CN106933191A - 一种Newton‑Rapson迭代的插补系统 - Google Patents
一种Newton‑Rapson迭代的插补系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106933191A CN106933191A CN201710153320.4A CN201710153320A CN106933191A CN 106933191 A CN106933191 A CN 106933191A CN 201710153320 A CN201710153320 A CN 201710153320A CN 106933191 A CN106933191 A CN 106933191A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- axis
- interpolation
- numerical control
- servo
- module
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B19/00—Programme-control systems
- G05B19/02—Programme-control systems electric
- G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
- G05B19/41—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by interpolation, e.g. the computation of intermediate points between programmed end points to define the path to be followed and the rate of travel along that path
- G05B19/4103—Digital interpolation
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B2219/00—Program-control systems
- G05B2219/30—Nc systems
- G05B2219/34—Director, elements to supervisory
- G05B2219/34148—Coons interpolation, patch
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Human Computer Interaction (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Numerical Control (AREA)
Abstract
本发明公开了一种Newton‑Rapson迭代的插补系统，包括数控PC机、数控运动控制器、伺服/驱动模块、通讯及主轴模块、数控机床本体结构、检测元件模块；所述的数控运动控制器，左端通过ISA总线与数控PC机相连接，实现数据的交换，右下端通过D/A接口与伺服/驱动模块相连，右上端与通讯及主轴模块相连接，实现数控插补系统的通讯及主轴运动；所述的数控运动控制器包括DSP、FPGA及NURBS曲线插补运算器，用于完成NURBS曲线Newton‑Rapson迭代的数控插补。同时，本发明公开了一种NURBS曲线Newton‑Rapson迭代数控插补的方法。本发明可以实现NURBS曲线Newton‑Rapson迭代的数控插补，提高了插补系统的插补精度，减少了NURBS曲线插补运算的计算量和插补误差、降低了成本低，能产生很好的经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种机电一体化的数控插补系统，更具体的说，涉及一种Newton-Rapson迭代的插补系统。
背景技术
根据现有的文献；《基于PCI 和USB总线的开放式运动控制器》一文的叙述：开发数控（NC）或计算机数控（CNC）系统作为制造形状复杂、高质量、高精度产品所必备的基础设备，已成为当今先进制造技术的一个重要组成部分。然而，FANUC、SIMENS等常规CNC系统为专用结构CNC，其组成的硬件模块和软件结构绝大多数是专用的、互不兼容的系统，各模块间的交互方式、通信机制也各不相同，这就造成了不同厂家控制系统的相对独立，彼此封闭。随着技术的进步，市场竞争的加剧，这种专用体系结构的数控系统越来越暴露出其固有的缺陷。一方面，各控制系统间互连能力差，影响了系统的相互集成，风格不一的操作方式以及专用件的大量使用，不但使用户培训费用增加，还给数控设备用户（NC系统的最终用户）带来很多不便；另一方面，系统的封闭性使它的扩充和修改极为有限，造成数控设备制造商（NC系统中间用户）对系统供应商的依赖，并难以将自己的专门技术、工艺经验集成入控制系统并形成自己的产品特点，这将不利于提高主机产品的竞争力。此外，专用的硬软件结构也限制了系统本身的持续开发，使系统的开发投资大、周期长、风险高、更新换代慢、不利于数控产品的技术进步。总之，数控系统的这一现状已不能适应当今制造业市场变化与竞争，也不能满足现代制造业向信息化、模块化和敏捷制造模式发展的需要。
因此，研究专门的数控插补系统十分必要。
根据现有的文献；张万军作者在《制造技术与机床》2013年2期期刊发表《三次B样条曲线修正算法的研究》一文所述：数控加工经常会遇到如飞机机翼、飞机叶轮等许多具有复杂外形轮廓的零件，通常用NURBS曲线表示。
另外，还根据现有的文献；张万军作者在《制造技术与机床》2015年4期发表《NURBS曲线定时/中断插补算法的研究》一文所述：现代数控系统的NURBS曲线插补是开放的CNC数控系统发展的核心技术之一，研究数控系统中的NURBS曲线新的插补方法显得尤为重要。
另外，根据现有的文献；张万军作者在《制造业自动化》2011年8期期刊发表《NURBS曲线修正插补算法的研究》一文所述：目前只有极少数FANUC、Siemens、三菱等数控系统支持NURBS插补，而绝大多数数控系统支持直线、圆弧或抛物线等插补。于是研究NURBS插补方法在开放的CNC系统中就显得十分必要，CNC系统中添加NURBS曲线插补，通常使用参数递推方法插补。
另外，还根据现有的文献；张万军作者在《Applied Mechanics and Materials》2014年12发表的《Research on modification algorithm of Cubic B-spline curveinterpolation technology》（EI(JA)：20152801018693），《Research on a algorithm ofadaptive interpolation for NURBS curve》（EI(JA)：20152801018372）等国际文献，详细地叙述了：
随着嵌入式的数控系统发展，以前的数控插补系统在体系和结构上存在很大的局限性，主要表现在：
（1）、以前的数控插补系统采用封闭式体系的数控系统，一般由生产厂商制造并进行扩展、改装、维修和调试，如Siemens 820D系统、Siemens810D系统、Siemens840D系统；
（2）、以前的数控插补系统没采用模块化的结构，数控系统的互换性、通用性较差；
（3）、以前的数控插补系统插补运算受数控运动控制器的限制，没有专门处理插补算法的NURBS曲线插补运算控制器，这样就导致数控插补运算量增大、插补计算时间增长，使得数控插补系统计算负担加重，必然会导致数控插补硬件及软件的成本增加，给用户增加不必要经济负担；
（4）、以前的数控插补系统很少采用DSP、FPGA及NURBS曲线插补运算器，在NURBS曲线插补运算中，增加了NURBS曲线插补运算的计算量和插补误差、提高了成本，不能能产生很好的经济和社会效益。
另外，现有技术中，利用NURBS曲线实现专门数控系统插补的技术已日益成熟，请参考申请人张万军的专利ZL 2015200430828的中国申请专利，发明名称为：一种Newton-Rapson迭代的数控插补系统，该专利包括人机交互的数控界面、数控PC、数控运动控制卡、插补装置、数控执行装置、位置/速度检测装置。该专利详细介绍了NURBS曲线利用Taylor公式的展开式求一阶、二阶导数实时插补之后，在利用Newton-Rapson迭代的插补算法求的、、的坐标点，进行NURBS曲线数据的拟合，完成NURBS曲线插补算法。同时，该专利也详细地叙述了CPLD的组成和NURBS曲线的插补运算器，最后，该专利完全可以实现NURBS的插补，提高了插补系统的插补精度，减少了NURBS曲线插补运算的计算量和插补误差、降低了成本低，能产生很好的经济和社会效益；但没有详细地叙述本专利的一种Newton-Rapson迭代的插补算法、NURBS曲线插补与Newton-Rapson迭代插补仿真对比、分析的问题。
另外，现有技术中关于曲线曲面插补及NURBS曲线插补技术也日趋完善，请参照兰州理工大学硕士学位申请者张万军的硕士学位论文：复杂曲线曲面插补技术修正算法的研究，该论文详细地介绍了NURBS曲线的插补及NURBS曲线的插补在数控系统中仿真实验过程。同时，该论文也对NURBS曲线插补参数递推一阶、两阶求解比较复杂，加工误差较大之后提出NURBS/B样条曲线曲面修正的插补算法，该算法不仅满足加工对精度方面的要求，同时也满足实时性的要求。最后，通过在MATLAB7.0上验证该算法是正确的，符合NURBS曲线曲面插补的要求。但该论文尚有以下几个方面的工作有待进一步深入研究：有关NURBS曲线曲面控制点、权因子用参数化在理论上可以表示，但在实际中科学上是很难驾驭和控制的，因此在科学实际应用中要更深层次的研究和探讨。同时，该论文由于时间和实验条件的关系，没有NURBS曲线插补系统进行深入的研究，也没有对NURBS曲线Newton-Rapson迭代插补进行深入地研究。
发明内容
本发明是为了克服上述传统的数控插补系统的局限性和不足，给出了一种Newton-Rapson迭代的插补系统。
同时，本发明还提供了另一种技术方案：一种NURBS曲线Newton-Rapson迭代的插补方法。
为了解决以上问题，本发明提供了一种Newton-Rapson迭代的插补系统，包括数控PC机、数控运动控制器、伺服/驱动模块、通讯及主轴模块、数控机床本体结构、检测元件模块；所述的数控运动控制器，左端通过ISA总线与数控PC机相连接，实现数据的交换，右下端通过D/A接口与伺服/驱动模块相连，右上端与通讯及主轴模块相连接，实现数控插补系统的通讯及主轴运动；所述的数控运动控制器包括DSP、FPGA及NURBS曲线插补运算器，用于完成NURBS曲线Newton-Rapson迭代的数控插补。
本发明进一步限定的技术方案如下：
所述的DSP采用TI公司的TMS20LF2400A的数字信号芯片作为控制器，完成插补算法的控制。
进一步地，所述的DSP包括还两个16位的定时器、电源管理模块、2K的RAM存储器、16通道的A/D转换器。
所述的FPGA采用ALTERA公司的可编程逻辑器件（PLDS）。
所述的伺服/驱动模块包括x轴伺服/驱动模块、y轴伺服/驱动模块、z轴伺服/驱动模块。
进一步地，所述的x轴伺服/驱动模块包括x轴伺服模块和x轴驱动模块。
进一步地，所述的x轴伺服模块由x轴的Sinamics V80伺服驱动电机构成，完成x轴的伺服运动。
进一步地，所述的x轴驱动模块x轴的DRV8x 电机驱动器构成，完成x轴的电机驱动运动。
所述的y轴伺服/驱动模块包括y轴伺服模块和y轴驱动模块。
进一步地，所述的y轴伺服模块由y轴的Sinamics V80伺服驱动电机构成，完成y轴的伺服运动。
进一步地，所述的y轴驱动模块y轴的DRV8x 电机驱动器构成，完成y轴的电机驱动运动。
进一步地，所述的z轴伺服/驱动模块包括z轴伺服模块和z轴驱动模块。
进一步地，所述的z轴伺服模块由z轴的Sinamics V80伺服驱动电机构成，完成z轴的伺服运动。
进一步地，所述的z轴驱动模块z轴的DRV8x 电机驱动器构成，完成z轴的电机驱动运动。
所述的通讯及主轴模块包括CAN接口、主轴DAC。
进一步地，所述的CAN接口与通讯接口相连，用于实现数控插补系统的数据通讯。
进一步地，所述的主轴DAC与主轴相连，用于控制主轴的插补运动。
所述的数控PC机通过ISA总线与数控运动控制器相连，实现数控插补系统的人机对话、系统管理、数控代码的解释。
详细地，所述的数控PC机采样频率为500Hz。
检测元件模块包括安装在x轴伺服电机上的光电编码器、y轴伺服电机上的光电编码器、z轴伺服电机上的光电编码器。
进一步地，所述的安装在x轴伺服电机上的光电编码器，将x轴伺服电机的角位移以脉冲的形式反馈到数控运动控制器，检测x轴角位移的大小量。
进一步地，所述的安装在y轴伺服电机上的光电编码器，将y轴伺服电机的角位移以脉冲的形式反馈到数控运动控制器，检测y轴角位移的大小量。
进一步地，所述的安装在z轴伺服电机上的光电编码器，将z轴伺服电机的角位移以脉冲的形式反馈到数控运动控制器，检测z轴角位移的大小量。
所述的数控机床本体结构包括谐波齿轮传动机构、滚珠丝杠。
本发明还提供了另一种技术方案：一种NURBS曲线Newton-Rapson迭代T的插补方法，其特征在于，按以下步骤进行：
步骤S1：NURBS曲线预处理；
输入NURBS曲线的参数，如控制点、权因子、节点矢量等参数；
又，NURBS曲线一分段的矢值有理多项式函数，其表达式为
（1）
又，式中：NURRBS的控制点矢量为，权因子为，称为节点矢量。
又， （2）
Taylor一阶展开式的插补算法
根据泰勒公式展开式（一阶展开式）
（3）
式中：是指Taylor展开的高阶项(High order Terms)。
设为沿曲线的进给速度，可由曲线对时间求导得到
（4）
对的一阶导数可以表示为
（5）
将式（4），（5）代入式（3）得到泰勒公式一阶展开式的近似计算公式为
（6）
设NURBS曲线上有存在插补最大减速点与最小加速点两点，点插补到点的曲线长度为，满足曲线插补弦长的关系式
（7）
步骤S2：计算方程；
详细地，设当前的插补点参数为，下一个插补点为，构造方程 ；
（8）
对于方程的解参数，满足关系式
（9）
更近一步地，采用Newton-Rapson迭代式的公式为
（10）
对求一阶导数为
（11）
将式（11）展开
（12）
（13）
（14）
步骤S3：计算迭代结果；
（15）
步骤S4：判断是否满足迭代条件
具体地，迭代条件为：
（16）
式中，为迭代误差精度的上限，迭代速度不一定满足此式子，速度上限为，满足。
（1）、若不满足迭代条件，则执行步骤S3；
（2）、若满足迭代条件，则执行步骤S5。
步骤S5：插补点为 ，保存 、；
更近一步地，令，将代入式（2）可得到、、，具体地，、、完成NURBS曲线插补。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：
1）、本发明采用模块化的结构，包括数控PC机、数控运动控制器、伺服/驱动模块、通讯及主轴模块、数控机床本体结构、检测元件模块，完成NURBS曲线Newton-Rapson迭代的插补。
2）、本发明采用的数控运动控制器包括DSP、FPGA及NURBS曲线插补运算器；所述的DSP采用TI公司的TMS20LF2400A的数字信号芯片作为控制器，完成插补算法的控制，所述的DSP包括还两个16位的定时器、电源管理模块、2K的RAM存储器、16通道的A/D转换器；所述的FPGA采用ALTERA公司的可编程逻辑器件（PLDS）；所述的NURBS曲线插补运算器，用于完成NURBS曲线的预处理、NURBS曲线的Newton-Rapson迭代的数控插补运算。
3）、本发明采用NURBS曲线Newton-Rapson迭代的插补方法，实现了NURBS曲线Newton-Rapson迭代的插补，具有较强通用性和实用性，可以简化运算、节约插补时间。
除了以上这些，本发明可以实现NURBS曲线Newton-Rapson迭代的数控插补，提高了插补系统的插补精度，减少了NURBS曲线插补运算的计算量和插补误差、降低了成本低，能产生很好的经济和社会效益。
本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
图1为本发明所述的一种Newton-Rapson迭代的插补系统的结构框图；
图2为本发明NURBS插补的数学模型图；
图3为本发明所述的一种Newton-Rapson迭代的插补系统实现NURBS曲线的Newton-Rapson迭代数控插补过程的流程图；
图4为本发明所述的一种Newton-Rapson迭代的插补系统中NURBS曲线数控插补仿真图；
图5为本发明所述的一种Newton-Rapson迭代的插补系统中Newton-Rapson迭代数控插补仿真图；
图6为本发明NURBS曲线的Newton-Rapson迭代MATLAB7.0中离散插补点仿真图；
图7为本发明所述的Newton-Rapson迭代的方法实现NURBS曲线数控插补的实例图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明及其实施方式作进一步详细描述。
实施实例1：
本实施例提供的一种Newton-Rapson迭代的插补系统，其结构示意图如图1所示，包括数控PC机、数控运动控制器、伺服/驱动模块、通讯及主轴模块、数控机床本体结构、检测元件模块；所述的数控运动控制器，左端通过ISA总线与数控PC机相连接，实现数据的交换，右下端通过D/A接口与伺服/驱动模块相连，右上端与通讯及主轴模块相连接，实现数控插补系统的通讯及主轴运动；所述的数控运动控制器包括DSP、FPGA及NURBS曲线插补运算器，用于完成NURBS曲线Newton-Rapson迭代的数控插补。
又，本发明采用模块化的结构，包括数控PC机、数控运动控制器、伺服/驱动模块、通讯及主轴模块、数控机床本体结构、检测元件模块，完成NURBS曲线Newton-Rapson迭代的插补，是本发明的一个显著特点。
所述的DSP采用TI公司的TMS20LF2400A的数字信号芯片作为控制器，完成插补算法的控制。
所述的DSP包括还两个16位的定时器、电源管理模块、2K的RAM存储器、16通道的A/D转换器。
所述的FPGA采用ALTERA公司的可编程逻辑器件（PLDS）。
所述的NURBS曲线插补运算器，用于完成NURBS曲线的预处理、NURBS曲线的Newton-Rapson迭代的数控插补运算。
又，本发明采用的数控运动控制器包括DSP、FPGA及NURBS曲线插补运算器；所述的DSP采用TI公司的TMS20LF2400A的数字信号芯片作为控制器，完成插补算法的控制，所述的DSP包括还两个16位的定时器、电源管理模块、2K的RAM存储器、16通道的A/D转换器；所述的FPGA采用ALTERA公司的可编程逻辑器件（PLDS）；所述的NURBS曲线插补运算器，用于完成NURBS曲线的预处理、NURBS曲线的Newton-Rapson迭代的数控插补运算，又是本发明的一个显著特点。
所述的伺服/驱动模块包括x轴伺服/驱动模块、y轴伺服/驱动模块、z轴伺服/驱动模块。
所述的x轴伺服/驱动模块包括x轴伺服模块和x轴驱动模块。
进一步地，所述的x轴伺服模块由x轴的Sinamics V80伺服驱动电机构成，完成x轴的伺服运动。
进一步地，所述的x轴驱动模块x轴的DRV8x 电机驱动器构成，完成x轴的电机驱动运动。
进一步地，所述的y轴伺服/驱动模块包括y轴伺服模块和y轴驱动模块。
进一步地，所述的y轴伺服模块由y轴的Sinamics V80伺服驱动电机构成，完成y轴的伺服运动。
进一步地，所述的y轴驱动模块y轴的DRV8x 电机驱动器构成，完成y轴的电机驱动运动。
进一步地，所述的z轴伺服/驱动模块包括z轴伺服模块和z轴驱动模块。
进一步地，所述的z轴伺服模块由z轴的Sinamics V80伺服驱动电机构成，完成z轴的伺服运动。
进一步地，所述的z轴驱动模块z轴的DRV8x 电机驱动器构成，完成z轴的电机驱动运动。
所述的通讯及主轴模块包括CAN接口、主轴DAC。
进一步地，所述的CAN接口与通讯接口相连，用于实现数控插补系统的数据通讯。
进一步地，所述的主轴DAC与主轴相连，用于控制主轴的插补运动。
所述的数控PC机通过ISA总线与数控运动控制器相连，实现数控插补系统的人机对话、系统管理、数控代码的解释。
所述的数控PC机采样频率为500Hz。
检测元件模块包括安装在x轴伺服电机上的光电编码器、y轴伺服电机上的光电编码器、z轴伺服电机上的光电编码器。
进一步地，所述的安装在x轴伺服电机上的光电编码器，将x轴伺服电机的角位移以脉冲的形式反馈到数控运动控制器，检测x轴角位移的大小量。
进一步地，所述的安装在y轴伺服电机上的光电编码器，将y轴伺服电机的角位移以脉冲的形式反馈到数控运动控制器，检测y轴角位移的大小量。
进一步地，所述的安装在z轴伺服电机上的光电编码器，将z轴伺服电机的角位移以脉冲的形式反馈到数控运动控制器，检测z轴角位移的大小量。
所述的数控机床本体结构包括谐波齿轮传动机构、滚珠丝杠。
NURBS插补的数学模型图，如图2所示，设NURBS曲线上有存在插补最大减速点与最小加速点两点，点插补到点的曲线长度为。
如图3所示，实现NURBS曲线的Newton-Rapson迭代数控插补系统插补的步骤：
步骤S1：NURBS曲线预处理；
输入NURBS曲线的参数，如控制点、权因子、节点矢量等参数；
又，NURBS曲线一分段的矢值有理多项式函数，其表达式为
（1）
又，式中：NURRBS的控制点矢量为，权因子为，称为节点矢量。
又， （2）
Taylor一阶展开式的插补算法
根据泰勒公式展开式（一阶展开式）
（3）
式中：是指Taylor展开的高阶项(High order Terms)。
设为沿曲线的进给速度，可由曲线对时间求导得到
（4）
对的一阶导数可以表示为
（5）
将式（4），（5）代入式（3）得到泰勒公式一阶展开式的近似计算公式为
（6）
设NURBS曲线上有存在插补最大减速点与最小加速点两点，点插补到点的曲线长度为，满足曲线插补弦长的关系式
（7）
步骤S2：计算方程；
详细地，设当前的插补点参数为，下一个插补点为，构造方程 ；
（8）
对于方程的解参数，满足关系式
（9）
更近一步地，采用Newton-Rapson迭代式的公式为
（10）
对求一阶导数为
（11）
将式（11）展开
（12）
（13）
（14）
步骤S3：计算迭代结果；
（15）
步骤S4：判断是否满足迭代条件
具体地，迭代条件为：
（16）
式中，为迭代误差精度的上限，迭代速度不一定满足此式子，速度上限为，满足。
（1）、若不满足迭代条件，则执行步骤S3；
（2）、若满足迭代条件，则执行步骤S5。
步骤S5：插补点为 ，保存 、；
更近一步地，令，将代入式（5）可得到、、，具体地，、、完成NURBS曲线插补。
又，本发明采用NURBS曲线Newton-Rapson迭代的插补方法，实现了NURBS曲线Newton-Rapson迭代的插补，具有较强通用性和实用性，可以简化运算、节约插补时间，又是本发明的一个显著特点。
实施实例2：
本发明执行的实验效果：
具体地，一种Newton-Rapson迭代的插补系统实时插补设定系统仿真的参数数值：
控制点：,,,,,；
权因子：；
节点：；
插补周期 ；
插补速度 ；
最大加速度 ；
最大弓高误差 ；
插补一次所用的时间约。
在该数控插补系统中实现NURBS曲线Newton-Rapson迭代的插补，分做出NURBS曲线数控插补仿真图、Newton-Rapson迭代的插补仿真图，如图4、5所示。
由仿真图4、5可知：
（1）、Newton-Rapson迭代的插补仿真图比NURBS曲线数控插补仿真图插补曲线的变化较为平稳，Newton-Rapson迭代的插补仿真更符合NURBS曲线插补的要求；
（2）、Newton-Rapson迭代的插补仿真图比NURBS曲线数控插补仿真图插补曲线的变化插补时间较短、精度较高。
NURBS曲线数控插补弓高误差图、Newton-Rapson迭代的插补弓高误差图，如图5、6所示。
进一步地，由图6做出NURBS曲线数控插补弓高误差结果分析表，如表1所示：
表1 NURBS曲线数控插补弓高误差结果分析表
进一步地，由图7做出Newton-Rapson迭代的插补弓高误差结果分析表，如表2所示：
表2 Newton-Rapson迭代的插补弓高误差结果分析
由图6、7及表1、2可知：
（1）、Newton-Rapson迭代的插补弓高误差比NURBS曲线数控插补弓高误差更小，满足减小插补弓高误差的要求；
（2）、Newton-Rapson迭代的插补时间比NURBS曲线数控插补时间更短，满足减小插补时间的要求；
（3）、Newton-Rapson迭代的插补精度比NURBS曲线数控插补精度更高，满足提高插补精度的要求。
本发明的显著特点是：
（1）、本发明采用模块化的结构，包括数控PC机、数控运动控制器、伺服/驱动模块、通讯及主轴模块、数控机床本体结构、检测元件模块，完成NURBS曲线Newton-Rapson迭代的插补。
（2）、本发明采用的数控运动控制器包括DSP、FPGA及NURBS曲线插补运算器；所述的DSP采用TI公司的TMS20LF2400A的数字信号芯片作为控制器，完成插补算法的控制，所述的DSP包括还两个16位的定时器、电源管理模块、2K的RAM存储器、16通道的A/D转换器；所述的FPGA采用ALTERA公司的可编程逻辑器件（PLDS）；所述的NURBS曲线插补运算器，用于完成NURBS曲线的预处理、NURBS曲线的Newton-Rapson迭代的数控插补运算。
（3）、本发明采用NURBS曲线Newton-Rapson迭代的插补方法，实现了NURBS曲线Newton-Rapson迭代的插补，具有较强通用性和实用性，可以简化运算、节约插补时间。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
Claims (7)
1.一种Newton-Rapson迭代的插补系统，其特征在于：包括数控PC机、数控运动控制器、伺服/驱动模块、通讯及主轴模块、数控机床本体结构、检测元件模块；所述的数控运动控制器，左端通过ISA总线与数控PC机相连接，实现数据的交换，右下端通过D/A接口与伺服/驱动模块相连，右上端与通讯及主轴模块相连接，实现数控插补系统的通讯及主轴运动；所述的数控运动控制器包括DSP、FPGA及NURBS曲线插补运算器，用于完成NURBS曲线Newton-Rapson迭代的数控插补。
2.如权利要求1所述的一种Newton-Rapson迭代的插补系统，其特征在于：所述的DSP采用TI公司的TMS20LF2400A的数字信号芯片作为控制器，完成插补算法的控制；
所述的DSP包括还两个16位的定时器、电源管理模块、2K的RAM存储器、16通道的A/D转换器。
3.如权利要求1所述的一种Newton-Rapson迭代的插补系统，其特征在于：所述的FPGA采用ALTERA公司的可编程逻辑器件（PLDS）。
4.如权利要求1所述的一种Newton-Rapson迭代的插补系统，其特征在于：所述的伺服/驱动模块包括x轴伺服/驱动模块、y轴伺服/驱动模块、z轴伺服/驱动模块；
（1）、所述的x轴伺服/驱动模块包括x轴伺服模块和x轴驱动模块；
所述的x轴伺服模块由x轴的Sinamics V80伺服驱动电机构成，完成x轴的伺服运动；
所述的x轴驱动模块x轴的DRV8x 电机驱动器构成，完成x轴的电机驱动运动；
（2）、所述的y轴伺服/驱动模块包括y轴伺服模块和y轴驱动模块；
所述的y轴伺服模块由y轴的Sinamics V80伺服驱动电机构成，完成y轴的伺服运动；
所述的y轴驱动模块y轴的DRV8x 电机驱动器构成，完成y轴的电机驱动运动；
（3）、所述的z轴伺服/驱动模块包括z轴伺服模块和z轴驱动模块；
所述的z轴伺服模块由z轴的Sinamics V80伺服驱动电机构成，完成z轴的伺服运动；
所述的z轴驱动模块z轴的DRV8x 电机驱动器构成，完成z轴的电机驱动运动。
5.如权利要求1所述的一种Newton-Rapson迭代的插补系统，其特征在于：所述的通讯及主轴模块包括CAN接口、主轴DAC；
（1）、所述的CAN接口与通讯接口相连，用于实现数控插补系统的数据通讯；
（2）、所述的主轴DAC与主轴相连，用于控制主轴的插补运动。
6.如权利要求1所述的一种Newton-Rapson迭代的插补系统，其特征在于：
所述的数控PC机通过ISA总线与数控运动控制器相连，实现数控插补系统的人机对话、系统管理、数控代码的解释；
所述的数控PC机采样频率为500Hz。
7.如权利要求1所述的一种Newton-Rapson迭代的插补系统，其特征在于：检测元件模块包括安装在x轴伺服电机上的光电编码器、y轴伺服电机上的光电编码器、z轴伺服电机上的光电编码器；
（1）、所述的安装在x轴伺服电机上的光电编码器，将x轴伺服电机的角位移以脉冲的形式反馈到数控运动控制器，检测x轴角位移的大小量；
（2）、所述的安装在y轴伺服电机上的光电编码器，将y轴伺服电机的角位移以脉冲的形式反馈到数控运动控制器，检测y轴角位移的大小量；
（3）、所述的安装在z轴伺服电机上的光电编码器，将z轴伺服电机的角位移以脉冲的形式反馈到数控运动控制器，检测z轴角位移的大小量。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710153320.4A CN106933191A (zh) | 2017-03-15 | 2017-03-15 | 一种Newton‑Rapson迭代的插补系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710153320.4A CN106933191A (zh) | 2017-03-15 | 2017-03-15 | 一种Newton‑Rapson迭代的插补系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106933191A true CN106933191A (zh) | 2017-07-07 |
Family
ID=59433323
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710153320.4A Pending CN106933191A (zh) | 2017-03-15 | 2017-03-15 | 一种Newton‑Rapson迭代的插补系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106933191A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108490884A (zh) * | 2018-03-22 | 2018-09-04 | 合肥工业大学 | 一种数控机床实验教学装置 |
| CN109100977A (zh) * | 2018-09-14 | 2018-12-28 | 安徽创弘精密机械有限公司 | 一种用于数控机床的主轴电机控制系统 |
-
2017
- 2017-03-15 CN CN201710153320.4A patent/CN106933191A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108490884A (zh) * | 2018-03-22 | 2018-09-04 | 合肥工业大学 | 一种数控机床实验教学装置 |
| CN108490884B (zh) * | 2018-03-22 | 2021-02-12 | 合肥工业大学 | 一种数控机床实验教学装置 |
| CN109100977A (zh) * | 2018-09-14 | 2018-12-28 | 安徽创弘精密机械有限公司 | 一种用于数控机床的主轴电机控制系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Liu et al. | Development and implementation of a NURBS interpolator with smooth feedrate scheduling for CNC machine tools | |
| Yau et al. | Real-time NURBS interpolation using FPGA for high speed motion control | |
| CN101482979A (zh) | 一种光顺优化的nurbs空间曲线曲率连续拼接的cad方法 | |
| WO1996035980A1 (fr) | Procede et dispositif d'interpolation d'une surface de forme libre et appareil correspondant | |
| CN102073301B (zh) | 具有刀具长度补偿功能的五轴样条插补器 | |
| CN106933191A (zh) | 一种Newton‑Rapson迭代的插补系统 | |
| CN104317251A (zh) | 基于Obrechkoff算法的三次NURBS曲线实时插补方法 | |
| Baek et al. | Fast and precision NURBS interpolator for CNC systems | |
| Du et al. | Sliding mode control with third-order contour error estimation for free-form contour following | |
| CN108490874B (zh) | 一种双轴运动控制系统的非线性pid交叉耦合控制方法 | |
| Zhang et al. | Study on Embedded CNC System for NURBS Curves Method of Interpolation Arithmetic | |
| Wu et al. | Fast NURBS interpolation based on the biarc guide curve | |
| CN204374726U (zh) | 一种基于b样条曲线高速实时插补的数控系统 | |
| Chang et al. | Design and implementation of look-ahead linear jerk filter for a computerized numerical controlled machine | |
| Jahanpour et al. | High-speed contouring control with NURBS-based C 2 PH spline curves | |
| CN113910245A (zh) | 基于大数据聚类的工业机器人控制方法 | |
| CN106990757A (zh) | 基于DSP+FPGA的Newton‑Rapson迭代数控插补系统 | |
| CN111414672B (zh) | 基于数控系统的曲轴磨削方法及装置 | |
| CN104636522B (zh) | 一种优化的nurbs和dda曲线两级插补方法 | |
| CN205594426U (zh) | 一种pci控制的数控插补系统 | |
| Suryawanshi et al. | Low cost and open source software-based CNC router for machining contours | |
| CN108873790B (zh) | 基于fpga的sopc多轴联动运动控制器及控制系统 | |
| CN206649337U (zh) | 一种复杂曲线的高速数控插补控制系统 | |
| Nagata et al. | Intelligent machining system for the artistic design of wooden paint rollers | |
| CN205139682U (zh) | 一种基于arm+fpga双处理器的数控插补系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170707 |