[发明专利]一种基于ARM9嵌入式系统和FPGA的NURBS曲线分段插补方法

说明书

技术领域

本发明涉及数控技术领域，尤其涉及一种基于ARM9嵌入式系统及FPGA（现场可编程门阵列）的NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines，非均匀有理B样条)曲线分段插补方法。

背景技术

NURBS技术在CAD/CAM领域已经取得了比较成功的应用。在CAD/CAM软件中，零件自由曲面的设计常采用非均匀有理B样条（NURBS）表示，而在CNC领域的应用却相对滞后。传统的CNC系统只提供直线和圆弧插补功能，不能直接加工自由曲线曲面。因而，复杂型面零件（如模具、航空航天器模型、汽车模型等）的加工必须借助于CAD/CAM系统，将零件曲线、曲面轮廓离散成大量微段直线或圆弧来加工。这种加工方法存在多方面的局限性：首先，为了获得较高加工精度，CAM系统需要生成更加密集的小直线和圆弧拟合的曲线段，就需要用更多的NC代码来描述，而且随着加工精度要求的提高，NC代码量会成几何倍数增长，这样的处理方式不仅加重了CAD/CAM系统和CNC系统的传输负担，同时也占用了过多的CNC存储空间，因此，考虑到加工时间和加工耗费，常规插补方式效率低而且不经济；其次，由于曲线是由小线段和圆弧拟合而成，会导致曲线在节点处的速度和加速度的不连续，这样会导致加工过程中的进给率波动过大，降低加工精度和表面质量；另外，还会存在频繁的加减速处理、二次插补精度丢失等问题，限制了数控加工精度和效率的进一步提高。

发明内容

本发明提供一种基于ARM9嵌入式系统和FPGA的NURBS曲线分段插补方法，解决传统CNC系统在加工复杂零件时需离散成大量微段直线或圆弧，导致加工精度差效率低等问题，实现由NURBS曲线描述的复杂工件直接加工技术。

本发明一种基于ARM9嵌入式系统和FPGA的NURBS曲线分段插补方法，包括2个步骤：

1）粗插补

从NC代码文件中提取NURBS曲线描述的工件信息，得到控制点集合{P_i}、权因子集合{w_i}及指令速度F；

采用二阶泰勒展开近似法对NURBS曲线进行预插补，得到预插补点集合{(u_i,v_i,ρ_i)}，系统根据弓高误差变化情况自动识别曲线小曲率半径区，并动态调整预插补点进给速度，得到调整后的插补点速度集合：

V^m(u_i)={v|v(u_i)<F}

系统根据小曲率半径区插补点速度集合和曲率变化情况提取出小曲率半径区速度特征点：C^m(u_i)={u_i|min(V^m(u_i))}

以相邻速度特征点对NURBS曲线进行分段，得到分段曲线：

L_m={(C^m(u_i),C^m+1(u_i+1))}

采用自适应辛普森方法计算分段曲线长度，得到四元组{u_s,u_e,v_i,S_i}表示的曲线段数据，该数据包括曲线段首尾端点参数、进给速度、曲线段长度的信息；由ARM9嵌入式系统通过总线将曲线段数据写入到FPGA的FIFO队列中；

2）精插补

FPGA读取FIFO队列中曲线段数据，采用S型加减速方法进行加减速处理，根据NURBS曲线定义式实时生成插补点坐标；

外围电路将各进给轴运动分量以脉冲量形式输出到电动机的信号控制端口，实现电动机伺服控制。

所述的系统根据小曲率半径区插补点速度集合和曲率变化情况提取出小曲率半径区速度特征点，具体步骤是：

所述的小曲率半径区预插补点速度集合为：

V^m(u_i)={v|v(u_i)<F}

其中：为第m个小曲线半径区起始参数；

采用贪心算法对小曲率半径区进行扫描，提取小曲率半径区的最低速度插补点，具体为：

Step1速度特征点初始化：令特征点进给速度V_f＝F，参数U_f=1；