本发明专利技术涉及一种分层重构的NURBS曲线插补器及其配置方法，采用FPGA芯片和IP核技术，包括物理层、数据层和应用层。物理层由微处理器、中断管理、定时器、PLB总线、串口IP核、IP接口、接口控制模块、手动模式模块、精插补模块和反馈信号测量模块组成；数据层含有主机访问缓冲区和插补反馈寄存器组；数据层存储从数控控制器写入的NURBS曲线参数、加工命令和从反馈信号测量模块计算得到的各轴位移误差；应用层含有人机接口模块和粗插补模块，应用层接收现场配置信息，实现NURBS曲线粗插补。三层控制结构使现场配置易实现，降低了插补器重新配置所需时间和技术要求，提高了稳定性和可靠性，扩展了数控系统的加工能力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种计算机数控系统插补控制技术，具体的说是一种分层重构的 NURBS曲线插补器及其配置方法。
技术介绍
自由型曲线加工一直是制造工程研究的关键问题。随着国民经济的发展，航空、汽 车、船舶等制造行业对数控系统的复杂曲线加工能力和加工质量提出了更高要求。目前，对 自由型曲线加工的支持已经成为高档数控系统的衡量标准之一。有效解决自由型曲线加工首先要实现复杂曲线插补器的研制。但国内大多数数控 系统只能提供直线和圆弧插补，对自由型曲线插补的支持较少。插补器作为数控系统的技 术核心单元，是每个数控系统制造商极力保护的技术，因此限制了新技术和新方法在插补 器研究中的推广应用。国际标准化组织于1991年颁布了关于工业产品数据交换的STEP国 际标准，把NURBS作为定义工业产品几何形状的唯一数学方法。国内外研究者已就NURBS曲 线的实时插补、自适应插补和前瞻插补等方面做了研究，探索不同加工条件下的NURBS曲 线插补器的设计。近年来，随着半导体技术的发展，基于FPGA芯片和IP核的可重构性系统设计受到 重视，并被业界广泛接受。FPGA的并行计算能力、微处理器的管理能力和IP核的可复用特 性使得整个系统能够通过改变自身结构，以适应外界需求的快速变化。因此，基于FPGA和 IP核技术的NURBS曲线插补器可以满足不同层次的自由型曲线加工需要，扩展了插补器的 适用范围。但是目前NURBS曲线插补器的功能升级、改变或扩展主要由插补器设计人员实 现，数控机床操作人员无法根据自身需要现场配置，造成生产时间的极大浪费，不利于插补 器与数控机床其它单元模块协调工作，大大降低了系统的可靠性。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于针对现有插补器大多数不具备自由曲线插补能力，或具有 自由曲线插补能力，但不能现场配置的问题，而提供一种稳定性和可靠性高的分层重构的 NURBS曲线插补器，本专利技术的第二个目的是提供一种具备自由曲线插补能力，且能实现现场 配置的分层重构的NURBS曲线插补配置方法。本专利技术为了实现第一个目的，采用的技术方案是提供一种分层重构的NURBS曲 线插补器，采用FPGA芯片和IP核，包括有物理层、数据层和应用层，所述的物理层由微处 理器、中断管理、定时器、PLB总线、串口 IP核、IP接口、接口控制模块、手动模式模块、精插 补模块和反馈信号测量模块组成，通过PLB总线连接物理层中各模块，微处理器通过局部 总线与片外SRAM进行数据交换，通过PLB总线读取外部FLASH的插补器算法程序到内部 执行，手动模式模块接收外部手脉和急停信号；所述的数据层包括有主机访问缓冲区和插 补反馈寄存器组，主机访问缓冲区为双口 RAM，一端通过接口控制模块与外部数控控制器连 接，另一端通过总线转换接口与PLB总线连接；插补反馈寄存器组存储各轴位移误差，为反馈信号测量模块的内部寄存器，通过IP接口与PLB总线连接；所述的应用层包括有人机接 口模块和粗插补模块，人机接口模块通过PLB总线与串口 IP核连接，接收外部数控控制器 写入的配置信息；粗插补模块通过PLB总线与精插补模块连接，精插补模块输出各轴插补 信号到伺服驱动器。本专利技术的一种分层重构的NURBS曲线插补器，所述的物理层中的接口控制模块包 括串接的PCI核和主机访问控制模块，所述的PCI核由FPGA制造商提供，通过PCI接口 与数控控制器通信；主机访问控制模块根据用户的需要选择对应的接口类型，向主机访问 缓冲区写入加工命令和NURBS曲线参数。本专利技术的一种分层重构的NURBS曲线插补器，所述数据层中的主机访问缓冲区含 有插补命令寄存器组和NURBS曲线参数存储区，通过所述的插补命令寄存器组设定数控系 统加工参数，含有保存插补周期的插补周期寄存器、保存最大进给速度的进给速率寄存器、 保存数控系统允许的最大加速度的加速度寄存器、保存数控系统允许的最大加加速度的加 加速度寄存器和保存NURBS曲线插补允许的弦高误差最大值的弦高误差寄存器。本专利技术的一种分层重构的NURBS曲线插补器，所述应用层的粗插补模块含有系数 矩阵生成模块、前瞻插补模块和插补表格更新控制模块，通过系数矩阵生成模块接收主机 访问缓冲区的NURBS曲线参数，计算系数矩阵并存储；通过前瞻插补模块接收主机访问缓 冲区的NURBS曲线参数和加工参数，调用系数矩阵，根据设定的弦高误差，计算下一插补点 坐标值，生成前瞻插补表格，输出至插补表格更新控制模块；通过插补表格更新控制模块接 收前瞻插补模块的插补表格和反馈信号测量模块的反馈值，根据加速度和加加速度的限制 条件，更新插补表格，输出至精插补模块。本专利技术的一种分层重构的NURBS曲线插补器，所述数据层中的插补反馈寄存器 组含有X轴、Y轴、Z轴和U轴误差寄存器，通过X轴误差寄存器存储当前插补曲线段倒数 第二个插补周期的X轴位移误差，供插补表格更新控制模块读取；通过Y轴误差寄存器存储 当前插补曲线段倒数第二个插补周期的Y轴位移误差，供插补表格更新控制模块读取；通 过Z轴误差寄存器存储当前插补曲线段倒数第二个插补周期的Z轴位移误差，供插补表格 更新控制模块读取；通过U轴误差寄存器存储当前插补曲线段倒数第二个插补周期的U轴 位移误差，供插补表格更新控制模块读取。本专利技术的一种分层重构的NURBS曲线插补器，所述应用层的粗插补模块中的插补 表格更新控制模块包括下一插补曲线段模块、新插补加工参数模块和粗插补二次计算模 块，下一插补曲线段模块为插补表格中即将加工的一段NURBS曲线，用加工参数代替曲线 几何参数；新插补加工参数模块重新计算当前插补曲线段的加工参数，用于补偿各轴位移 误差；粗插补二次计算模块根据计算得到的新插补加工参数，把当前曲线段按照插补周期 进行粗插补。本专利技术为了实现第二个目的，采用的技术方案是为应用上述插补器而提供的一 种分层重构的NURBS曲线插补器的配置方法，包括以下步骤⑴开始，装置初始化，启动插补器配置的程序；配置程序在数控控制器平台上运行，通 过串口与NURBS曲线插补器的人机接口模块通信，当需要现场配置时，点击“插补器重新配 置”，然后选择或输入配置信息，完成后点击“发送”按钮；⑵判断通信是否请求中断在插补器配置程序中，点击“插补器重新配置”，NURBS曲线插补器产生串行口接受中断，插补器停止工作，直至配置完成；如是，则人机接口模块按照规定的通信协议，逐次判断配置命令，然后由微处理器写入 到对应寄存器或控制单元；在发送的配置数据中，第一字节为起始位OxAA，第二字节为配 置信息，第三字节为CRC校验位，第四字节为结束位0x55;如果不发生通信中断请求，则插补器按照最近一次配置工作，从未配置的插补器按照 默认状态工作；⑶判断通讯命令字起始位字节是否正确 如是，则判断CRC校验字节是否正确， 如是，则判断结束位字节是否正确， 如是，则配置数据有效，转入插补器配置；如果接收到的起始位字节、结束位字节或CRC校验字节错误，则不进行插补器配置，并 反馈配置错误信息，等待新的配置数据；⑷判断配置信息字节的D7位是否为1 如是，接口控制模式配置为PCI模式；如D7位不为1，则接口控制模式配置为USB模式；(5)判断配置信息字节的D6位是否为1 如是，主机访问缓冲区数据宽本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种分层重构的ＮＵＲＢＳ曲线插补器，采用ＦＰＧＡ芯片和ＩＰ核技术，其特征在于：包括有物理层、数据层和应用层，所述的物理层由微处理器、中断管理、定时器、ＰＬＢ总线、串口ＩＰ核、ＩＰ接口、接口控制模块、手动模式模块、精插补模块和反馈信号测量模块组成，通过ＰＬＢ总线连接物理层中各模块，微处理器通过局部总线与片外ＳＲＡＭ进行数据交换，通过ＰＬＢ总线读取外部ＦＬＡＳＨ的插补器算法程序到内部执行，手动模式模块接收外部手脉和急停信号；所述的数据层包括有主机访问缓冲区和插补反馈寄存器组，主机访问缓冲区为双口ＲＡＭ，一端通过接口控制模块与外部数控控制器连接，另一端通过总线转换接口与ＰＬＢ总线连接；插补反馈寄存器组存储各轴位移误差，为反馈信号测量模块的内部寄存器，通过ＩＰ接口与ＰＬＢ总线连接；所述的应用层包括有人机接口模块和粗插补模块，人机接口模块通过ＰＬＢ总线与串口ＩＰ核连接，接收外部数控控制器写入的配置信息；粗插补模块通过ＰＬＢ总线与精插补模块连接，精插补模块输出各轴插补信号到伺服驱动器。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：倪效勇，张红剑，王典洪，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：83
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