外文翻譯-一種新的可重構邏輯的數(shù)控車床控制器

1、一種新的可重構邏輯的數(shù)控車床控制器作者：Jingchuan Dong+, Yunfeng Wang*, Zijing Wang+ , Taiyong Wang+摘要：可重構器件已發(fā)展到在計算機上實現(xiàn)數(shù)字控制（CNC）系統(tǒng)。可重構器件提供CNC和靈活性的系統(tǒng)設計的高執(zhí)行性能。然而，少數(shù)工作是在可重構邏輯數(shù)控車床中實現(xiàn)的。本文開發(fā)了數(shù)控車床螺紋中的同步運動和可重構邏輯的一個新的重采樣算法。一個實驗系統(tǒng)構建和測試結果驗證所提出的架構。關鍵詞：數(shù)控車床，可重構邏輯，重采樣，車絲一引言計算機數(shù)控（CNC ）機廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)。作為該機的控制中心，CNC控制器會影響很多方面，如速度，精度和穩(wěn)定性的機加工

2、性能。在加工速度和精確度的快速增加，傳統(tǒng)的基于軟件的CNC控制器都難以滿足的計算要求?？芍嘏渲糜布囊虢鉀Q了這個問題?？芍貥嬘布兄谠谠S多方面的數(shù)控系統(tǒng)。首先，控制算法可以通過硬件具有高執(zhí)行效能實施。設計者可以采取硬件的并行結構的優(yōu)點，以加速的算法。此外，時間執(zhí)行能力的硬件能夠理想的實現(xiàn)有效控制。其次，可重配置硬件提供了設計者的靈活性。由于可重構硬件的可編程特性，設計者可以定制品種各界集成到一個單芯片容易和快速。第三，可重配置硬件提供修改或更新在先前版本的硬件設計的可能性。即使控制器已被交付給用戶，硬件邏輯仍然可以修改，以滿足新的要求。可重構硬件在運動中的研究最近已開發(fā)了控制系統(tǒng)。有些工作

3、的重點位置控制器的設計，陳等人。實施使用分布式算法（ DA）方案1現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的PID控制 算法，陶等人。一個三級位置前饋追加到硬件PID控制器2。趙等人。比較了多 PID控制器的結構不同機械工程系通道控制3，王等人。設計了一種基于 FPGA的神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制器4。蘇 等人。實現(xiàn)的FPGA芯片上的數(shù)字差分析器（DDA ）的控制算法5。在數(shù)控控制器等功能 也進行了研究。Osornio-Rios的等。實現(xiàn)與數(shù)控和機器人應用 沖擊限制了基于多項式的 硬件配置文件生成器。尤曾家麗等人。在FPGA中實現(xiàn)實時的NURBS插補算法7。然而，缺乏對數(shù)控車床控制器，這是本文的重點實施可重構器件

4、的工作。本文開發(fā)了數(shù)控車床螺紋中的同步運動和可重構邏輯的一個新的重采樣算法。如下本文將結構；在第2節(jié)，一個數(shù)控控制器和車絲過程的體系結構將討論；在第3節(jié)，重采樣方法的原理將出臺；在第4節(jié)，可重構邏輯的硬件設計進行說明；在第5，使用所提出的方法的數(shù)控車床控制器的示例將提交。背景A.CNC控制器體系結構數(shù)控控制器的體系結構示于圖1所示。該架構包括四個控制層 8:智能控制，運動控制，設備控制和物理設備。人機界面（ HMI ）與經(jīng)營者進行交互，并調用智能控制層做加工 工作。在智能控制層中，輸入 NC程序被解釋為機器指令。機器指令是由運動控制層，它由 內插器和一個離散事件控制模塊的執(zhí)行。內插器根據(jù)所需的

5、運動指令和速度分布生成位置指令。其他指令，如工具選擇和冷卻劑控制，通過離散事件控制模塊處理。設備控制層操作的 物理設備來實現(xiàn)加工過程。它集成一個軸控制模塊和離散輸入/輸出控制模塊。在本文的研究中，在設備控制層是通過使用一個重新配置的設備中實現(xiàn)。Fig.1數(shù)控控制器的架構。對于數(shù)控車床，運動功能分為兩類： 正常的運動和主軸同步運動。正常運動在輪廓加工使用，而在主軸同步運動在車絲過程中使用。正常運動的原理類似于在一個銃床的運動，已成功地實現(xiàn)了對由其他研究人員可配置器件。本文著重對主軸同步運動的可重構硬件。B.螺紋，數(shù)控車床維持螺紋精度，進給運動必須與主軸旋轉同步，如圖（1）中。F是進給速度（mm/

6、分），S是主軸轉速（rpm）和L是螺紋（毫米）的引線。F = SXL（1）增量式旋轉編碼器安裝于主軸以確定其角度。作為主軸旋轉時，編碼器產(chǎn)生的該偏移90度的相位彼此如圖信號的兩個通道（A和B）。 2通過監(jiān)控脈沖的數(shù)目和 A的相對相位和B信道，無論是位置和旋轉方向可跟蹤。編碼器還提供了一個索引信號，其中每轉脈沖 一次，作為角度位置的參考點。Fig.2旋轉編碼器的波形。圖3示出在車絲過程9刀具路徑的一個例子。當主軸旋轉時，切割器移動到點1。然后, 控制器等待索引信號來確定的所述主軸的所述絕對位置。一旦主軸旋轉到所需的位置，車絲過程將開始與在進料方向上的加速度的移動。在加速，線程是不是精度。當加速度

7、終止于點2,進料速度到達期望的速度和進給運動將與主軸同步。車絲過程結束之前，切割器將開始 在點3減速的螺紋也是不減速時的精度。最后，該車絲過程停止在點4和刀具從工件移開。F 32l1Xrf!1t!r;iE ririiL djFig.3車絲過程的一個例子。主軸速度可以在車絲過程波動。根據(jù)（1），進料速度應該遵循主軸速度。車絲過程可能需要多個路程，以限制材料去除率或創(chuàng)建多個線程啟動。刀具也可能改變在一個特殊的線程。因此，在車絲過程中，沿進給軸的運動必須與主軸的角位置同步。解決這個問題的傳統(tǒng) 方法可以被描述為以下步驟：1）在每個電機控制周期，采樣主軸位置。2）用插補計算新的刀具線輪廓位置。3）更新各

8、軸的指令位置。4）返回到步驟1，如果車絲過程沒有完成。上述步驟必須在一個馬達控制被執(zhí)行每一次，因此所有的步驟必須以實時完成循環(huán)。然而，如果實時執(zhí)行由軟件執(zhí)行時，控制算法的開銷高，這是很難實現(xiàn)短的控制周期。此外， 實時軟件執(zhí)行需要額外的處理器時間，以切換之間的真實 一時間任務和其他任務。 中央處理器時間的比比長，任務的切換將非常大，周期相對較短。三.重采樣方法在我們的工作中，提出了重采樣方法車絲時，為了避免內插算法的實時執(zhí)行。此外，可重新配置的硬件被用于電動機控制等實時功能。圖4演示了重采樣方法的原理：F 廠 II4!*i1i11h I. 11倉采樣 補位/J V后*|*插1J111|11亠A

9、.一i:A ,*1fFig.4重采樣方法原理1）內插器以恒定的速度假定主軸運行。因此，在每個周期中，主軸旋轉是固定的。然后插入刀位置來確定螺紋齒形。由于不需要實際的插補器主軸位置，插補可以在電機控制周期前確定。2）在電動機控制循環(huán)中，通過重采樣的位置曲線所生成的位置指令。該位置的曲線是用直線連接每個插位置重建。雖然主軸的角位置的增量可以改變，該命令位置可以通過重新采樣來獲得。主軸的位置由來自旋轉編碼器的脈沖計數(shù)測量。因此，在各電動機控制周期主軸位置的增量脈沖當量的整數(shù)倍。我們可以選擇g - KE.（2）其中E是脈沖當量主軸編碼器的并且 A是一個正整數(shù)。在兩個連續(xù)的插值倍假設主軸定位Q）門和（P

10、N+ X，和對于進給軸對應的內插位置是一個和An+1中，由于位置曲線由重建線性函數(shù)，在時間間隔內的位置的函數(shù)可以被寫為皿=心-作為主軸位置由編碼器脈沖的計數(shù)表示的，在第（p（ 3）只能取離散值，讓代（2）和（4）代入（3），我們得到卩=卩丹=卩“ + mE *說=0,1* K ”（4）等式（5）可以進一步寫成增量形式AJ5 =QJ K= 1KAA是一個等式（6）是用于重采樣方法的算法。該算法涉及加法和除法。在計算中，如果 定點數(shù)和K = 2 t ( a non-ncgauve integer)*除法操作可以通過變速操作來實現(xiàn)。因此，重采樣算法非常簡單， 它是適合于由硬件來實現(xiàn)。通過假設主軸以一

11、定速度旋轉時，相當于插補周期7可確定為如下T 60 “ 60S/f Si其中P是每主軸的旋轉產(chǎn)生脈沖的數(shù)目。從式（8），我們可以看到，插補周期是獨立于電機控制周期。選擇較大的 N允許更長的等效插補周期，所以可以減少計算量。然而，大的 N也可能會降低重采樣精度。因此，計算成本和精度之間的平衡應該選擇N.時要考慮四可重構邏輯許多的數(shù)控任務可以由硬件或由軟件來實現(xiàn)。用可編程邏輯器件（PLD ），如現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA ）和復雜的發(fā)展可編程邏輯器件（CPLD ），越來越多的控制功能可以由硬件來實現(xiàn)。硬件的并行性質允許控制算法在實時運行。此外，PLD芯片的可重配置能力，提供了一個可以被開發(fā)和修改的

12、快速靈活的硬件平臺。A.可重構邏輯的體系結構在這項工作中的可重構邏輯設計的結構示于圖5結構由多個可重構模塊。 對于每一個進給軸，有一個軸緩沖器，重新采樣器，指令位置多路復用器和馬達控制器。為了簡化設計， 只有位置的增量被用于位置數(shù)據(jù)的傳輸。本方法避免了使用絕對位置，從而節(jié)省了在不同模塊之間的數(shù)據(jù)交換的位線。每個軸包含位置數(shù)據(jù)的兩個數(shù)據(jù)路徑。數(shù)據(jù)路徑是由命令位置復用器根據(jù)控制模式中選擇。在正常模式中，重新采樣器旁路和用于運動控制器的命令位置由 軸緩沖器提供。在穿帶模式中，重新采樣施加位置曲線的采樣。主軸編碼器適配器軸緩沖一*的同步樣X軸話功 控制器軸話動 控制器K釉的采間控制rww的10Fig.

13、5可重構邏輯的結構軸緩沖保持在給定的內插器的下一個位置增量。因此，下一個內插的位置，可以從軸線緩沖器立即加載。然后，新的內插位置可以存儲到緩沖一次。重新采樣進行重采樣算法。在兩個通道的重新采樣由采樣控制模塊控制。重采樣控制器根據(jù)主軸位置控制重采樣過程。運動控制器實現(xiàn)了位置控制算法，并提供接口向馬達驅動器。幾種控制算法可用，如數(shù)字微分 分析器（DDA），PID和模糊控制器。在這項研究中，DDA控制器采用兩個運動控制器通過從軸同步模塊的控制信號同步。一些互補的模塊也納入 PLD。主軸編碼器適配器是接口主軸編碼器。數(shù)字濾波器被集 成在適配器以防止噪聲的影響。離散I / O模塊處理CNC控制器的通用輸

14、入和輸出信號。中斷控制模塊用于當特定事件發(fā)生時，產(chǎn)生中斷信號給CPU。該時鐘控制模塊提供時鐘信號給其它模塊。運動控制器和其他配套模塊的硬件實現(xiàn)了文獻中已全面討論，本文的其余部分將在實現(xiàn)重采樣算法的討論。B.重采樣邏輯結構圖6示出了重采樣控制器的結構。從主軸編碼器適配器的信號被用來確定主軸的位置。為了得到高的分辨率，輸入脈沖頻率翻了兩番。加工開始前，相位被裝載到相位偏移偏移寄 存器及相位輸出比較低。 因此，與門的輸出為低。當啟動信號到達時，相位計數(shù)器將等待索 引信號。索引信號的到來之后，相位計數(shù)器開始計數(shù)輸入脈沖。當脈沖計數(shù)匹配相位偏移， 相位輸出比較意愿變高。 的四倍編碼器輸入信號將經(jīng)過與門作

15、為時鐘進行加法運算。重新采樣將執(zhí)行加（6）當ADD CLK信號到來。該 ACLK計數(shù)器計數(shù)增加次 A A比特計數(shù)器。它需要？除了次溢出。當溢出發(fā)生時，在負荷信號設置和重采樣將加載新的內插位置形成軸緩 沖。Asiank位刪t相計4皿V寄存器數(shù)器相說較4& ACLKii! vFig.6重采樣控制器的結構。重新采樣的結構示于圖7包含一個移位器，一個加法器和三個寄存器。該移位器用來執(zhí)行在（6）的除法運算。在這項工作中，我們選中N=5，輸入 A是由一個8位定點數(shù)來表示。重新采樣器的輸出是一個8位的定點數(shù)。 Am是通過 A的位移獲得。當在負荷信號到來時，新的 AM在REGO鎖存13位加法器使用做在（6）的

16、加法運算。每次加入CLK信號談到時間，REG1鎖存相加的結果。如果電機控制器需要下一個命令的增量位置，OUT LOAD信號將變高。接著，再采樣位置，I.S. REG1的高8位值，被鎖定在 REG2。該OUT LOAD信號也清除REG1的高8位。因此，在 REG1的值是位置指令的增量。ADILCLK OHF LOADIN LOADFig.7重新采樣結構五.實驗驗證數(shù)控車床控制器的建立是為了測試所提出的控制方法。實驗數(shù)控系統(tǒng)的示意圖示于圖。32 位的 ARM 920T8系統(tǒng)由兩部分組成：非實時的部分和實時一個和非實時部分包括一個微處理器，閃速存儲器，SDRAM，通信端口和一個調試單元。非實時部運行

17、Linux操作系統(tǒng)。控制軟件包括用戶界面，解釋器，內插器，順序邏輯，通信，NC文件管理等功能。實時部的硬件包括一個 8位AVR微控制器，一個雙端口RAM，一個FPGA芯片，一個D / A轉換器和用于信號轉換和隔離的電路。雙端口RAM用于緩沖的實時控制命令，其中包括內插位置。AVR的微處理器被用于獲取控制命令，并將其發(fā)送到 FPGA和主軸D /實時A轉換器?？芍匦屡渲玫目刂七壿嬍窃贔PGA上實現(xiàn)。在D / A轉換器的主軸控制主軸速度。圖9示出在CNC控制器的硬件設置。在實驗系統(tǒng)，主軸編碼器的分辨率為4800脈沖每轉（后四人間）。電動機控制周期為1.02毫秒。一些加工程序都在該控制器上進行測試來檢

18、查建議的可重構邏輯。一個分析程序在正常模式下測試直線和圓弧飼料的功能，而其他三個方案驗證在線程模式下的重采樣算 法。螺紋的參數(shù)在表 I.在車絲測試列出，主軸轉速被設定為500rpm下，實際速度是 518.5轉速486.4之間。根據(jù)（8），在測試的等效插補周期為 0.8毫秒。圖10示出在測試中車絲 過程。圖11表示成品零件。所有的測試程序和預期一樣。結果表明，該架構是可行的數(shù)控 車床控制器。RS 22遇試AKH微處理器SDRAM以人網(wǎng)絡閃擴展皚線雙口 RAM$單個D從4*MR黴處理蠱IPGAX信號轉楓隔離Fig.8實驗系統(tǒng)的圖Fig.9控制器的硬件設置表一測試線程的參數(shù)參數(shù)測試一測試二測試三大徑

19、（mm）202216-22中徑（mm）18.420.414.4-20.4長度（mm）303030鉛（mm）1.531.5瀝青（mm）遞減率000.2評論單頭直螺紋雙啟動直螺紋單頭錐螺紋Fig.10車絲過程Fig11.成品零件值得注意的是，通過利用可重構邏輯，電動機控制任務和重新采樣算法，可以由硬件實現(xiàn)?？芍嘏渲糜布鰪娏藬?shù)控系統(tǒng)的性能。而且，這種結構允許車絲之前要計算的內插點， 從而消除了需要在實時運行插值。通過以間歇方式運行的內插，在實時上下文切換開銷被降低，和一個更高的數(shù)據(jù)吞吐量是可能的。在這個實驗中，控制軟件是一個標準的 Linux系統(tǒng),這是一個非實時操作系統(tǒng)上運行。因

20、此，開發(fā)人員可以使用標準的編程工具來構建數(shù)控系統(tǒng)軟件。六.結論本文介紹了可重構硬件體系結構的數(shù)控車床控制器的開發(fā)。我們提出了一個新的重采樣算法數(shù)控車床的車絲過程。盡管主軸速度的波動此重新采樣算法可以維持螺紋精度。通過利用重新采樣算法，內插任務和電機控制任務可以異步運行。從而，內插可以在不久實時的方式來完成。這將簡化軟件設計和提供了更高的數(shù)據(jù)吞吐量。從設計者的觀點，重新采樣算法適用于由硬件執(zhí)行。再采樣邏輯的結構也被本文提出。重新采樣，與其他的可重構邏輯結構一起，可以很容易地集成到一個可編程邏輯器件?？芍貥嬘布膽锰岣吡讼到y(tǒng)的性能和系統(tǒng)設計提供了靈活性。實驗已經(jīng)成功驗證了該重采樣算法的可行性和相

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