Vref2。時(shí)為異常放電區(qū)域。對(duì)于門欖電壓值的設(shè)定傳統(tǒng)方法是給定經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，對(duì)電火花加工過程的控制是有其特殊性的，即不僅要控制進(jìn)給位移，而且要控制間隙電壓。由前所述間隙電壓的檢測值是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均值，這就導(dǎo)致實(shí)際上難以設(shè)置精確的門欖電壓值，對(duì)間隙電壓過大、適中和過小的判斷本質(zhì)上是一種模糊判斷，因而間隙電壓具有模糊集合的特征。采用模糊控制理論，通過總結(jié)操作人員對(duì)加工過程的操作和控制的經(jīng)驗(yàn)，用模糊條件語句構(gòu)成控制規(guī)則，采用極大極小合成運(yùn)算原理，從而得到一個(gè)模糊加工控制模型，根據(jù)加工間隙電壓和間隙電壓的變化率推斷出伺服電機(jī)的輸入電壓值，即生成一個(gè)模糊控制決策表，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速，使間隙電壓穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)。 DSP控制器的第二個(gè)任務(wù)是進(jìn)行位置控制，即在每個(gè)伺服周期內(nèi)運(yùn)行一個(gè)PID伺服控制算法。當(dāng)進(jìn)行位置控制時(shí)，DSP根據(jù)PC機(jī)傳過來的指令，在每個(gè)伺服周期內(nèi)，產(chǎn)生理論的位置、速度、加速度、加加速度，與根據(jù)碼盤反饋回來的信號(hào)而確定的位置、速度、加速度、加加速度進(jìn)行比較，從而進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID運(yùn)算的結(jié)果作為系統(tǒng)的輸出。在每個(gè)伺服周期內(nèi)中上述理論加加速度作用于理論加速度上，理論加速度作用于理論速度上，理論速度作用于理論位置上。這一新的理論位置這時(shí)被PID回路用來更新模擬電壓。最后，每次采樣，控制器檢驗(yàn)每軸的專用I/O口。如果某個(gè)傳感器被激活那么控制器就捕獲這一信息，并執(zhí)行預(yù)先設(shè)置好的對(duì)應(yīng)動(dòng)作。 3.2 DSP的工作流程及有關(guān)算法 主CPU使用硬件復(fù)位使DSP控制器復(fù)位。DSP復(fù)位后，執(zhí)行下面引導(dǎo)程序： （1）初始化所有的變量； （2）復(fù)位全部外設(shè)； （3）關(guān)閉所有的輸出（高阻抗）。 本系統(tǒng)采用了速度前饋、加速度前饋方式。在每一個(gè)采樣周期內(nèi)DSP連續(xù)執(zhí)行如圖2所示的程序。 讀當(dāng)前位置：編碼器；模擬輸入；并行輸入。 計(jì)算新軌跡： Tn=Tn-1+Fs （1） An=An-1+Fs＊Jn （2） Vn=Vn-1+Fs＊An （3） Xn=Xn-1+Fs＊Vn （4） 其中：Fs為采樣時(shí)間；Tn為采樣n開始時(shí)的時(shí)刻；Jn為采樣n的加加速度；Xn為采樣n的位移；Vn為采樣n的速度；An為采樣n的加速度。 事件檢查：限位開關(guān)；原位置傳感器；放大器故障；外部輸入;軟件限位；時(shí)間限制（軌跡計(jì)算）。 執(zhí)行事件：不反應(yīng);急停;停;新運(yùn)動(dòng)參數(shù)。 計(jì)算和設(shè)置控制輸出:PID參數(shù)及計(jì)算；用戶輸出口。 DSP控制器的PID算法： DSP控制器采用數(shù)字濾波技術(shù)由輸出誤差來決定輸出控制信號(hào)。如何計(jì)算輸出值是用6個(gè)參數(shù)來決定的。DSP運(yùn)用的PID算法如下： On=Kr（Kp＊En+Kd＊（En-En-1）+Ki＊Sn+Kv＊Vn+64＊Ka＊An）+Ko （5） 其中：Sn=Sn-1+En如果-Smax＜Sn＜Smax Sn=Smax如果Sn＞Smax Sn=-Smax如果Sn＜-Smax On為在采樣n的電動(dòng)機(jī)控制輸出；Kr為放大參數(shù)；Kp為比例增益；Kd為微分增益；Ki為積分增益；Kv為速度前項(xiàng)反饋；Ka為加速度前項(xiàng)反饋；Ko為靜態(tài)偏置；En為在采樣n內(nèi)的指令加速度乘以2的-6次冪；Z。為位置在采樣n內(nèi)的誤差；Vn為在采樣n內(nèi)的指令速度；Sn為積分誤差；Smax為最大積分誤差。 3.3 系統(tǒng)軟件描述 3.3.1 一級(jí)模塊功能描述 （1）初始化程序。在數(shù)控系統(tǒng)上電后自動(dòng)地對(duì)有關(guān)接口設(shè)置工作狀態(tài)、有關(guān)寄存器或存儲(chǔ)單元設(shè)置常數(shù)或清零。 （2）輸人數(shù)據(jù)處理程序。輸人數(shù)據(jù)一般指鍵盤或開關(guān)量輸入。輸人數(shù)據(jù)處理一般包括代碼轉(zhuǎn)換、刀具半徑偏移計(jì)算、開關(guān)功能分析等模塊。有些處理是在程序輸入過程中進(jìn)行的，這樣能夠減少加工過程中所要處理的數(shù)據(jù)量，從而提高加工速度。 （3）插補(bǔ)運(yùn)算程序。插補(bǔ)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)分配的功能。運(yùn)動(dòng)分配包括點(diǎn)位、直線以及曲線3個(gè)方面，由于計(jì)算機(jī)具有豐富的指令和相應(yīng)的算術(shù)子程序，會(huì)給插補(bǔ)帶來許多方便。插補(bǔ)程序中所用指令應(yīng)盡可能少，以提高插補(bǔ)速度和精度。 （4）速度控制程序。速度控制以控制插補(bǔ)頻率來實(shí)現(xiàn)F指令所給定的進(jìn)紿量。它可用兩種方法實(shí)現(xiàn)，一種用軟件方法實(shí)現(xiàn)，采用程序計(jì)數(shù)法；另一種用定時(shí)計(jì)數(shù)電路由外部時(shí)鐘計(jì)數(shù)運(yùn)用中斷方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)插補(bǔ)速度的控制。在速度控制程序中同時(shí)應(yīng)加入對(duì)間隙電壓的模糊控制策略和程序，從而既實(shí)現(xiàn)對(duì)速度和位移的控制，又實(shí)現(xiàn)對(duì)間隙電壓的控制，保證加工的正常進(jìn)行。 （5）系統(tǒng)管理程序。系統(tǒng)管理程序是實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件，輸入程序、數(shù)據(jù)處理程序以及其它NC的專用程序等均由它來管理。 （6）診斷程序。診斷程序可以在系統(tǒng)工作過程中，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，并能指示故障類型，或在維修中查找有關(guān)部件的工作狀態(tài)，判別其是否正常，對(duì)于不正常的部件給以顯示，便于維修人員及時(shí)處理。 其中1、2、5、6模塊在PC機(jī)上運(yùn)行，3、4程序模塊在DSP上運(yùn)行。 3.3.2 主要二級(jí)模塊的功能描述 （1）譯碼處理程序。由于輸入的指令都是加工工件過程的一個(gè)程序段，其中含有各種工件的輪廓信息（如起點(diǎn)、終點(diǎn)、直線和圓弧等）、加工速度信息（F代碼）和其它輔助加工信息（如M、S、T代碼等）。因此必須通過譯碼過程，將它們解釋成計(jì)算機(jī)可以理解的數(shù)據(jù)形式，并以一定的格式存放于指定的內(nèi)存專用區(qū)域中。在譯碼過程中，還應(yīng)完成對(duì)程序段的語法檢查，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，停止譯碼并報(bào)警。 （2）電極補(bǔ)償處理程序。電極補(bǔ)償包括電極半徑補(bǔ)償和電極長度補(bǔ)償（亦稱為電極損耗補(bǔ)償）。通常輸入的工件加工程序是以零件輪廓軌跡來編程，電極半徑補(bǔ)償?shù)淖饔镁褪前蚜慵喞畔⑥D(zhuǎn)化成電極中心軌跡，同時(shí)還應(yīng)包括程序段間的自動(dòng)轉(zhuǎn)接判斷。 （3）各顯示功能模塊。它們?yōu)椴僮髡咛峁┯押玫娜藱C(jī)界面。應(yīng)包括零件程序顯示、參數(shù)顯示、刀具位置顯示、機(jī)床狀態(tài)顯示以及加工過程中刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖形顯示。 4 應(yīng)用實(shí)例及結(jié)論 為了驗(yàn)證本文所述電火花數(shù)控系統(tǒng)的正確性和實(shí)用性，特采用此數(shù)控系統(tǒng)改裝南通威特機(jī)械有限公司生產(chǎn)的電火花成形機(jī)床TM735，并將此機(jī)床同日本Sodick—A50R數(shù)控電火花成形機(jī)床進(jìn)行加工對(duì)比。具體實(shí)驗(yàn)條件采用銅電極，鋁工件，工作液為煤油， 負(fù)極性加工。表1為所采用加工規(guī)準(zhǔn)及加工參數(shù)方案。表2為兩臺(tái)機(jī)床在相同加工條件下，加工同一零件所用時(shí)間對(duì)比表。 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采用本文所開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)所裝配的TM735機(jī)床的加工效率已經(jīng)接近甚至在某些加工條件下已經(jīng)超過進(jìn)口的同類機(jī)床。本文研制的基于DSP的開放式電火花數(shù)控系統(tǒng)，采用高速DSPTMS320C40作為運(yùn)動(dòng)控制的核心，其強(qiáng)大的運(yùn)算能力、極高的處理速度，使本控制系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性；嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡與PC主機(jī)構(gòu)成多處理器結(jié)構(gòu)，易于發(fā)揮PC平臺(tái)軟硬件資源豐富的優(yōu)勢，人機(jī)界面友好，操作簡單，運(yùn)行可靠。本系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)控機(jī)床進(jìn)一步向開放式、高速高精度、智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。 第二屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制企業(yè)論壇論文集 第三屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集