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实时Pythagorean Hodograph曲线运动控制器ASIC的设计与实现

作　者: 郭竞杰
导　师: 唐伟
学　校: 山东大学
专　业: 机械电子工程
关键词: Pythagorean Hodograph(PH)曲线 插补 运动控制器 ASIC FPGA
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 26次
引　用: 1次
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内容摘要


在高速高精度的数控加工中,进给速度的剧烈波动会对加工质量产生严重影响。为了保持进给速度恒定,要求刀具在单位时间内走过的曲线弧长为定值。另外刀具半径补偿在数控加工中占有重要地位,而刀补与偏置曲线有密切关系。目前,在弧长和曲线偏置的实时计算方面,还存在计算精度低、计算量大等有待解决的问题。为了解决上述问题,美国学者R. T. Farouki和T. Sakkalis提出了Pythagorean Hodograph曲线(即毕达哥拉斯速端曲线,简称PH曲线)。PH曲线是一类特殊的多项式参数曲线,与现有的CAD系统的Bezier/B样条曲线兼容。利用PH曲线能够实现曲线弧长和偏置曲线的快速计算,能够较为简便地实现进给速度控制。为了进一步提高PH曲线数控插补技术的加工精度与插补速度,本文提出并实现了一种单个FPGA芯片上构建的实时PH曲线运动控制器ASIC。该ASIC在FPGA开发软件QuartusⅡ9.0中设计,由一个NiosⅡ软核处理器和多个功能模块构成。它通过采用二次插补方式以减少PH曲线插补的计算量。NiosⅡ处理器执行主控程序和PH曲线粗插补算法,FPGA硬件逻辑执行精插补算法并输出两组用于执行机构(2个步进电机)运动控制的脉冲。在Visual C++6.0中开发了上位机PC和该运动控制器ASIC的专用串行通信软件。用户可以在PC中输入所有与PH曲线插补有关的数据和控制指令(如插补起始点和结束点坐标信息、PH曲线的Bernstein系数、进给速度、刀具半径等),这些数据和控制指令可通过串行通信方式传送到该ASIC中。实验数据表明,在进给速度恒定的情况下,包含刀具补偿算法的单次PH曲线插补平均耗时小于2ms。得益于FPGA的硬件优势,该实时PH曲线运动控制器ASIC具有高速、高精度、高集成度等优良特性,可以满足高速高精度数控加工的需要。

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属切削加工及机床 > 程序控制机床、数控机床及其加工
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