基于DSP处理器的数控插补算法实现技术研究
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摘要
插补模块是数控系统的核心。随着现代数控技术的不断发展,插补算法不断成熟,类型众多。从产生的数学模型来分,有直线插补、二次曲线插补等;从输出的数值形式来分,有基准脉冲插补(又称脉冲增量插补)和数据采样插补。目前,参数曲线实时插补技术正在逐渐成为数控插补技术研究的一个热点。NURBS曲线是在实际中得到广泛应用的一种参数曲线,NURBS曲线插补功能已经成为当代CNC系统的重要功能之一。
对于开放型机床数控系统的设计来说,目前重点的工作是如何选择合适的硬件系统实现实时插补。从而使得控制系统更稳定、插补运算更可靠、速度更快。目前一些数控插补使用单片机做控制芯片,受结构约束,运算速度不高,难以满足数控插补快速性的要求。DSP(数字信号处理器)芯片由于其特殊的硬件结构(哈佛结构、多总线技术、流水线指令结构、硬件乘法器),具有极高的运算能力(目前主流DSP芯片比16位单片机单指令执行时间快8倍到10倍,完成一次乘加运算则快16倍到30倍)。能够很好的满足插补运算的速度、精度要求。
本文基于美国TI公司的主流DSP处理器TMS320LF2407A,进行数控插补算法实现技术研究。主要做了如下工作:
1.对数控技术原理及插补算法进行了深入的研究,对目前数控插补的分类和发展现状有了较深入的了解。为下一步的算法选择和改进提供了基础。
2.对DSP处理器进行了深入的研究,理解了DSP的结构原理知识并初步掌握了应用技术。选择适合电机控制的TMSLF2407A作为控制处理器芯片。
3.围绕TMS320LF2407A选择其他外围芯片、步进电机及步进电机驱动器,构建硬件系统,对系统的性能作了分析。
4.选择数字积分法作为要实现的数控算法,进行深入研究和学习。同时对目前应用逐渐广泛的非均匀有理B样条插补(NURBS插补)方法做初步研究学习。
5.在硬件系统平台上,设计软件系统,分模块研究并设计软件系统。最后设计出DDA直线、圆弧插补的程序流程图,写出插补源程序。并尝试设计了NURBS插补程序流程图。
Interpolation module is the core of the numerical control system. Along with the development of the modern numerical control technology, the interpolation algorithm is maturing and diversifying step by step. From the angle of mathematic model, it can be divided into straight line interpolation, conic interpolation and so on. And from the angel of output format of interpolation calculation, it can be divided into reference pulse interpolation (or pulse increment interpolation) and data sampling interpolation. At present, parameter curve real-time interpolation is gradually becoming a research hotspot of numerical control interpolation technology. The NURBS curve is a widely used parameter curve in practice. And the NURBS curve interpolation has become one of the most important functions in the modern CNC system.
As for the design of open numerical control machine tool system, the priority job at present is how to choose a proper hardware system to interpolation. So that the control system could become more stable, and the interpolation algorithm would become more reliable and quicker. Nowadays, some numerical control interpolations using monolithic processor as controlling chip can not operate speedy because of the structural restriction, and can not satisfy the speed require of numerical control interpolation. DSP (the digital signal processor)chip, because of its special hardware structure (the Harvard structure, the multi-bus technology, the pipeline command structure, the Hardware multiplier), has high arithmetic capability (the single instruction execution time of current mainstream DSP chip is 8 to 10 times quicker than that of the 16-bit monolithic processor, and the time needed to perform a MAC is 16 to 30 times quicker), and can well satisfy the speed and accuracy require of interpolation arithmetic. Base on the mainstream DSP processor-TMS320LF2407 A of the TI company, the thesis uses the algorithm of numerical control interpolation to carry out technique research. Mainly performs the following operations:
1、The thesis deeply study its for the principle of numerical control technology and the algorithm of interpolation. Thorough of comprehend for the classification and develop present condition of the modern numerical control interpolation. It provides the basis for algorithm of the following selection and improvement.
2、It deeply study its for the DSP processor. Comprehend structural principle of DSP and master its applied technique. And selects proper motor control TMSLF2407A as control processor chip.
3、Base on TMS320LF2407A to select other outer circle chip、stepper motor and the driver of stepper motor .The thesis also constructs the hardware system and analyses capability of the system.
4、The thesis deeply researches and study its for the numerical integration interpolation algorithm as the required accomplishment numerical control algorithm. At the same time, it also studies for NURBS interpolation method which widely used step by step at present.
5、The thesis has designed software systems and divided module research. And it given out the program flow chart of DDA straight line and the arc interpolation. The thesis also writes interpolation source program and tries to design the program flow chart of NURBS interpolation.
对于开放型机床数控系统的设计来说,目前重点的工作是如何选择合适的硬件系统实现实时插补。从而使得控制系统更稳定、插补运算更可靠、速度更快。目前一些数控插补使用单片机做控制芯片,受结构约束,运算速度不高,难以满足数控插补快速性的要求。DSP(数字信号处理器)芯片由于其特殊的硬件结构(哈佛结构、多总线技术、流水线指令结构、硬件乘法器),具有极高的运算能力(目前主流DSP芯片比16位单片机单指令执行时间快8倍到10倍,完成一次乘加运算则快16倍到30倍)。能够很好的满足插补运算的速度、精度要求。
本文基于美国TI公司的主流DSP处理器TMS320LF2407A,进行数控插补算法实现技术研究。主要做了如下工作:
1.对数控技术原理及插补算法进行了深入的研究,对目前数控插补的分类和发展现状有了较深入的了解。为下一步的算法选择和改进提供了基础。
2.对DSP处理器进行了深入的研究,理解了DSP的结构原理知识并初步掌握了应用技术。选择适合电机控制的TMSLF2407A作为控制处理器芯片。
3.围绕TMS320LF2407A选择其他外围芯片、步进电机及步进电机驱动器,构建硬件系统,对系统的性能作了分析。
4.选择数字积分法作为要实现的数控算法,进行深入研究和学习。同时对目前应用逐渐广泛的非均匀有理B样条插补(NURBS插补)方法做初步研究学习。
5.在硬件系统平台上,设计软件系统,分模块研究并设计软件系统。最后设计出DDA直线、圆弧插补的程序流程图,写出插补源程序。并尝试设计了NURBS插补程序流程图。
Interpolation module is the core of the numerical control system. Along with the development of the modern numerical control technology, the interpolation algorithm is maturing and diversifying step by step. From the angle of mathematic model, it can be divided into straight line interpolation, conic interpolation and so on. And from the angel of output format of interpolation calculation, it can be divided into reference pulse interpolation (or pulse increment interpolation) and data sampling interpolation. At present, parameter curve real-time interpolation is gradually becoming a research hotspot of numerical control interpolation technology. The NURBS curve is a widely used parameter curve in practice. And the NURBS curve interpolation has become one of the most important functions in the modern CNC system.
As for the design of open numerical control machine tool system, the priority job at present is how to choose a proper hardware system to interpolation. So that the control system could become more stable, and the interpolation algorithm would become more reliable and quicker. Nowadays, some numerical control interpolations using monolithic processor as controlling chip can not operate speedy because of the structural restriction, and can not satisfy the speed require of numerical control interpolation. DSP (the digital signal processor)chip, because of its special hardware structure (the Harvard structure, the multi-bus technology, the pipeline command structure, the Hardware multiplier), has high arithmetic capability (the single instruction execution time of current mainstream DSP chip is 8 to 10 times quicker than that of the 16-bit monolithic processor, and the time needed to perform a MAC is 16 to 30 times quicker), and can well satisfy the speed and accuracy require of interpolation arithmetic. Base on the mainstream DSP processor-TMS320LF2407 A of the TI company, the thesis uses the algorithm of numerical control interpolation to carry out technique research. Mainly performs the following operations:
1、The thesis deeply study its for the principle of numerical control technology and the algorithm of interpolation. Thorough of comprehend for the classification and develop present condition of the modern numerical control interpolation. It provides the basis for algorithm of the following selection and improvement.
2、It deeply study its for the DSP processor. Comprehend structural principle of DSP and master its applied technique. And selects proper motor control TMSLF2407A as control processor chip.
3、Base on TMS320LF2407A to select other outer circle chip、stepper motor and the driver of stepper motor .The thesis also constructs the hardware system and analyses capability of the system.
4、The thesis deeply researches and study its for the numerical integration interpolation algorithm as the required accomplishment numerical control algorithm. At the same time, it also studies for NURBS interpolation method which widely used step by step at present.
5、The thesis has designed software systems and divided module research. And it given out the program flow chart of DDA straight line and the arc interpolation. The thesis also writes interpolation source program and tries to design the program flow chart of NURBS interpolation.
引文
[1]Texas Instruments.TMS320C24xDataSheet.Texas Instruments,USA.2000
[2]Texas Instruments.TMS320F/C24x DSP Controllers Reference Guide-CPU and Instruct ionSet.Texas Instruments.USA.1999
[3]Incorporated TI.TMS320LF2407A Fixed-Point Digital Signal Processor DataManual.2004.
[4]Corporation B.12-Bit quad Voltage Output Digital-to Analog Converter.1997.
[5]叶伯生,杨叔子.CNC系统中三次B样条曲线的高速插补方法研究.[J]中国机械工程.1998,9(3)
[6]章云,谢莉萍,熊红艳.DSP控制器及其应用.[M]北京:机械工业出版社,2001.
[7]李利等.DSP原理及应用.[M]中国水利水电出版社.2004年11月
[8]陈金鹰.DSP技术及应用.[M]机械工业出版社.2004年6月
[9]周霖等.DSP控制工程技术应用.[M]国防工业出版社.2005年1月
[10]周霖等.DSP算法设计与系统方案.[M]国防工业出版社.2004年1月
[11]付家才.DSP控制工程实践技术.[M]化学工业出版社.2005年6月
[12]李恩林.数控技术原理及应用.[M]国防工业出版社.2006年2月
[13]任玉田等.机床计算机数控技术.[M]北京理工大学出版社.2002年8月
[14]黄明吉.虚拟数控技术及应用.[M]化学工业出版社.2005年6月
[15]文怀兴.数控机床系统设计.[M]化学工业出版社.2005年6月
[16]王永章等.机床的数字控制技术.[M]哈尔滨工业大学.1995年7月
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[18]朱江新等.基于最小偏差法的过象限圆弧插补统一算法.[J]西安理工大学学报.2004年1期
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[21]朱显新.基于DSP高速高精度运动控制器研究:[D].武汉.武汉理工大学.2005
[22]施群,王小椿.开环CNC系统数据采样插补的关键技术研究.[J]组合机床与自动化加工技术.2004年4期
[23]魏巍.经济型数控车床插补器设计与研究:[D].辽宁.辽宁工程技术大学.2004
[24]白裔峰.开放式数控系统的研究:[D].湖南.湖南大学.2003
[25]黄大贵.微机数控系统.[M]电子科技大学出版社.1996.
[26]郭成、翁盛隆、谈士力.DSP和PBL3717A构成的步进电机的控制系统.[J]单片机与嵌入式系统应用.2004年7月
[27]王润孝,秦现生.机床数控原理与系统(第二版).[M]西北工业大学出版社.1997.
[28]王军平.高性能运动控制及在数控系统中的应用:[D].西北工业大学.2002
[29]王小彬等.经济型数控系统角度逼近圆弧插补算法.[J]佳木斯大学学报,2004年1期
[30]姜永芹等.交流饲服数控机床CNC系统结构与插补器设计.[J]机械研究与应用.2001年4期
[31]朱望规.介绍一种插补器算法--用最小残量法画基本曲线.[J]西安交通大学学报,1983年2期
[32]唐学飞等.数控系统直接函数法圆弧插补算法的改进.[J]机床与液压.2004年4期
[33]周慧.数据采样法圆弧插补的新算法.[J]组合机床与自动化加工技术.2004年2期
[34]王忠.时间分割圆弧插补新算法.[J]设计与研究.2006年6期
[35]范守文等.面向新型并联机床的NURBS曲面直接插补算法研究.[J]机械科学与研究.2004年8期
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[40]李长峰.基于DSP技术的运动控制卡的研制和开发:[D].哈尔滨理工大学.2004年
[41]刘和平,王维俊,江渝,邓力.TMS320LF240x DSP C语言开发应用.[M]北京航空航天大学出版社,2003:
[42]江思敏.TMS320LF240xDSP硬件开发教程.[M]机械工业出版社.2003
[43]王晓明.电动机的DSP控制[M].北京航空航天大学出版社
[44]史敬灼,李德等.基于TMS320F240的运动控制系统设计.[J]微特电机,2009.3
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[46]赵东标、孟书云等.复杂曲面笔式加工的直接插补算法.[J]小型微型计算机系统.2006年9月
[47]徐海银等.旋转插补原理研究.[J]华中科技大学学报.2006年6月
[48]梁宏斌,王永章等.自动调节进给速度的NURBS插补算法的研究与实现.[J]计算机集成制造系统.2006年3月
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