超精密加工*大的特點(diǎn)是綜合應(yīng)用機(jī)械發(fā)展的新成就，以及現(xiàn)代電子、測(cè)量、計(jì)算機(jī)等新技末是機(jī)電一體化的結(jié)晶，目前已成為機(jī)械制造發(fā)展的重要方向之一。超精密加工的發(fā)展依賴于超精密機(jī)床，因而超精密機(jī)床的關(guān)鍵部分一超精密伺服控制和超精密測(cè)量系統(tǒng)以及加工測(cè)量一體化被受到廣泛的重視和發(fā)展。近年來(lái)，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展已成為促進(jìn)伺服控制技術(shù)向高性能發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，DSP芯片得到了飛速的發(fā)展，在信號(hào)處理、通信、雷達(dá)、遙感、語(yǔ)音和圖象處理、電子測(cè)量、自動(dòng)控制等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

　　在超精密機(jī)床伺服控制方面，為使機(jī)床工作臺(tái)達(dá)到亞微米級(jí)的線性運(yùn)動(dòng)精度，現(xiàn)代控制技術(shù)的引入顯得極為必要。

　　精細(xì)化的控制單位、以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給，已成為超精密數(shù)控加工的顯著特點(diǎn)，超精數(shù)控加工的插補(bǔ)周期已經(jīng)達(dá)到毫秒級(jí)。大數(shù)據(jù)量、高精度的插補(bǔ)運(yùn)算和控制，要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能高速度地對(duì)加工指令作出反應(yīng)，高速處理并計(jì)算出伺服電機(jī)的移動(dòng)量，隨后發(fā)出控制指令。DSP的數(shù)據(jù)吞吐能力高達(dá)數(shù)十MIPS，同時(shí)其指令周期短至幾十納秒，非常適合于大數(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)。將DSP應(yīng)用于高性能的超精密數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)不失為一種好的策略。事實(shí)上，DSP微處理器在超精密伺服控制系統(tǒng)、刀具檢測(cè)補(bǔ)償和快速伺服裝置、機(jī)床保護(hù)等方面都有著成功的應(yīng)用。

　　的設(shè)計(jì)和研制，并獲得了成功。其核心是ADSP2181芯片，插補(bǔ)周期達(dá)到5ms控制周期為0.5ms，編程分辨率為2nm，已具備了實(shí)際工況應(yīng)用的基本條件。

　　2數(shù)字信號(hào)處理器的典型性能數(shù)字信號(hào)處理器器件的主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。作為典型的DSP器件，ADSP2181的功能結(jié)構(gòu)如示。具有如下的典型性能：壓電陶瓷伺服裝置金剛石刀具誤差補(bǔ)償表在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)；片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問(wèn)；快速的中斷處理和硬件I/O支持，可以并行執(zhí)行多個(gè)操作；支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。

　　ADSP2181芯片的MAC（―次乘法和一次加法）時(shí)間已經(jīng)達(dá)到33ns芯片的引腳數(shù)量則已達(dá)到200個(gè)以上，引腳數(shù)量的增加，意味著結(jié)構(gòu)靈活性的增加，如外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展和處理器間的通信等。同時(shí)，DSP芯片的發(fā)展，使DSP系統(tǒng)的成本、體積、重量和功耗都有很大程度的下降。

　　―般都具有良好、高效的開(kāi)發(fā)工具和匯編語(yǔ)言支持。ADSP2100系列的各個(gè)提供編譯和連接的工具，用以生成可執(zhí)行文件，可執(zhí)行文件可以寫入DSP程序存儲(chǔ)區(qū)。DSP同時(shí)擁有仿真軟件，可以對(duì)程序運(yùn)行、中斷、定時(shí)等進(jìn)行仿真，從而具有極大的方便性，非常適合數(shù)控開(kāi)發(fā)的需要。

　　3DSP在超精密數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)可以分為單處理器和多處理器兩種類型。單處理器系統(tǒng)以單個(gè)CPU作為控制核心，所有功能都由一個(gè)CPU分時(shí)執(zhí)行，其軟件編程十分復(fù)雜，機(jī)床的進(jìn)給速度也受到影響。多處理器系統(tǒng)的典型是主從處理器結(jié)構(gòu)，主CPU完成前臺(tái)控制，即人機(jī)界面管理、信息顯示和預(yù)處理等工作；從CPU完成后臺(tái)控制即插補(bǔ)運(yùn)算、伺服控制及反饋處理等工作，負(fù)責(zé)頻繁的數(shù)據(jù)運(yùn)算和I/O操作。

　　超精密數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期極短、插補(bǔ)間隔小、其控制和插補(bǔ)運(yùn)算相當(dāng)頻繁，從而要求數(shù)控系統(tǒng)在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)各軸反饋的位置信號(hào)進(jìn)行處理，目前插補(bǔ)周期已經(jīng)達(dá)到毫秒級(jí)。單處理器數(shù)控系統(tǒng)很難達(dá)到如此快的數(shù)據(jù)處理速度，從而使多處理器系統(tǒng)的采用成為必然。DSP器件由于其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和極高的運(yùn)算速度，對(duì)超精密數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)是一種**的選擇，并為超精密數(shù)控系統(tǒng)中先進(jìn)控制算法的采用提供了可能。

　　事實(shí)上，DSP器件在超精密數(shù)控加工的伺服控制、刀具監(jiān)控補(bǔ)償及快速伺服、先進(jìn)控制算法采用、機(jī)床保護(hù)系統(tǒng)等方面都有著廣泛而有效的應(yīng)用。

　　3.1基于DSP的伺服控制系統(tǒng)高速的DSP微處理器，可以實(shí)現(xiàn)超精機(jī)床的高精度位置伺服控制與輪廓加工控制，同時(shí)提供機(jī)床及刀具的熱效應(yīng)和幾何誤差補(bǔ)償與控制。如Faunc15-BCNC系統(tǒng)采用具有33MHz主頻雙精度64字長(zhǎng)的MC68EC030雙CPU微處理器實(shí)現(xiàn)了具有1nm的高速CNC控制系統(tǒng)，在高精度輪廓加工控制方面，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)給率控制以保證加工的軌跡在指定軌跡的允許誤差范圍之內(nèi)。

　　期，ADSP2181完成的基本工作流程內(nèi)容為：讀取指令位置、計(jì)算并形成新軌跡、查詢并處理外部事件、對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

　　采用主從式多處理器的超精CNC結(jié)構(gòu)ADSP2181具有16位字長(zhǎng)，可在33ns內(nèi)完成任何一條指令。由于具有極高的運(yùn)算速度，該系統(tǒng)的插補(bǔ)周期和采樣控制周期分別達(dá)到2ms和0.5ms，大大提高了系統(tǒng)的敏捷性和實(shí)時(shí)性。與之相應(yīng)，實(shí)驗(yàn)加工中的控制精度達(dá)到了0.m，與常規(guī)的主機(jī)控制、插補(bǔ)控制周期一體化的加工精度相比，綜合精度指標(biāo)極大提高。

　　3.2采用DSP改進(jìn)控制算法高速度高性能的微處理器，尤其是數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的應(yīng)用，使許多先進(jìn)控制策略和方法，如自適應(yīng)控制、學(xué)習(xí)控制、摩擦控制等等，得以應(yīng)用于高精度伺服控制系統(tǒng)，大大提高了的控制精度和快速性。

　　A.Abler提出了“直接阻尼控制（DDC）算法，并以TMS320C30實(shí)現(xiàn)。該算法在使機(jī)床定位與跟蹤控制精度達(dá)到亞微米級(jí)的同時(shí)，有效地減小了超精密機(jī)床的動(dòng)態(tài)振動(dòng)噪聲對(duì)機(jī)床定位精度的影響。H.Yonezawaetal采用TMS320C30實(shí)現(xiàn)了PID+摩擦補(bǔ)償控制算法，使超精密工作臺(tái)高速定位精度達(dá)到0. YH-I型超精密數(shù)控系統(tǒng)基于ADSP2181強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)了FuzzrPid復(fù)合控制。伺服控制系統(tǒng)的采樣率達(dá)到2KHz.在實(shí)際運(yùn)行中，該系統(tǒng)將每個(gè)插補(bǔ)周期分為10個(gè)控制周期進(jìn)行伺服控制，從而對(duì)插補(bǔ)過(guò)程構(gòu)成更為有效的控制，使曲線插補(bǔ)更加準(zhǔn)確。結(jié)果表明：該方法大大提高了系統(tǒng)對(duì)曲線跟蹤的準(zhǔn)確性和快速性。與常規(guī)主處理器直接做PID伺服控制方法相比，伺服系統(tǒng)的正弦擾動(dòng)減小了約60%，控制精度則有70%的提高。

　　3.3DSP在刀具監(jiān)控和伺服方面的應(yīng)用為了對(duì)刀具進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中的系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，YH~I超精密數(shù)控系統(tǒng)采用自研的壓電陶瓷，以ADSP2181微處理器構(gòu)成伺服結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)環(huán)的伺服控制，其原理結(jié)構(gòu)為：原理結(jié)構(gòu)圖由于ADSP2181的快速運(yùn)算能力，可以對(duì)每個(gè)插補(bǔ)控制周期的補(bǔ)償數(shù)據(jù)進(jìn)行迅速而準(zhǔn)確的運(yùn)算。該刀具伺服機(jī)構(gòu)使刀具的定位精度達(dá)到了微米級(jí)，并具有良好、快速的動(dòng)態(tài)新型數(shù)控機(jī)床主軸交流電機(jī)變頻調(diào)速數(shù)控系統(tǒng)賀平、賀剛2夏秀紅3（1.湘潭大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系，湖南湘潭411105 2.益陽(yáng)橡膠機(jī)械廠技術(shù)處，湖南益陽(yáng)4130003.湘潭大學(xué)實(shí)習(xí)工廠，湖南湘潭41105）器輸出交流電正弦波失真所造成的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電機(jī)損耗。

　　機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中，為了加工出某些形狀復(fù)雜、精度要求很高的機(jī)械零件。大家千方百計(jì)進(jìn)行科技攻關(guān)，努力改進(jìn)加工工藝和加工設(shè)備。特別是在提高數(shù)探機(jī)床的加工精度上，下了很大的功夫，得到較好的效果。要想進(jìn)一步提高加工精度，對(duì)在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)誤差避免和誤差補(bǔ)償?shù)?佳效果，仍是眾目所矚的重要途徑。本文介紹的數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)，采用了一種正弦波脈寬調(diào)制變頻器，可以很大程度的減少數(shù)控機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電機(jī)熱損耗，從而提高了數(shù)控機(jī)床的加工精度。

　　1機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及主軸轉(zhuǎn)速控制作為數(shù)控機(jī)床控制中樞的本機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，由工業(yè)微機(jī)IPC，進(jìn)給控制，輔助控制和主軸轉(zhuǎn)速控制四個(gè)基本部分組Dornfeld等建立了一個(gè)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，對(duì)刀具磨損進(jìn)行監(jiān)控和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)，該系統(tǒng)采用高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP完成數(shù)據(jù)的處理運(yùn)算該系統(tǒng)監(jiān)視刀具磨損的正確率對(duì)切削條件變化不敏感，在切削條件較大的變化范圍內(nèi)，正確判別率可達(dá)95%，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果良好。

　　4結(jié)語(yǔ)DSP由于其強(qiáng)大的運(yùn)算能力、良好的I/O操作功能、極高的處理速度在超精密數(shù)控系統(tǒng)中獲得了成功的應(yīng)用。

　　基于DSP的PC平臺(tái)上的超精密CNC系統(tǒng)可以使用戶以很少的費(fèi)用不斷進(jìn)行軟、硬件升級(jí)，在一定時(shí)間內(nèi)跟上數(shù)控技術(shù)發(fā)展的步伐，而不象封閉型系統(tǒng)很快就會(huì)落后乃至淘汰。DSP的應(yīng)用，為超精密數(shù)控的伺服控制系統(tǒng)提供了良好的發(fā)展前景。從長(zhǎng)遠(yuǎn)觀點(diǎn)看，要達(dá)到高速、精確、容易改進(jìn)的跟蹤伺服控制，用DSP微處理器進(jìn)行超精密CNC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是*佳的選擇。