碩士學(xué)位論文-基于DSP的數(shù)控銑床刀補(bǔ)控制研究.pdf

武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文基于DSP的數(shù)控銑床刀補(bǔ)控制研究姓名：鄧忠申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：通信與信息系統(tǒng)指導(dǎo)教師：信思金20090501武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，數(shù)控機(jī)床的使用越來越普遍，發(fā)展數(shù)控技術(shù)是當(dāng)前機(jī)械制造行業(yè)技術(shù)改造、技術(shù)更新的必由之路。嵌入式系統(tǒng)是一種軟、硬件可裁減的系統(tǒng)，它可按照不同的加工需要而定制不同的系統(tǒng)。采用高性能、低價格的數(shù)字信號處理，作為控制內(nèi)核，它為數(shù)控機(jī)床的設(shè)計提供了更好性能和更低價格的方案。用這一類運(yùn)動控制DSP芯片開發(fā)的數(shù)字控制系統(tǒng)在控制算法的更新和控制結(jié)構(gòu)的改變方面具有很大的靈活性，往往只需要對控制軟件做調(diào)整即可。因DSP的計算速度的優(yōu)勢，使系統(tǒng)的控制品質(zhì)大幅度提高，利用高速DSP實(shí)時運(yùn)算復(fù)雜控制算法，實(shí)現(xiàn)高精度多軸伺服控制已成為21世紀(jì)運(yùn)動控制技術(shù)發(fā)展的方向。本文分析了國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，討論了嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性，比較了采用基于DSP的數(shù)控系統(tǒng)和采用基于計算機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)的性能，分析了DSP數(shù)控系統(tǒng)的硬件環(huán)境和主要功模塊，對刀具補(bǔ)償算法進(jìn)行了詳細(xì)深入的整理和研究，并應(yīng)用刀具半徑補(bǔ)償算法在基于DSP的數(shù)控系統(tǒng)中，加工出了實(shí)物。數(shù)控系統(tǒng)中刀具補(bǔ)償加工工藝模塊是數(shù)控系統(tǒng)軟件中一個重要的功能模塊。它負(fù)責(zé)加工過程中刀具軌跡的的規(guī)劃、刀具幾何參數(shù)的補(bǔ)償以及加工邏輯的設(shè)計。刀具補(bǔ)償處理是插補(bǔ)前必須完成的一項(xiàng)預(yù)備處理工作。通過刀具補(bǔ)償將被加工零件的輪廓軌跡轉(zhuǎn)換為刀具中心軌跡。刀具補(bǔ)償又分為刀具長度補(bǔ)償、夾具偏置補(bǔ)償和刀具半徑補(bǔ)償，本文對刀具補(bǔ)償算法討論的重點(diǎn)是基于刀具半徑補(bǔ)償。刀具半徑補(bǔ)償又分為B算法和C算法，B算法雖然較易實(shí)現(xiàn)，但其轉(zhuǎn)接角的處理過于簡單，會導(dǎo)致工件加工質(zhì)量偏低難以達(dá)到設(shè)計者的要求，C算法雖然實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜但在轉(zhuǎn)接角問題上，處理豐富，加工出的工件更符合設(shè)計者的要求。本文研究了基于C刀補(bǔ)的二維和三維刀具半徑補(bǔ)償算法，并應(yīng)用于基于TI公司的DSP芯片TMS320F2812的三軸數(shù)控銑床系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定圖形的加工。加工的實(shí)物基本滿足預(yù)期的目標(biāo)。關(guān)鍵字：數(shù)控機(jī)床，刀具補(bǔ)償，DSP武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology，theuseofNCmachinetoolsaremoreandmorecommonthedevelopmentofNCtechnologyistheonlywaytomachinerymanufacturingindustryEmbeddedsystemisasoftwareandhardwaresystemthatCanbetrimmed，itCanbeprocessedinaccordance謝mthedifferentneedsofdifferentsystemsHighperance，low-costDSPaSthecontrolcore，itdesignforNCmachinetools、ithbetterperanceandlowerpriceUsingthistypeofDSPinthecontrolofdigitalcontrolsystemandalgorithmtoupdateandthechangesinthestructurehavealotofflexibilityoftenonlytomakeadjustmentsonsoftwarenecessaryAstheadvantagesofspeedofDSPimprovethequalityofNCsystemUsinghi曲一speedDSPrealtimecontrolalgorithmstoachievehigh-precisionmulti-axisservocontrolhasbecometrendofthe21stcenturyInthepapertheauthoranalyzestheNCsystemathomeandabroadofthestatusandtrendsofdevelopment，discussingtheflexibilityandstabilityofembeddedNCsystem，comparingtheuseoftheNCsystembasedonDSPandtheuseofCNCsysteminperance，analyzingthehardwareenvironmentoftheDSPNCsystemandthemainreactivemodule，studyingthecompensationalgorithmofthetoolindetailandapplyingthetoolradiuscompensationaigorithmintheNCsystembasedonDSPandworkingoutsamplesNCtoolcompensationprocessingCNCsoftwaremoduleisanimportantfunction，whichreferstothetoolpathplanning，toolgeometryandprocessingparametersofthecompensationlogicdesignToolcompensationisajobpreparationbeforeinterpolationCompensationthroughthecuttercompensationwillchangeoutlinetocuttercenterpathToolcompensationisdividedintotoollengthcompensation，fixtureoffsetcompensationandtoolradiuscompensation，toolcompensationalgorithminthisarticleismainlybasedonthetoolradiuscompensationToolradiuscompensationalgorithmisdividedintoBandCalgorithm，Balgorithmiseasiertoachieve，buttheswitchingangleishardtodeal謝m，leadingtolowqualityoftheworkpieceanditisdifficulttoachievethe武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文requirementsofdesigners，CalgorithmismorecomplicatedtoachievebutswitchingangleisrichtheworkpieceismoretomeettherequirementsofthedesignerThispaperiSmainlybasedontheCcuttercompensationofthetwodimensionalandthreedimensionaltoolradiuscompensationalgorithm，andappliedtoDSPbasedonTIsTMS320F2812chipthree-axisCNCmillingmachinesystemtoachievethetargetofprocessinggraphicsBasicallymeettheneedsofthephysicalprocessingofthetargetssetKeywords：MachineTool，CuRerCompensation，DSP獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。簽名：壘垂虛乏日期：塑2：竺：乙學(xué)位論文使用授權(quán)書本人完全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)武漢理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存或匯編本學(xué)位論文。同時授權(quán)經(jīng)武漢理工大學(xué)認(rèn)可的國家有關(guān)機(jī)構(gòu)或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學(xué)位論文，并向社會公眾提供信息服務(wù)。(保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定)研究生(簽名)：研移導(dǎo)師(簽名)：售龜日期紗7廠乞L武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論11課題研究背景及意義111課題的研究背景本課題來源于國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：50675166)：基于資源的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字控制新理論及關(guān)鍵技術(shù)研究。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械制造技術(shù)也發(fā)生了深刻的變化。傳統(tǒng)的普通加工設(shè)備已難以適應(yīng)市場對產(chǎn)品多樣化的要求，難以適應(yīng)市場的高效率、高質(zhì)量的要求。而以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，構(gòu)成了高度信息化、高度柔性、高度自動化的制造系統(tǒng)【11。數(shù)控技術(shù)是機(jī)械制造、機(jī)器人、柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)乃至計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(cMis)和無人自動工廠ffA)等高新技術(shù)的基礎(chǔ)，是用計算機(jī)控制機(jī)械制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高度自動化的橋梁。發(fā)展數(shù)控技術(shù)是當(dāng)前機(jī)械制造行業(yè)技術(shù)改造、技術(shù)更新的必由之路。目前，在世界著名企業(yè)中，數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)設(shè)備中的比例不斷提高，如美國波音公司中的數(shù)控機(jī)床達(dá)到約90，GE公司達(dá)到約80，日本在1990年的時候，機(jī)床的數(shù)控化率已經(jīng)為80。我國是一個機(jī)床生產(chǎn)和應(yīng)用的大國，雖然目前研究和使用數(shù)控技術(shù)的研究院校和企業(yè)不少，并取得了長足的進(jìn)步，但與世界上發(fā)達(dá)國家相比，差距仍然很大，數(shù)控技術(shù)的研究應(yīng)用水平還很低。這些都嚴(yán)重制約著我國制造水平的提高。高性能的數(shù)控設(shè)備依賴進(jìn)口，不僅代價昂貴而且受到技術(shù)限制，有時因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)和認(rèn)識上的不足，還會受到很大的損失。所以發(fā)展民族數(shù)控事業(yè)，是迫在眉睫的大事。國家在近幾個“五年計劃”中，都把數(shù)控技術(shù)的研究列為重中之重。我國正處于工業(yè)化的初步階段，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，數(shù)控機(jī)床(NCM)使用越來越普遍。如果開發(fā)設(shè)計和研制高可靠性、高精度、高效率以及使用方便的新一代數(shù)控機(jī)床(NCM)，在條件各異的各種使用環(huán)境中，均能正常可靠運(yùn)行，對提高加工產(chǎn)品的質(zhì)量、效率以及提高經(jīng)濟(jì)效益都具有重大的意義；武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文而提高新一代NCM性能的關(guān)鍵就是設(shè)計性能優(yōu)異的控制系統(tǒng)。因此，智能化機(jī)床數(shù)字控制系統(tǒng)的研究，以提高傳統(tǒng)普通機(jī)床的加工精度、可靠性和使用效率，進(jìn)而提高機(jī)械加工水平，提升機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量，就具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義，值得我們花時間和精力去研究。112課題的研究目的、意義數(shù)控系統(tǒng)是現(xiàn)化制造業(yè)的核心技術(shù)，是衡量一個國家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。我國是一個制造業(yè)大國，但數(shù)控技術(shù)的水平還不是很高，跟歐美、日本還有很大的差距，這嚴(yán)重制約著我國制造業(yè)水平的提高。以PC機(jī)作為基礎(chǔ)的CNC，為我國的CNC開發(fā)和應(yīng)用帶來了新的機(jī)遇，使得我國數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)商有了一個趕上世界數(shù)控技術(shù)發(fā)展潮流的機(jī)遇。然而，在我國蓬勃發(fā)展的基于PC的數(shù)控系統(tǒng)也有著不足之處。由于PC的體積限制，基于PC的數(shù)控系統(tǒng)不能夠裝入體積嚴(yán)格要求的微型或小型系統(tǒng)內(nèi)。另外，基于PC的CNC往往功能強(qiáng)大，相對一些功能要求單一的簡單系統(tǒng)，就顯得有些大材小用，且成本過高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較低。因此，目前國內(nèi)中小型的數(shù)控系統(tǒng)多采用816位單片機(jī)系統(tǒng)，其內(nèi)部資源有限，一般需要擴(kuò)展資源且較多采用匯編編程，沒有操作系統(tǒng)在其上運(yùn)行，程序的修改、升級和維護(hù)比較困難，并且人機(jī)界面及網(wǎng)絡(luò)功能不是很完善。而嵌入式系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，正好解決了這些問題。嵌入式系統(tǒng)為數(shù)控技術(shù)提供了一種靈活方便的，能夠嵌入在工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部，在工業(yè)極端環(huán)境里能夠連續(xù)長期穩(wěn)定可靠工作的微小型廉價的控制系統(tǒng)。目前，嵌入式系統(tǒng)的研究與應(yīng)用已經(jīng)成為一個新的潮流，也成為了中小型機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。刀具在使用過程中不可避免地會存在刀具磨損，使得其半徑和長度會發(fā)生改變。刀具補(bǔ)償功能的主要作用就在于簡化用戶的編程負(fù)擔(dān)，即在編制程序時可以只按零件輪廓進(jìn)行編制。然而由于基于PC的數(shù)控系統(tǒng)存在的種種弊端使得整個數(shù)控系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用受到了很大的限制，在采用DSP處理器做控制芯片，可以利用其特殊的硬件結(jié)構(gòu)和特殊的DSP指令解決乘除運(yùn)算的速度問題，能夠取得良好的效果。而解決了速度上的瓶頸問題，對于數(shù)控系統(tǒng)的研究發(fā)展，有特殊的重要意義。本課題研究基于嵌入式處理器的數(shù)控系統(tǒng)，是低成本、高性能數(shù)控系統(tǒng)研究的一種新的嘗試。2武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文12相關(guān)領(lǐng)域國內(nèi)外研究現(xiàn)狀121國內(nèi)研究現(xiàn)狀目前基手DSP技術(shù)的運(yùn)動控制器一類的產(chǎn)品在國內(nèi)應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場中的還相當(dāng)少，大部分還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。作為本課題所研究的DSP運(yùn)動控制器的直接表現(xiàn)形式數(shù)控機(jī)床計算機(jī)數(shù)控部分國內(nèi)現(xiàn)狀為：數(shù)控技術(shù)與裝備基本上是“洋貨”一統(tǒng)天下，盡管我國機(jī)床產(chǎn)量位居世界前5名之列，而檔次卻居二、三流地位，作為數(shù)控機(jī)床的核心部件數(shù)控系統(tǒng)不得不依靠進(jìn)口【21。特別是中高檔數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)基本上是被國外廠家所壟斷，國外五軸以上聯(lián)動的高端數(shù)控系統(tǒng)則限制對中國出口。從數(shù)控機(jī)床的整體來看，無論是可靠性、精度、生產(chǎn)效率和自動化程度，我國與世界工業(yè)化國家相比還存在不小的差距，但這種差距正在縮小。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、企業(yè)設(shè)備改造和技術(shù)更新的深入開展，各行業(yè)對數(shù)控機(jī)床的需求量將大幅度增加，這將有力促進(jìn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。122國外研究現(xiàn)狀發(fā)達(dá)國家對DSP運(yùn)動控制技術(shù)的研究與應(yīng)用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于我國。目前發(fā)達(dá)國家所產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的精度要比我國高一個數(shù)量級以上，且早已采用了DSP數(shù)控技術(shù)。國內(nèi)市場上中高檔數(shù)控機(jī)床所配數(shù)控系統(tǒng)幾乎被進(jìn)口產(chǎn)品所壟斷。1995年，Matsui，N研究了基于DSP常規(guī)的速度、位置控制，還引入了自適應(yīng)控制、系統(tǒng)參數(shù)在線辯識技術(shù)【31；1995年，Kolek，k提出了一種基于總線技術(shù)的浮點(diǎn)DSP(TMS320C31)控制器【4】，該控制器增強(qiáng)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)計算與處理的速度及控制的精度；1996年，Hager，GJ研究了應(yīng)用3264位浮點(diǎn)DSP及PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動控制器【51；1997年，Larsen，GCetinkunt為了補(bǔ)償對鉆石精整加工過程中由于機(jī)械軸摩擦力造成的影響，提出了一種基于小腦模型關(guān)節(jié)控制器(CMAC)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)伺服控制系統(tǒng)，并在DSP板上給以實(shí)現(xiàn)【6】；1997年，Han，SH提出一種用于機(jī)器人操縱器的實(shí)時補(bǔ)償、自適應(yīng)算法的DSP控制器【7】；1998年，Style，AWDiana，G開發(fā)了一種基于MathworksSimulinkRealtimeworkshop(RTW)的PCDSP主從式系統(tǒng)，用于運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計、仿真及實(shí)時控制器【8】；1999年，Brandstatter，W介紹武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文了一種基于DSP的用于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的方法，為避免電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動該系統(tǒng)包含了PI電流控制和控制策略補(bǔ)償?shù)取?1；1999年，Moynihan，JF介紹了以DSPADMC40l作為專門的處理單元，用于高精度計算來自位置、速度傳感器的信號以及行使必要的補(bǔ)償和插補(bǔ)運(yùn)算功能的典型應(yīng)用【l01。1999年，GukChanI-Ian介紹了一種基于預(yù)估插補(bǔ)技術(shù)的高速加工算法，用于加工由CADC伽系統(tǒng)獲得的3D曲面。最后通過韓國三星公司的數(shù)控系統(tǒng)加以驗(yàn)證了該算法的高效性。該CNCS由一個通用64位主處理器和一個32位浮點(diǎn)DSP從處理器(運(yùn)動控制用CPU)構(gòu)成【111。13本文的主要工作本論文緊密圍繞“基于DSP的數(shù)控銑床刀補(bǔ)控制研究”此中心任務(wù)開展了全面和系統(tǒng)的工作。首先，論文的第二章分析了基于DSP數(shù)控銑床系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和主要功能模塊，對基于DSP的數(shù)控系統(tǒng)和基于計算機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)的性能進(jìn)行了比較。然后，在第三、四章中對二維和三維刀具補(bǔ)償算法進(jìn)行了深入的整理和研究，并應(yīng)用于三軸數(shù)控銑床系統(tǒng)的加工中，加工出預(yù)先設(shè)計的圖形。最后，第五章對全文進(jìn)行了總結(jié)和展望，就基于嵌入式的數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)提出自己的觀點(diǎn)和想法。4武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章基于DSP數(shù)控銑床系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分析21嵌入式與PC性能比較PC機(jī)系統(tǒng)冗余，體積龐大，穩(wěn)定性較差適合應(yīng)用在對穩(wěn)定性要求不高的場合。嵌入式系統(tǒng)軟、硬件可裁減，體積小，穩(wěn)定性好可以應(yīng)用在各種對性能要求較高的場合。PC機(jī)采用的是馮諾依曼結(jié)構(gòu)，程序空間和數(shù)據(jù)空間不獨(dú)立，由于取指令和存取數(shù)據(jù)要從同一個存儲空間存取，經(jīng)由同一總線傳輸屬于串行執(zhí)行，因而它們無法重疊執(zhí)行，只有一個完成后再進(jìn)行下一個，這使得其實(shí)時性大打折扣。嵌入式系統(tǒng)特別是嵌入式DSP系統(tǒng)采用的是哈佛結(jié)構(gòu)，哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)。中央處理器首先到程序指令存儲器中讀取程序指令內(nèi)容，解碼後得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步的操作(通常是執(zhí)行)。程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度，哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。其程序指令和數(shù)據(jù)指令分開組織和存儲的，執(zhí)行時可以預(yù)先讀取下一條指令。在嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)實(shí)時應(yīng)用程序使程序的設(shè)計和擴(kuò)展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能。通過將應(yīng)用程序分割成若干獨(dú)立的任務(wù)模塊，使應(yīng)用程序的設(shè)計過程大為簡化；而且對實(shí)時性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通過有效的系統(tǒng)服務(wù)，嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利用。數(shù)字信號處理(DigitalSignalProcessing)和數(shù)字信號處理器(DigitalSignalProcessor)的簡稱都是DSP，然而其內(nèi)涵卻不同。數(shù)字信號處理是指將模擬信號通過采集進(jìn)行數(shù)字化后的信號進(jìn)行分析、處理，它側(cè)重于理論、算法及軟件實(shí)現(xiàn)。數(shù)字信號處理有一些典型算法，如最常見的快速付立葉變換(FFT)算法。要實(shí)現(xiàn)這些算法，特別是要實(shí)時地完成某些算法就需要有特殊的硬件支持，這就是數(shù)字信號處理器。由于DSP的良好性能非常適用于大數(shù)據(jù)量的高速采集及實(shí)時信號處理和實(shí)時控制系統(tǒng)，其應(yīng)用也從開始的專門數(shù)字信號處理、數(shù)字濾波等發(fā)展到于通信、計算機(jī)、遙感、語音和圖像處理、電子測量、工業(yè)控制和儀武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文器儀表等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)是許多產(chǎn)品中不可或缺的基礎(chǔ)器件，并成為集成電路中繼微處理器(CPU)和微控N器(MCt0之后，又一個引人注目的產(chǎn)品。為了滿足不同層次的需要，DSP也朝著兩個方向分化一種是專用型，即一種芯片僅完成一種算法，這類器件多出現(xiàn)在工業(yè)及消費(fèi)類電子行業(yè)。比如VCD機(jī)的處理核心就是一組DSP芯片，它們完成的功能就是解碼。另一種是通用型，這類芯片具有較豐富的硬件接口和很強(qiáng)的可編程性，適用于開發(fā)和研究。通過以上比較和分析，可以看出基于DSP的數(shù)控系統(tǒng)比起基于計算機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)有著非常明顯的優(yōu)勢。22硬件工作環(huán)境組成圖21工作環(huán)境組成圖卜1為本課題的工作平臺組成框圖，由圖可知它主要包括三大部分：執(zhí)行部分、信號反饋部分、控制部分。其中執(zhí)行部分采用的是華中數(shù)控四紀(jì)星銑床(刪C2122M)，該銑床具有X、Y、Z三軸另有一轉(zhuǎn)動軸，可以對平面的和空間的圖形進(jìn)行加工。信號反饋部分采用的是基于單片機(jī)8051的IO板，8051單片機(jī)具有豐富的外圍IO口，可以方便對外界信號進(jìn)行采集以及對外圍設(shè)備進(jìn)行控制，通過8051我們可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)床超程信號的捕捉以及實(shí)現(xiàn)了對機(jī)床轉(zhuǎn)動6武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向的控制?？刂撇糠植捎玫氖腔赥I公司的工業(yè)控制芯片TMS320F2812的PWM脈沖發(fā)生控制板，該控制板主要包含一個PWM輸出接口，一個以太網(wǎng)接入口，一個串口等，通過此控制板我們可以很方便的實(shí)現(xiàn)PWM的輸出、串口通信及以太口通信等。23主要芯片及功能塊231TM$320F2812TMS320F2812(F2812)是TI公司的一款用于控制的高性能，多功能，高性價比的32位定點(diǎn)DSP芯片。它既具有數(shù)字信號處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合，如工業(yè)自動化控制、電力電子技術(shù)應(yīng)用、智能化儀器儀表及電機(jī)、馬達(dá)伺服控制系統(tǒng)等。該芯片兼容TMS320LF2407指令系統(tǒng)，最高可以150MHz主頻下工作，并帶有18K16位0等待周期片上SRAM和128K16位片上FLASH。其片上外設(shè)主要包括28路12位ADC，2路SCI，1路SPI，1路MCBSP，l路ECAN等，并帶有兩個事件管理模塊(EVA，EVB)，分別包括6路PWMCMP，2路QEP，3路CAP，2路16位定時器(或T)(PWM廠rxCMP)。另外，該器件還有3個獨(dú)立的32位CPU定時器，以及多達(dá)56個獨(dú)立編程的GPIO引腳，可外擴(kuò)大于1M宰16位程序和數(shù)據(jù)存儲器。TMS320F2812采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有密碼保護(hù)機(jī)制可進(jìn)行雙1616乘加和3232乘加運(yùn)算，因而可兼顧控制和快速運(yùn)算的雙重功能112J。TMS320F2812的片上外設(shè)按輸入時鐘可分為如下4個組：(1)SYSOUTCLK組：包括CPU定時器和eCAN總線，可由PLLCR寄存器動態(tài)地修改；(2)SCCLK組：主要是看門狗電路，由WDCR寄存器設(shè)置分頻系數(shù)；(3)低速組：有SCI，SPI，MCBSP可由LOSPCP寄存器設(shè)置分頻系數(shù)；(4)高速組：包括EVAB，ADC，可由HISPCP寄存器設(shè)置分頻系數(shù)。為了使系統(tǒng)具有較快的工作速度，除了定時器和SCI等少數(shù)需要低速時鐘的地方，其它外設(shè)均可以150MHz時鐘工作。7武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文一一一F2812MemoryM筇o叮J100X0000000X000r7匿M0，1旺1SARAMtogandData)宰，0 x0008000 x000婦匝PeripheralFrame0口F0)(Dataoray)帥0 x0020000X003髓m曬ZONE0口rogandDa啪車，0 x0040000X005臌汀巧ZONE1四rogandDa啪M呶0060000 x006趕PeripheralFrame1四F1)ataomy)牟燦0X00r70000X00r7臌Peripheral1：tame2四F2)(Dataonly)帥0X0080000 x009髓L0幾1SARAMfProgandData)帕0 x080000OxO骶XDfrFZONE2(ProgandData)礬0 x1000000 x17暇mZONE6fProgandD扯a)o0 x3cr78000 x3cr7肚OTP口togandData)豐加0 x3d80000 x3f7髓FLASH(ProgandData)o0 x3f80000 x3f9髓H0SARA奎壓(ProgandData)帥0 x3fc0000 x3讎XDn下ZoNE7(弛田NMC=1)口rogandData)豐如0 x3丘D000jc3麟Bo。-工ROMN1C劬(1rogandData)宰厶圖2-2F2812內(nèi)存分布圖22所示是TMS320F2812的內(nèi)部存儲空間映射圖【l3。其中Oxl000000 x17fl丑用于RAM空間方便程序的調(diào)試。FLASH區(qū)用于將程序固化在DSP芯片內(nèi)。TMS320F2812為哈佛結(jié)構(gòu)的DSP，即在同一個時鐘周期內(nèi)可同時進(jìn)行一次取指令、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)的操作。在邏輯上有4M16位程序空間和4M16位數(shù)據(jù)空間，但物理上已將程序空間和數(shù)據(jù)空間統(tǒng)一為一個4M16位的存儲空間，各總線按優(yōu)先級由高到低的順序?yàn)椋簲?shù)據(jù)寫，程序?qū)?，?shù)據(jù)讀，程序讀。為了盡可能提高器件的工作速度，在對FLASH寄存器編程使其在較高速度下工作的同時，可將時間要求比較嚴(yán)格的程序，變量各堆棧空間搬移到H0，L0，L1，M0，M1空間來運(yùn)行。TMS320F2812系列DSP片上都有非常豐富的外設(shè)，每個片上外設(shè)均可產(chǎn)生1個或多個中斷請求。中斷由兩級組成，其中一級是PIE中斷，另一級是CPU中斷。CPU中斷有32個中斷源，包括RESETNMI，EMUINTILLEGL，12個用戶定義的軟件中斷USERlUSERl2和16個可屏蔽中斷(INTlINTl4，RTOSINT和DLOG玳T)。所有軟件中斷均屬于非屏蔽中斷。由于CPU沒有足夠的中斷源來管理所有的片上外設(shè)中斷請求，所以在TMS320F2812中設(shè)置了一個外設(shè)中斷擴(kuò)展控制器(Pm)來管理片上外設(shè)和外部引腳引起的中斷請求。PIE中斷共有96個，被分為12個組，每組內(nèi)有8個片上外設(shè)中斷請求，96個片上外設(shè)中斷請求信號可記為INTxy(x=l，2，：，12；y=l，2，8)。每個組輸出一個中斷請求信號給CPU，即PIE的輸出INTx對應(yīng)CPU中斷輸入的AAAAAAAAAAAA風(fēng)AAAA武漢瑾工大學(xué)碩士學(xué)位論文INTl一INTl2。TMS320F2812的96令可能的PIE中斷源中有45個被利用，其余的被保留作以后的DSP器件使用。用定點(diǎn)芯片實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)算的關(guān)鍵是用整數(shù)取代浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行處理。用C編譯器時，為產(chǎn)生最優(yōu)化代碼，應(yīng)遵循以下原則【鬈：(1)將除法轉(zhuǎn)換為乘法，盡量使編譯器產(chǎn)生MAC指令以充分利用DSP的硬件乘法器資源進(jìn)行快速運(yùn)算，且應(yīng)使MAC的操作數(shù)為局部變量以分配到寄存器中。(2)盡可能餿用靜態(tài)直接插入函數(shù)，以節(jié)省蘧數(shù)調(diào)用的額外開銷。(3)對FOR循環(huán)的上限使用常數(shù)或具有常數(shù)屬性的變量可產(chǎn)生重復(fù)指令R。PT232PWMTMS320F2812作為一種運(yùn)動控制芯片廣泛應(yīng)用在控制領(lǐng)域，它的每一個通用定時器都含有一個計數(shù)器和三個寄器，分別為比較寄存器，周期寄存器和控制寄存器瓣弱?？刂萍拇嫫饔糜诙〞r器的工作模式設(shè)置和運(yùn)行控制，通過配置控制寄存器，定時器采用連續(xù)增計數(shù)模式比較輸出采用高有效方式，工作開始比較輸出零|腳力低電乎，計數(shù)器從0開始，對輸入的時鐘脈沖進(jìn)行增量計數(shù)，當(dāng)讀數(shù)值達(dá)到比較寄存器的值時，輸出信號發(fā)生跳變，當(dāng)達(dá)到周期寄存器的值時，計數(shù)器的計數(shù)值良動回零并重新開始讀數(shù)，同時輸出信號返回低電平，如此循環(huán)往復(fù)便產(chǎn)生了一系列連續(xù)的脈沖信號如圖扣-3所示。CrDpDeO比較輸出ir廠幾rr圖-3PWM產(chǎn)生波形示意9武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文顯然，在時鐘頻率固定的情況下，輸出脈沖的頻率取決于周期寄存器的值Dp，而輸出脈沖的占空比決定于比較寄存器的值Dc。設(shè)定時器的時鐘頻率為fcll(，那么輸出脈沖的頻率fout與周期寄存器的數(shù)值Dp之間的關(guān)系為fout=fclkDp，所以通過控制周期寄存器的數(shù)值Dp，就可以控制輸出脈沖的頻率fout，將這些脈沖輸入到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，配合方向信號，可以控制步進(jìn)電機(jī)按照期望的速度運(yùn)行，通過控制輸出脈沖的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)位移量的控制。再根據(jù)輸出脈沖頻率與周期寄存器的數(shù)值及定時器時鐘頻率的關(guān)系便可以將脈沖數(shù)與位移聯(lián)系起來，剩下的便是采用插補(bǔ)算法將產(chǎn)生的PWM用于運(yùn)動控制了。233RTL8019AS圖2-4RTL8019AS引腳圖10武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文RTL8019AS芯片(兼容NE2000)是一款以太網(wǎng)控制芯片，支持PNP自動檢測方式，支持以太網(wǎng)II和IEEE8023，10Base5，10Base2，10BaseT軟件兼容8位和16位的NE2000，支持jumper和jumperless模式的即插即用配置，支持fullduples以太網(wǎng)到兩倍頻帶寬，支持到BROM的16K，32K，64K和16Kpage方式，支持BROM刪除程序后釋放內(nèi)存，支持存儲器瞬時讀寫等功能。RTL8019AS采用100腳PQFP封裝，如圖24。其主要引腳功能如下：引腳14，97100，中斷控制INT07；引腳33，復(fù)位控制；引腳34，使能控制腳AEN，低電平有效；引腳6，7，70，89，數(shù)字電源，+5V；引腳14，28，83，86，數(shù)字地GND引腳47，57，模擬電源：+5V；引腳44，52，模擬地；引腳713，15，16，1827，ISA地址總線；引腳3643，87，88，90一95，ISA數(shù)據(jù)總線；引腳31，BootROM讀操作控制；引腳32，BootROM寫操作控制；引腳62，RX接收數(shù)據(jù)顯示LEDl腳；引腳63，TX發(fā)送數(shù)據(jù)顯示LED2腳；引腳58，59，接收數(shù)據(jù)TPIN+；引腳45，46，發(fā)送數(shù)據(jù)TPOUT+；引腳50，51，外接晶體。RTL8019AS與以太口之間的電路連接是通過帶梔流線圈的隔離變壓器芯片20F001N實(shí)現(xiàn)的，如圖25所示：7CO圖2一以太口連線圖武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文234串口通信串口通信的概念非常簡單，串口按位(bit)發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)(byte)的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。比如IEEE488定義并行通行狀態(tài)時，規(guī)定設(shè)備線總常不得超過20米，并且任意兩個設(shè)備間的長度不得超過2米；而對于串口而言，長度可達(dá)1200米。典型地，串口用于ASCII碼字符的傳輸。通信使用3根線完成：地線、發(fā)送和接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時在另一根線上接收數(shù)據(jù)。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。對于兩個進(jìn)行通信的端口，這些參數(shù)必須匹配116J。(1)波特率這是一個衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的bit的個數(shù)。例如300波特表示每秒鐘發(fā)送300個bit。當(dāng)我們提到時鐘周期時，我們就是指波特率例如如果協(xié)議需要4800波特率，那么時鐘是4800Hz。這意味著串口通信在數(shù)據(jù)線上的采樣率為4800Hz。通常電話線的波特率為14400，28800和36600。波特率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于放置的很近的儀器間的通信，典型的例子就是GPIB設(shè)備的通信。(2)數(shù)據(jù)位這是衡量通信中實(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當(dāng)計算機(jī)發(fā)送一個信息包，實(shí)際的數(shù)據(jù)不會是8位的，標(biāo)準(zhǔn)的值是5、7和8位。如何設(shè)置取決于你想傳送的信息。比如，標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼是0-127(7位)。擴(kuò)展的ASCII碼是0255(8位)。如果數(shù)據(jù)使用簡單的文本(標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼)，那么每個數(shù)據(jù)包使用7位數(shù)據(jù)。每個包是指一個字節(jié)，包括開始停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位。由于實(shí)際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術(shù)語“包”指任何通信的情況。(3)停止位用于表示單個包的最后一位。典型的值為1，15和2位。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時的，并且每一個設(shè)備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計算機(jī)校正時鐘同步的機(jī)會。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容忍程度越12武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢。(4)奇偶校驗(yàn)位在串口通信中一種簡單的檢錯方式。有四種檢錯方式：偶、奇、高和低。當(dāng)然沒有校驗(yàn)位也是可以的。對于偶和奇校驗(yàn)的情況，串口會設(shè)置校驗(yàn)位(數(shù)據(jù)位后面的一位)，用一個值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個或者奇?zhèn)€邏輯高位。例如，如果數(shù)據(jù)是011，那么對于偶校驗(yàn)，校驗(yàn)位為0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個。如果是奇校驗(yàn)，校驗(yàn)位位1，這樣就有3個邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數(shù)據(jù)，簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗(yàn)。這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個位的狀態(tài)，有機(jī)會判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步。串行通信接口SCI是一個雙線的異步串口，一般看作是UART。SCI模塊支持CPU與采用非返回至0(NI屹)標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外圍設(shè)備之間的數(shù)字通信。SCI的接收器和發(fā)送器各具有一個16級深度的FIFO，這樣可以減少空頭的服務(wù)。它們還各有自己獨(dú)立的使能位和中斷位，可以在半雙工通信中進(jìn)行獨(dú)立的操作，或在全雙工通信中同時進(jìn)行操作。為了確保數(shù)據(jù)的完整性，SCI檢查所接收數(shù)據(jù)的中斷檢測，極性，溢出和幀錯誤。位速率可通過編程一個16位的波特率改變寄存器而改變。芯片MAX3232是一款符合RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片，其連線圖如圖2-6所示。鋤lIJB041八l2Q吣6a+一-W-O1042I。1436剁Q0470C1VO10434Q+Q01580IG02D4-0III5(2-、Ic169j9_05珈104廠一夕L1l141391111aUrSCrD0107衛(wèi)N瑚1213lIl叫r砌烈sC嗍98蒯112烈M馭3232圖26MAX3232電路連線圖武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文235C8051F020CygnalC8051F系列單片機(jī)是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)，其CPU能有效地管理模擬和數(shù)字外設(shè)，可以關(guān)閉單個或全部外設(shè)以節(jié)省功耗，F(xiàn)LASH存儲器還具有在線重新編程的能力即可用作程序存儲器又可用作非易失性數(shù)據(jù)存儲。應(yīng)用程序可以使用MOVC和MOVX指令對FLASH進(jìn)行讀或改寫。其內(nèi)部含有8。12位多通道ADC，1-2路12位DAC等。片內(nèi)JTAG仿真電路提供全速的電路內(nèi)仿真不占用片內(nèi)用戶資源，支持?jǐn)帱c(diǎn)單步觀察點(diǎn)運(yùn)行和停止等。C8051F系列單片機(jī)指令處理采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個系統(tǒng)時鐘周期降為1個系統(tǒng)時鐘周期，指令處理能力比MCS51大大提高。CIP51內(nèi)核70的指令執(zhí)行是在一個或兩個系統(tǒng)時鐘周期內(nèi)完成，只有四條指令的執(zhí)行需4個以上時鐘周期。標(biāo)準(zhǔn)的8051只有7個中斷源，CygnalC8051F系列單片機(jī)擴(kuò)展了中斷處理，這對于時實(shí)多任務(wù)系統(tǒng)的處理是很重要的。擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)向CIP51提供22個中斷源，允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷，一個中斷處理需要較少的CPU干預(yù)卻有更高的執(zhí)行效率。標(biāo)準(zhǔn)的8051只有外部引腳復(fù)位，C8051F系列單片機(jī)增加7種復(fù)位源使系統(tǒng)的可靠性大大提高，每個復(fù)位源都可由用戶用軟件禁止。CIP51具有標(biāo)準(zhǔn)8051的程序和數(shù)據(jù)地址配置，它包括256字節(jié)的RAM其中高128字節(jié)用戶只能用直接尋址訪問的SFR地址空間，低128字節(jié)用戶可用直接或間接尋址方式訪問，前32個字節(jié)為4個通用工作寄存器區(qū)，接下來的16字節(jié)既可以按字節(jié)尋址也可以按位尋址。另外C8051F02X系列除了內(nèi)部有擴(kuò)展4K數(shù)據(jù)RAM外片外還可擴(kuò)展至64K數(shù)據(jù)RAM。C8051F系列單片機(jī)程序存儲器為8K-64K字節(jié)的Flash存貯器，該存貯器可按512字節(jié)為一扇區(qū)編程，可以在線編程且不需在片外提供編程電壓，該程序存貯器未用到的扇區(qū)均可由用戶按扇區(qū)作為非易失性數(shù)據(jù)存貯器使用。CygnalC8051F系列單片機(jī)具有標(biāo)準(zhǔn)的8051IO口，除POPlP2P3之外還有更多的擴(kuò)展的8位IO口，每個端口IO引腳都可以設(shè)置為推挽或漏極開路輸出，這為低功耗應(yīng)用提供了進(jìn)一步節(jié)電的能力。C8051F系列內(nèi)部有一個全雙工UARTSPI總線和SMBus12C總線，每種串行總線都完全用硬件實(shí)現(xiàn)，都能向CIP51產(chǎn)生中斷。這些串行總線不共享定時器中斷或IO端口所以可以使用任何一個或全部同時使用。C8051F02x系列14武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文MCU內(nèi)部還有第二個UART這是一個增強(qiáng)型全雙工UART具有硬件地址識別和錯誤檢測功能。CygnalC8051F系列單片機(jī)設(shè)計有片內(nèi)調(diào)試電路與JTAG口可以實(shí)現(xiàn)非侵入式在片”調(diào)試。Cygnal提供基于Windows集成的在線開發(fā)調(diào)試環(huán)境，包括IDE軟件與串口適配器EC2、調(diào)試目標(biāo)板，可實(shí)現(xiàn)存貯器和寄存器校驗(yàn)和修改；設(shè)置斷點(diǎn)、觀察點(diǎn)、堆棧；程序可單步運(yùn)行、全速運(yùn)行、停止等。在調(diào)試時的所有的數(shù)字和模擬外設(shè)都能正常工作，實(shí)時反映真實(shí)情況。IDE調(diào)試環(huán)境可做KeilC源程序級別的調(diào)試。對于開發(fā)和調(diào)試嵌入式應(yīng)用來說，與用傳統(tǒng)的專用仿真芯片、目標(biāo)電纜及仿真頭的仿真器相比，更具優(yōu)越性能，更能真實(shí)“在片”仿真實(shí)時信息。Cygnal的調(diào)試環(huán)境既便于使用又能保證精確模擬外設(shè)的性能。CygnalC8051F系列單片機(jī)開發(fā)工具即突破了昂貴開發(fā)系統(tǒng)舊模式，又創(chuàng)立了低價位仿真新思路。為應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)提供了極大的方便。武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第3章二維刀具半徑補(bǔ)償算法在三維圖形力n-r-中的應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)中常用刀具補(bǔ)償是來修正刀具實(shí)際半徑或長度與其程序規(guī)定的值之差【l71。機(jī)床對刀具的控制是以刀架中心為基準(zhǔn)的，但零件加工程序卻僅給出了零件輪廓軌跡，它們之間的轉(zhuǎn)換就涉及到刀具長度補(bǔ)償(刀架中心與刀尖圓弧中心間的軌跡轉(zhuǎn)換)及刀具半徑補(bǔ)償(零件輪廓與刀具刀尖圓弧中心間的軌跡轉(zhuǎn)換)【181。本章將詳細(xì)討論二維刀具半徑補(bǔ)償算法，并將其應(yīng)用于三維圖形的加工中，加工出預(yù)先設(shè)計的圖形。31刀具半徑補(bǔ)償概述在數(shù)控加工中有3種補(bǔ)償：刀具長度補(bǔ)償、刀具半徑補(bǔ)償、夾具偏置補(bǔ)償。這三種補(bǔ)償基本上能解決在加工中因刀具形狀而產(chǎn)生的軌跡問題。本文所有討論都是基于刀具半徑補(bǔ)償展開的。刀具半徑補(bǔ)償?shù)亩x：根據(jù)零件輪廓編制的程序和預(yù)先設(shè)定的偏置參數(shù)，數(shù)控裝置能實(shí)時自動生成刀具中心軌跡的功能稱為刀具半徑補(bǔ)償功能【19】。如圖31所示，實(shí)線為用戶給定的工件的編程軌跡，虛線為經(jīng)過補(bǔ)償過的刀具中心軌跡，刀補(bǔ)功能就是依據(jù)實(shí)線軌跡和偏置參數(shù)計算出刀具中心的軌跡，進(jìn)行精密加工。圖31刀具編程軌跡與刀心軌跡16武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文顯然若要利用刀具中心軌跡來編程的話，必須先根據(jù)所選擇的刀具型號的尺寸，算出工件輪廓的等距線，然后依照等距線來編程，采用此方法編程，當(dāng)材料，工藝變化，或刀具磨損需要更換刀具時，由于刀具尺寸的變化，需要重新計算，重新編寫加工程序，工作量極大。此方法一般不被采用。一般情況下是利用工件的輪廓來編寫程序，采用這種方法編程十分方便。但由于伺服電機(jī)控制的是刀具中心點(diǎn)的運(yùn)動，而刀具中心點(diǎn)的運(yùn)動軌跡并不等于需要的工件輪廓軌跡，因此，必須在插補(bǔ)運(yùn)算之前增加對刀具的補(bǔ)償功能。根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)?shù)毒咧行能壽E在程編軌跡前進(jìn)方向的左邊時，稱左刀補(bǔ)，用G41表示，當(dāng)?shù)毒咧行能壽E在程編軌跡前進(jìn)方向的右邊時，稱左刀補(bǔ)，用G42表示。刀具半徑補(bǔ)償中的轉(zhuǎn)接方式總的可有兩種，一種是采用圓弧進(jìn)行轉(zhuǎn)接，也稱B刀補(bǔ)；另一種是采用直線進(jìn)行軌跡轉(zhuǎn)接，也稱為C刀補(bǔ)。以圓弧進(jìn)行軌跡轉(zhuǎn)接(B刀補(bǔ))有兩個缺點(diǎn)，一是當(dāng)遇到加工零件外輪廓是尖角時，由于輪廓尖角處始終處于切削狀態(tài)，尖角的加工工藝性就比較差，在磨削加工時尤其突出，所需要加工的尖角往往被加工成圓角；二是對轉(zhuǎn)接角小于等于900的編程無法加工，需要編程人員人為地插入一段過渡圓弧，這就增加了編程的工作量。本論文研究采用C機(jī)能刀具半徑補(bǔ)償。刀具半徑補(bǔ)償?shù)挠猛究蓺w納為以下兩點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)根據(jù)編程軌跡對刀具中心軌跡的控制，可避免在加工中由于刀具半徑的變化(如由于刀具損壞而換刀等原因)而重新編程的麻煩，只須修改相應(yīng)的偏置參數(shù)即可；減少粗、精加工程序編制的工作量，由于輪廓加工往往不是一道工序能完成的，在粗加工時，均要為精加工工序預(yù)留加工余量。加工余量的預(yù)留可通過修改偏置參數(shù)實(shí)現(xiàn)，而不必為粗、精加工各編制一個程序。32刀具半徑補(bǔ)償中BC算法分析常見的刀具半徑補(bǔ)償算法有B刀補(bǔ)和C刀補(bǔ)算法，詳細(xì)分析如下所述。321BC刀補(bǔ)算法概述在介紹刀補(bǔ)(如沒有特別說明，本論文中指刀具半徑補(bǔ)償，下同)算法之17武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文前，給出刀補(bǔ)轉(zhuǎn)接角定義：本系統(tǒng)中指兩編程軌跡在交點(diǎn)處非加工側(cè)的夾角a，如圖32所示。非加工側(cè)加工側(cè)刀具中心軌跡一一一一一圖3_2刀補(bǔ)轉(zhuǎn)接角定義示意圖如圖33所示，B刀補(bǔ)的思路是：讀一段數(shù)控工件加工程序段后，馬上解釋執(zhí)行之；C刀補(bǔ)的思路是：預(yù)讀一段(或多段)加工程序段，執(zhí)行上一加工程序段。B刀補(bǔ)C刀補(bǔ)圖3-3BC刀補(bǔ)算法邏輯示意圖圖34顯示了在具體編程實(shí)現(xiàn)時，兩種算法在編程語言中的大致流程。其中，左邊的為B刀補(bǔ)流程，右邊的為C刀補(bǔ)流程，中間是為說明方便引入的過度說明。18武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖34BC刀補(bǔ)算法編程示意圖兩種刀補(bǔ)的處理方法是有很大區(qū)別的：B刀補(bǔ)法在確定刀具中心軌跡時，采用的是讀一段，算一段，再走一段的處理方法。這樣，就無法預(yù)計到由于刀具半徑所造成的下一段加工軌跡對本段加工軌跡的影響。于是，對于給定的加工輪廓軌跡來說，當(dāng)加工內(nèi)輪廓時，為了避免刀具干涉，合理地選擇刀具的半徑以及在相鄰加工軌跡轉(zhuǎn)接處選用恰當(dāng)?shù)倪^渡圓弧等問題，就不得不靠程序員來處理。為了解決下段加工軌跡對本段加工軌跡的影響問題，C刀補(bǔ)采用的方法是，一次對兩段進(jìn)行處理，即先預(yù)處理本段，然后根據(jù)下一段的方向來確定其刀具中心軌跡的段間過渡狀態(tài)，從而便完成了本段的刀補(bǔ)運(yùn)算處理，然后再從程序段緩沖器再讀一段，用于計算第二段的刀補(bǔ)軌跡，以后按照這種方法進(jìn)行下去，直至程序結(jié)束為止。322BC刀補(bǔ)算法比較為使問題突出明了，以工件加工程序段各運(yùn)動段之間的過度情況為例做比較(為簡單起見，圖例為直線段間的過度)，具體比較情況如下所示：19武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3一加工凹角時BIC刀補(bǔ)過渡比較示意圖如圖3_5所示，當(dāng)加工凸角工件時的過度分析如下：B刀補(bǔ)：(1)v點(diǎn)做垂線，在此垂線上求一點(diǎn)A，使得IAv|_|r|(r為刀具半徑，下同)；(2)刀具中心從上一個運(yùn)動段的終點(diǎn)0運(yùn)動到此運(yùn)動段的終點(diǎn)A點(diǎn)；(3)讀入下一段運(yùn)動段，計算刀補(bǔ)轉(zhuǎn)接角，如果需要過度處理，則用同樣的方法計算B點(diǎn)的坐標(biāo)；(4)由A點(diǎn)到B點(diǎn)插入一段圓弧過度；重復(fù)上面的B刀補(bǔ)過程。C刀補(bǔ)：讀入一段加工程序段，如果發(fā)現(xiàn)需進(jìn)行過度處理，則有如下步驟：(1)分別在適當(dāng)?shù)囊粋?cè)做編程軌跡的平行線，求出其交點(diǎn)F；(2)過點(diǎn)v做垂線，在此垂線上求一點(diǎn)A，使得IAvl=lrl；(3)用同樣的算法求點(diǎn)B的坐標(biāo)；(4)分別在AF線段上和BF線段上求得點(diǎn)D，E兩點(diǎn)，使得IADI=Irl，IBEI=Irl；(5)則得到當(dāng)前刀具中心應(yīng)走的軌跡為：OA，AD，DE，EB；重復(fù)上面的過程。似缺點(diǎn)比較：B刀補(bǔ)算法簡單，此段代碼的執(zhí)行不依賴于下一運(yùn)動段；但在過度時，雖然刀具中心的軌跡為圓弧AB，但是刀具的邊緣點(diǎn)一直和待加工件的尖端點(diǎn)V接觸，刀具在運(yùn)動過程中，不可避免的要有輕微的震動，所以，采用上述的圓弧過度會對工件的尖端點(diǎn)產(chǎn)生塤傷，容易在V點(diǎn)產(chǎn)生一個小的圓?。籆刀補(bǔ)過度處理相對比較復(fù)雜，但是很好的處理了尖端點(diǎn)V的加工問題，對武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文工件的尖端點(diǎn)不會產(chǎn)生塤傷；非非側(cè)圖3-6加工凹角時BC刀補(bǔ)過渡比較示意圖當(dāng)加工凹角并需要過度時，由圖3一可知，當(dāng)采用B刀補(bǔ)算法時，當(dāng)?shù)毒咧行膹腛點(diǎn)向A點(diǎn)運(yùn)動時，在A點(diǎn)附近就會對工件產(chǎn)生過切，影響加工精度；而采用C刀補(bǔ)就可以避免此種情況的過切產(chǎn)生。小結(jié)：B刀補(bǔ)算法對加工輪廓的連接都是以園弧進(jìn)行的，其缺點(diǎn)是：在外輪廓尖角加工時，由于輪廓尖角處，始終處于切削狀態(tài)，尖角的加工工藝性差；在內(nèi)輪廓尖角加工時容易產(chǎn)生過切。由上面的分析可知，B刀補(bǔ)算法雖然流程簡單、易實(shí)現(xiàn)，但存在明顯的缺點(diǎn)，不能滿足精密加工的需求，所以，現(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)中一般都采用C刀補(bǔ)算法。33二維刀具半徑補(bǔ)償算法331刀具半徑補(bǔ)償算法的幾個基本概念1方向矢量方向矢量是指與運(yùn)動方向一致的單位