外文翻譯--一種新的可重構(gòu)邏輯的數(shù)控車床控制器 中文版

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畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )外文資料翻譯 原 文 題 目： A 文 來 源： of 009 學(xué) 生 姓 名： 所在院 (系 )部： 專 業(yè) 名 稱： 機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化 一種新的可重構(gòu)邏輯的數(shù)控車床控制器 作者： , 摘要 ： 可重構(gòu)器件已發(fā)展到在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制（ 統(tǒng)。可重構(gòu)器件提供 而，少數(shù)工作是在可重構(gòu)邏輯數(shù)控車床中實(shí)現(xiàn)的。本文開發(fā) 了數(shù)控車床螺紋中的同步運(yùn)動(dòng)和可重構(gòu)邏輯的一個(gè)新的重采樣算法。一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建和測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證所提出的架構(gòu)。 關(guān)鍵詞 ： 數(shù)控車床，可重構(gòu)邏輯，重采樣， 車絲 一．引言 計(jì)算機(jī)數(shù)控（ 廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)。作為該機(jī)的控制中心， 制器會(huì)影響很多方面，如速度，精度和穩(wěn)定性的機(jī)加工性能。在加工速度和精確度的快速增加，傳統(tǒng)的基于軟件的 重配置硬件的引入解決了這個(gè)問題。 可重構(gòu)硬件有助于在許多方面的數(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(shí)施。設(shè)計(jì)者可以采取硬件的并行結(jié)構(gòu) 的優(yōu)點(diǎn)，以加速的算法。此外，時(shí)間執(zhí)行能力的硬件能夠理想的實(shí)現(xiàn)有效控制。其次，可重配置硬件提供了設(shè)計(jì)者的靈活性。由于可重構(gòu)硬件的可編程特性，設(shè)計(jì)者可以定制品種各界集成到一個(gè)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(shè)計(jì)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(gòu)硬件在運(yùn)動(dòng)中的研究最近已開發(fā)了控制系統(tǒng)。有些工作的重點(diǎn)位置控制器的設(shè)計(jì)，陳等人。實(shí)施使用分布式算法（ 案 [1]現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（ 制算法，陶等人。一個(gè)三級(jí)位置前饋?zhàn)芳?到硬件 制器 [2]。趙等人。比較了多 制器的結(jié)構(gòu)不同 機(jī)械工程系通道控制 [3]，王等人。設(shè)計(jì)了一種基于 4]。 蘇等人。實(shí)現(xiàn)的 片上的數(shù)字差分析器（ 控制算法 [5]。在數(shù)控控制器等功能也進(jìn)行了研究。 等。實(shí)現(xiàn)與數(shù)控和機(jī)器人應(yīng)用 [6]沖擊限制了基于多項(xiàng)式的硬件配置文件生成器。尤曾家麗等人。在 7]。然而，缺乏對(duì)數(shù)控車床控制器，這是本文的重點(diǎn)實(shí)施可重構(gòu)器件的工作。 本文開發(fā)了數(shù)控車床螺紋中的 同步運(yùn)動(dòng)和可重構(gòu)邏輯的一個(gè)新的重采樣算法。如下本文將結(jié)構(gòu) ;在第 2節(jié)，一個(gè)數(shù)控控制器和 車絲 過程的體系結(jié)構(gòu)將討論 ;在第 3節(jié)，重采樣方法的原理將出臺(tái) ;在第 4 節(jié)，可重構(gòu)邏輯的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)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。 二． 背景 數(shù)控控制器的體系結(jié)構(gòu)示于圖 1 所示。該架構(gòu)包括四個(gè)控制層 [8]：智能控制，運(yùn)動(dòng)控制，設(shè)備控制和物理設(shè)備。人機(jī)界面（ 經(jīng)營(yíng)者進(jìn)行交互，并調(diào)用智能控制層做加工工作。在智能控制層中，輸入 器指令是由運(yùn)動(dòng)控制層，它由內(nèi) 插器和一個(gè)離散事件控制模塊的執(zhí)行。內(nèi)插器根據(jù)所需的運(yùn)動(dòng)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(shè)備控制層操作的物理設(shè)備來實(shí)現(xiàn)加工過程。它集成一個(gè)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(shè)備控制層是通過使用一個(gè)重新配置的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)。 對(duì)于數(shù)控車床，運(yùn)動(dòng)功能分為兩類：正常的運(yùn)動(dòng)和主軸同步運(yùn)動(dòng)。正常運(yùn)動(dòng)在輪廓加工使用，而在主軸同步運(yùn) 動(dòng)在 車絲 過程中使用。正常運(yùn)動(dòng)的原理類似于在一個(gè)銑床的運(yùn)動(dòng)，已成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)由其他 研究人員可配置器件。本文著重對(duì)主軸同步運(yùn)動(dòng)的可重構(gòu)硬件。 控車床 維持螺紋精度，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)必須與主軸旋轉(zhuǎn)同步，如圖（ 1）中。 ）， 米）的引線。 F = 1) 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器安裝于主軸以確定其角度。作為主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，編碼器產(chǎn)生的該偏移90度的相位彼此如圖信號(hào)的兩個(gè)通道（ ）。 的相對(duì)相位和 B 信道，無(wú)論是位置和旋轉(zhuǎn)方向可跟蹤。編碼器還提供了一個(gè)索引信號(hào)，其中每轉(zhuǎn)脈沖一次，作為角度位置的參考點(diǎn)。 編碼器的波形。 圖 3示出在 車絲 過程 [9]刀具路徑的一個(gè)例子。當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，切割器移動(dòng)到點(diǎn) 1。然后，控制器等待索引信號(hào)來確定的所述主軸的所述絕對(duì)位置。一旦主軸旋轉(zhuǎn)到所需的位置， 車絲過程將開始與在進(jìn)料方向上 的加速度的移動(dòng)。在加速，線程是不是精度。當(dāng)加速度終止于點(diǎn)2，進(jìn)料速度到達(dá)期望的速度和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)將與主軸同步。 車絲 過程結(jié)束之前，切割器將開始在點(diǎn) 3減速的螺紋也是不減速時(shí)的精度。最后，該 車絲 過程停止在點(diǎn) 4和刀具從工件移開。 絲 過程的一個(gè)例子。 主軸速度可以在 車絲 過程波動(dòng)。根據(jù)（ 1），進(jìn)料速度應(yīng)該遵循主軸速度。 車絲 過程可能需要多個(gè)路程，以限制材料去除率或創(chuàng)建多個(gè)線程啟動(dòng)。刀具也可能改變?cè)谝粋€(gè)特殊的線程。因此，在 車絲 過程中，沿進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)必須與主軸的角位置同步。解決這個(gè)問題的傳統(tǒng)方法可以被描述為以下 步驟： 1）在每個(gè)電機(jī)控制周期，采樣主軸位置。 2）用插補(bǔ)計(jì)算新的刀具線輪廓位置。 3）更新各軸的指令位置。 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(gè)馬達(dá)控制被執(zhí)行每一次，因此所有的步驟必須以實(shí)時(shí)完成循環(huán)。然而，如果實(shí)時(shí)執(zhí)行由軟件執(zhí)行時(shí)，控制算法的開銷高，這是很難實(shí)現(xiàn)短的控制周期。此外，實(shí)時(shí)軟件執(zhí)行需要額外的處理器時(shí)間，以切換之間的真實(shí) —時(shí)間任務(wù)和其他任務(wù)。中央處理器時(shí)間的比比長(zhǎng)，任務(wù)的切換將非常大，周期相對(duì)較短。 三 在我們的工作中，提出了重采樣方法 車絲 時(shí)，為了避免內(nèi)插算法的 實(shí)時(shí)執(zhí)行。此外，可重新配置的硬件被用于電動(dòng)機(jī)控制等實(shí)時(shí)功能。 圖 4演示了重采樣方法的原理： 采樣方法原理 1）內(nèi)插器以恒定的速度假定主軸運(yùn)行。因此，在每個(gè)周期中，主軸旋轉(zhuǎn)是固定的。然后插入刀位 置來確定螺紋齒形。由于不需要實(shí)際的插補(bǔ)器主軸位置，插補(bǔ)可以在電機(jī)控制周期前確定。 2）在電動(dòng)機(jī)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(gè)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(zhuǎn)編碼器的脈沖計(jì)數(shù)測(cè)量。因此，在各電動(dòng)機(jī)控制周期主軸位置的增量脈沖當(dāng)量的整數(shù)倍。我們可以選擇 其中 是一個(gè)正整數(shù)。在兩個(gè)連續(xù)的插值倍假設(shè)主軸定位 Q） X，和對(duì)于進(jìn)給軸對(duì)應(yīng)的內(nèi)插位置是一個(gè)和 中，由于位置曲線由重建線性函數(shù)，在時(shí)間間隔內(nèi)的位置的函數(shù)可以被寫為 作為主軸位置由編碼器脈沖的計(jì)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 等式（ 5）可以進(jìn)一步寫成增量形式 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(jì)算中，如果 除法操作可以通過變速操作來實(shí)現(xiàn)。因此，重采樣算法非常簡(jiǎn)單，它是適合于由硬件來實(shí)現(xiàn)。 通過假設(shè)主軸以一定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，相當(dāng)于插補(bǔ)周期 7]可確定為如下 其中 式（ 8），我們可以看到，插補(bǔ)周期是獨(dú)立于電機(jī)控制周期。選擇較大的 以可以減少計(jì)算量。然而，大的此，計(jì)算成本和精度之間的平衡應(yīng)該選擇 四．可重構(gòu)邏輯 許多的數(shù)控任務(wù)可以由硬件或由軟件來實(shí)現(xiàn)。用可編程邏輯器件（ 如現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（ 復(fù)雜的發(fā)展可編程邏輯器件（ 越來越多的控制功能可以由硬件來實(shí)現(xiàn)。硬件的并行性質(zhì)允許控制算法在實(shí)時(shí)運(yùn)行。此外， 可重配置能力，提供了一個(gè)可以被開發(fā)和修改的快速靈活的硬件平臺(tái)。 在這項(xiàng)工作中的可重構(gòu)邏輯設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)示于圖 于每一個(gè)進(jìn)給軸，有一個(gè)軸緩沖器，重新采樣器，指令位置多路復(fù)用器和馬達(dá)控制器。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，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(duì)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(gè)軸包含位置數(shù)據(jù)的兩個(gè)數(shù)據(jù)路徑。數(shù)據(jù)路徑是由命令位置復(fù)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(yùn)動(dòng)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。 軸緩沖保持在給定的內(nèi)插器的下一個(gè)位置增量。因此，下 一個(gè)內(nèi)插的位置，可以從軸線緩沖器立即加載。然后，新的內(nèi)插位置可以存儲(chǔ)到緩沖一次。重新采樣進(jìn)行重采樣算法。在兩個(gè)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(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)了位置控制算法，并提供接口向馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器。幾種控制算法可用，如數(shù)字微分分析器（ 模糊控制器。在這項(xiàng)研究中， 制器采用兩個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器通過從軸同步模塊的控制信號(hào)同步。 一些互補(bǔ)的模塊也納入 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 / 斷控制模塊用于當(dāng)特定事件發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生中斷信號(hào)給 時(shí)鐘控制模塊提供時(shí)鐘信號(hào)給其它模塊。 運(yùn)動(dòng)控制器和其他配套模塊的硬件實(shí)現(xiàn)了文獻(xiàn)中已全面討論，本文的其余部分將在實(shí)現(xiàn)重采樣算法的討論。 圖 6示出了重采樣控制器的結(jié)構(gòu)。從主軸編碼器適配器的信號(hào)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(dāng)啟動(dòng)信號(hào)到達(dá)時(shí)，相位計(jì)數(shù)器將等待索引信號(hào)。索引信號(hào)的到來之 后，相位計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)輸入脈沖。當(dāng)脈沖計(jì)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(hào)將經(jīng)過與門作為時(shí)鐘進(jìn)行加法運(yùn)算。重新采樣將執(zhí)行加（ 6）當(dāng) ^比特計(jì)數(shù)器。它需要 ?除了次溢出。當(dāng)溢出發(fā)生時(shí)，在負(fù)荷信號(hào)設(shè)置和重采樣將加載新的內(nèi)插位置形成軸緩沖。 重新采樣的結(jié)構(gòu)示于圖 個(gè)加法器和三個(gè)寄存器。該移位器用來執(zhí)行在（ 6）的除法運(yùn)算。在這項(xiàng)工作中，我們選中 N=5，輸入 △ A 是由一個(gè) 8位定點(diǎn)數(shù)來表示。重新采樣器的輸出是一個(gè) 8位的定點(diǎn)數(shù)。 △ 在負(fù)荷信號(hào)到來時(shí)，新的 △ 存 13>位加法器使用做在（ 6）的加法運(yùn)算。每次加入果電 機(jī)控制器需要下一個(gè)命令的增量位置，著，再采樣位置， 位值，被鎖定在 位。因此，在 新采樣結(jié)構(gòu) 五 數(shù)控車床控制器的建立是為了測(cè)試所提出的控制方法。實(shí)驗(yàn)數(shù)控系統(tǒng)的示意圖示于圖。 實(shí)時(shí)的部分和實(shí)時(shí)一個(gè)和非實(shí)時(shí)部分包括一個(gè) 32 位的 20速存儲(chǔ)器， 信端口和一個(gè)調(diào)試單元。非實(shí)時(shí)部運(yùn)行 作系統(tǒng)。 控制軟件包括用戶界面，解釋器，內(nèi)插器，順序邏輯，通信， 時(shí)部 的硬件包括一個(gè) 8位 個(gè)雙端口 個(gè) 個(gè) D / 端口 中包括內(nèi)插位置。 將其發(fā)送到 /實(shí)時(shí) 重新配置的控制邏輯是在 D / 9示出在 在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主軸編碼器的分辨率為 4800脈沖每轉(zhuǎn)（后四人間）。些加工程序都在該控制器上進(jìn)行測(cè)試來檢查建議的可重構(gòu)邏輯。一個(gè)分析程序在正常模式下測(cè)試直線和圓弧飼料的功能，而其他三個(gè)方案驗(yàn)證在線程模式下的重采樣算法。螺紋的參數(shù)在表 絲 測(cè)試列出，主軸轉(zhuǎn)速被設(shè)定為 500，實(shí)際速度是 據(jù)（ 8），在測(cè)試的等效插補(bǔ)周期為 圖 10示出在測(cè)試中 車絲過程。 圖 11 表示成品零件。所有的測(cè)試程序和預(yù)期一樣。結(jié)果表明，該架構(gòu)是可行的數(shù)控車床控制器。 驗(yàn)系統(tǒng)的圖 制器的硬件設(shè)置 表一 測(cè)試線程的參數(shù) 參數(shù) 測(cè)試一 測(cè)試二 測(cè)試三 大徑（ 20 22 16徑（ 度（ 30 30 30 鉛（ 青（ 減率 0 0 論 單頭直螺紋 雙啟動(dòng)直螺紋 單頭錐螺紋 程 值得 注意的是，通過利用可重構(gòu)邏輯，電動(dòng)機(jī)控制任務(wù)和重新采樣算法，可以由硬件實(shí)現(xiàn)。可重配置硬件增強(qiáng)了數(shù)控系統(tǒng)的性能。而且，這種結(jié)構(gòu)允許 車絲 之前要計(jì)算的內(nèi)插點(diǎn)，從而消除了需要在實(shí)時(shí)運(yùn)行插值。通過以間歇方式運(yùn)行的內(nèi)插，在實(shí)時(shí)上下文切換開銷被降低，和一個(gè)更高的數(shù)據(jù)吞吐量是可能的。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，控制軟件是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 是一個(gè)非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上運(yùn)行。因此，開發(fā)人員可以使用標(biāo)準(zhǔn)的編程工具來構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)軟件。 六 本文介紹了可重構(gòu)硬件體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控車床控制器的開發(fā)。我們提出了一個(gè)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(dòng)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(nèi)插任務(wù)和電機(jī)控制任務(wù)可以異步運(yùn)行。從而，內(nèi)插可以在不久實(shí)時(shí)的方式來完成。這將簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)和提供了更高的數(shù)據(jù)吞吐量。 從設(shè)計(jì)者的觀點(diǎn)，重新采樣算法適用于由硬件執(zhí)行。再采樣邏輯的結(jié)構(gòu)也被本文提出。重新采樣，與其他的可重構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)一起，可以很容易地集成到一個(gè)可編程邏輯器件?？芍貥?gòu)硬件的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了靈活性。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成功驗(yàn)證了該重采樣算法的可行性和相應(yīng)的可重構(gòu)邏輯。 參考 文獻(xiàn) [1] M. . 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