經濟型車床數(shù)控系統(tǒng)精插器的設計

廣州數(shù)控設備有限公司 張運安

1.前言

數(shù)控機床是現(xiàn)代制造技術中的重要組成部分，是裝備制造業(yè)的工作母機。當今世界，數(shù)控機床的水平和擁有量，已經成為衡量一個國家制造業(yè)水平、工業(yè)現(xiàn)代化程度和國家綜合競爭力的重要指標。數(shù)控技術是由機械學、控制論、電子學、計算機科學四大基礎學科發(fā)展起來的一門綜合性的新型學科。

數(shù)控系統(tǒng)的性能不斷向高速、高精度、高效、高可靠性的趨勢發(fā)展。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床中的核心裝置，而插補器又是數(shù)控系統(tǒng)的主要功能部件。下面主要介紹硬件插補器中常用到的二進制脈沖乘法器。

2.插補原理

眾所周知，插補就是數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)編程時的有限數(shù)據(jù)，按照一定方法產生基本線型（直線和圓弧等），并以此為基礎完成所需要輪廓軌跡的加工擬合工作。插補是數(shù)控系統(tǒng)的主要功能，它的性能直接影響數(shù)控機床加工的質量和效率。目前應用的插補方法分為脈沖增量插補和數(shù)字增量插補兩大類。

現(xiàn)代經濟型、普及型數(shù)控系統(tǒng)多采用軟件粗插補和硬件精插補相結合的設計方法，而且較多采用16位或32位的CPU加上大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD或FPGA為主的硬件架構，其插補運動主要由軟硬件協(xié)調配合完成。即軟件只要將下一個插補周期內每個進給軸的插補運動數(shù)據(jù)計算好，然后就可通過數(shù)據(jù)總線送給CPLD或FPGA內的精插補器。精插補器接著在一個插補周期內均勻地發(fā)出相應數(shù)量的脈沖，以此同時驅動每個進給軸做出相應的插補運動，通過運動合成后形成工件的加工軌跡。精插補器發(fā)完脈沖后產生一中斷信號，通知CPU繼續(xù)送插補數(shù)據(jù)給它的二級數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，如此過程循環(huán)不斷直至完成相應的加工指令。數(shù)字脈沖乘法器又稱二進制比例乘法器（Binary Rate Multiplier--BRM），它是數(shù)控機床上最簡單的直線插補器，它可以方便地實現(xiàn)多坐標直線插補。數(shù)字脈沖乘法器是精插器的關鍵部件，實質上它主要完成在一個插補周期內將插補數(shù)據(jù)轉化為相應數(shù)量的均勻脈沖輸出的功能，也就是脈沖發(fā)生器。

3.脈沖乘法器的邏輯原理和設計實現(xiàn)

在TTL和CMOS集成電路中，CD4089是四位二進制比例乘法器。CD4089的主要功能是輸出的脈沖數(shù)等于輸入時鐘脈沖數(shù)乘以一個系數(shù)，該系數(shù)的范圍為1/16-15/16，系數(shù)由四位二進制輸入端A0-A3置數(shù)確定。如當數(shù)量為13（A3A2A1A0=1101）時，則每輸入16個時鐘脈沖，在輸出端可得到13個脈沖。該比例乘法器可完成多種數(shù)學運算。這里不做詳細說明，可參考其手冊。

圖1 脈沖乘法器

從CD4089的四位二進制比例乘法器的邏輯圖可以推廣到N位二進制比例乘法器的一般邏輯原理。其實質就是由一個N位脈沖分頻器（即二進制計數(shù)器）和一個N位的乘法門矩陣所組成的邏輯電路。其邏輯功能就是將輸入的二進制數(shù)轉換為對應數(shù)量的脈沖進行輸出，如圖1所示。可見此N位數(shù)字脈沖乘法器中的N位分頻器在一次循環(huán)中，它的各級觸發(fā)器都按照2n-1，2n-2，…，21，20的規(guī)律將輸出脈沖送到各級乘法門Gn，Gn-1，Gn-2，…，G2，G1（即與門）的輸入端，各乘法門的輸出和輸入之間有如下的邏輯關系；

比較可知，這里增加了一個條件，分頻器各輸出端按2n-1，2n-2，…，21，20的規(guī)律送出的脈沖能否通過這些與門，取決與該與門的另一輸入端是否具備開門條件，即由數(shù)字A（被乘數(shù)）控制。若A是用二進制表示；〔A〕2=AnAn-1…Ai…A2A1

顯然二進制A中的某一位數(shù)Ai只能取1或0值，當其為0時相應的與門關閉；當其為1時相應的與門打開，因此在一個程序間隔時間內，圖1中或門輸出的脈沖數(shù)S應為：

上式說明：脈沖乘法器在一個程序間隔時間內，輸出的脈沖總數(shù)S等于控制端的二進制數(shù)A。在固定的程序周期內，改變控制量A就能同時改變脈沖數(shù)及脈沖的頻率，這意味著可以應用來控制步進電機的轉速和位置。根據(jù)以上的邏輯原理分析，我們可以用硬件描述語言VHDL實現(xiàn)二進制脈沖乘法器的邏輯功能。詳細實現(xiàn)代碼這里就不具體介紹了。

圖2 十六位二進制脈沖乘法器結構圖

圖3 實用型數(shù)字脈沖發(fā)生器結構圖

圖4 實用型數(shù)字脈沖發(fā)生器的邏輯原理圖

實用型數(shù)字脈沖發(fā)生器（如圖3所示）由五個邏輯模塊組成（如圖4所示），其中counter16為分頻器模塊（實質是十六位同步計數(shù)器），latch16為十六位二級數(shù)據(jù)緩沖鎖存器，plus_outok為十六位二進制脈沖乘法器（如圖2所示），divfre32為脈沖均勻器，explus為固定脈寬生成器。輸入輸出信號說明：IN[12…1]是12位控制數(shù)據(jù)輸入端，即在一個插補周期內最多輸出212-1=4095個脈沖；OPEN是脈沖輸出啟動控制端；LOAD是控制數(shù)據(jù)自動裝載輸入端；ENA是脈沖發(fā)生器使能控制端；/CLEAR是全局復位信號端；CLOCK、CLK4M、CLKIN都是不同頻率的時鐘信號，其中CLK4M、CLKIN由CLOCK分頻可得；PLUS是脈沖信號輸出端；PLUS_END則是程序周期結束信號輸出，也稱插補周期中斷輸出信號，可用來向CPU發(fā)出中斷信號，CPU在中斷服務程序中可繼續(xù)發(fā)送下一插補周期的控制數(shù)據(jù)，因此可連續(xù)不斷地改變步進電機的速度和位置，直到終點坐標位置為止。其他邏輯模塊的原理及實現(xiàn)這里不作詳細說明了。注意：由于使用脈沖乘法器產生的脈沖串在時間上分布是不均勻的，這種不均勻的脈沖序列將使驅動電機運動速度不均勻，而且引起所插補的折線與實際直線的偏差增大，從而降低了數(shù)控系統(tǒng)的加工精度。因此要在脈沖輸出端增加均勻化處理電路，均勻器實際上是一個二進制分頻器，一般采用2級或3級（即分頻系數(shù)為4或8），但是使用脈沖均勻器必須相應提高CLKIN輸入的頻率（前提是設計的最高脈沖輸出頻率不變）。脈沖輸出頻率的計算公式：

（PPS）式中Fclk為輸入時鐘頻率；R0為倍乘系數(shù)，一般為1、2、4、8、16；A為控制變量脈沖數(shù)，數(shù)量范圍與脈沖乘法器的位數(shù)有關，這里為0-4095；K0則為插補周期的倒數(shù)，一般為固定常數(shù)，設T0=1/K0，則T0就是插補周期，一般取1ms或2ms或4ms或8ms為一周期。

例如：令Fclk=32.768MHZ，T0=8ms，則R0=4，K0=125，F(xiàn)out=125·A，F(xiàn)out輸出的最大頻率為512KHZ。由計算公式還可知，提高K0或A都能提高最大輸出頻率，但Fclk也得相應提高輸入頻率，通常為二的倍數(shù)，況且插補周期一般不宜頻繁變化。

4.結束語

實用型數(shù)字脈沖發(fā)生器結合控制邏輯電路就能組成精插補器，并可以應用到實際的項目設計中。軟件粗插補和硬件精插補技術相結合，將很大提高插補運算的速度和效率，以及提高了插補的精度。實踐證明，此法簡單可靠，輸出脈沖非常均勻，已經成功應用于實現(xiàn)μ級精度的經濟型車床數(shù)控系統(tǒng)GSK928TC-2，該系統(tǒng)已批量投產，各項關鍵設計指標（加工速度、加工精度、穩(wěn)定性和可靠性）都達到預期的設計要求。

[1] 宋本基,張銘鈞.數(shù)控技術[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,1999(3).

[2] 夏宇聞.Verilog HDL數(shù)字系統(tǒng)設計教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003(7).