[發明專利]一種基于FPGA的三次B樣條曲線的硬件插補器

在審

• 申請號: 201310717322.3
• 申請日: 2013-12-23
• 公開（公告）號: CN103744352A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 周向東;宋寶;陳俊;唐小琦;凌文鋒;葉伯生;陳坤;王翰;唐玉枝
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G05B19/41
• 分類號: G05B19/41
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 朱仁玲

技術領域

本發明屬于數控機床加工技術領域，更具體地，涉及一種基于FPGA的三次B樣條曲線的硬件插補器，用于數控系統的曲線插補。

背景技術

隨著數控技術理論的高速發展，加工技術向著高速高精的方向發展，加工的零件曲面越來越復雜，表面精度要求越來越高，而且現在加工零件表面多為自由構造曲面，擁有復雜的曲面信息。傳統的數控系統只具備直線和圓弧插補功能，這樣計算機輔助制造（computer?Aided?Manufacturing，CAM）軟件必須將參數曲線離散成數量巨大的小線段以供數控系統使用，但是這樣加工信息量巨大，而且直線和圓弧也不能真實、完整的反應計算機輔助設計（Computer?Aided?Design，CAD）/CAM系統所生成的復雜曲面的信息，從而造成了制造精度偏離設計要求。因此，需要使用樣條參數曲線直接進行復雜曲線的輪廓描述和加工。

專利文獻200910055485.3公開了一種基于現場可編程門陣列（Field－Programmable?Gate?Array，FPGA）的硬件脈沖插補器，主要包括緩沖總線輸入的脈沖數據并提供一定狀態信息的先入先出隊列（First?Input?First?Output，FIFO）接口模塊，讀出FIFO中數據并與脈沖插補模塊握手的FIFO控制模塊，以及控制脈沖插補方向并且輸出脈沖信號的脈沖插補模塊。

專利文獻201210217490.1公開了一種基于PC-FPGA的的非均勻有理B樣條曲線（Non-Uniform?Rational?B-Splines，NURBS）曲線的實時插補算法，由CAD/CAM軟件生成離散的控制點集后通過以太網下載FPGA運動控制器繼而進行插補運算。

專利文獻201210510779.2公開了一種針對嵌入式系統的NURBS曲線實時插補模塊，主要進行了NURBS曲線的分段，然后根據NURBS曲線的轉折點來規劃進給速度，最后由復雜可編程邏輯器件（Complex?Programmable?Logic?Device，CPLD）控制伺服電機聯動進行插補。

現有的數控技術領域的樣條插補實現方法很多，基于PC方式的方法實現起來過于復雜，而在ARM中進行NURBS的插補計算，會使系統的計算任務過重，而且算法復雜導致FPGA資源消耗太多。到目前還沒有一種方式能夠既提高插補計算的速度，而且較少的消耗FPGA邏輯資源。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基于FPGA的三次B樣條曲線的硬件插補器，其目的在于解決由ARM在軟件層面進行曲線插補計算效率低下的問題，以及FPGA進行插補計算算法過于復雜的問題，由此解決在機械加工領域復雜曲線曲面零件加工的高精度，高速度的技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基于FPGA的三次B樣條曲線硬件插補器，包括ARM/FPGA數據交互模塊、樣條曲線參數計算模塊、精插補點計算模塊、脈沖發送模塊以及浮點運算模塊,其中:

所述ARM/FPGA數據交互模塊，用于從ARM接收三次B樣條曲線的控制點數據，并將其存入隨機存儲器（Random?Access?Memory，RAM）中；

所述樣條曲線參數計算模塊，用于從所述RAM中讀取三次B樣條曲線的控制點數據，并計算三次B樣條曲線的系數；

精插補點計算模塊，用于從樣條曲線參數計算模塊獲取三次B樣條曲線的系數，先進行遞推前的預計算，繼而計算每個精插補周期的插補點數據；

浮點運算模塊，用于在精插補點計算模塊進行插補計算過程中，完成整型計算，浮點計算和數據格式轉換；

脈沖發送模塊，用于接收精插補點計算模塊輸出的每個精插補周期的插補點數據，并根據所述插補點數據輸出每個精插補周期的插補脈沖量。

優選地，所述RAM為雙口RAM，進行乒乓操作，在ARM/FPGA數據交互模塊將B樣條曲線的控制點數據寫入雙口RAM中的一個RAM時時，樣條曲線參數計算模塊從雙口RAM中的另一個RAM時讀取B樣條曲線的控制點數據，雙口RAM中的兩塊RAM輪流進行讀寫操作。

進一步優選地，所述樣條曲線參數計算模塊包括坐標平移模塊和曲線參數計算模塊，其中：

所述坐標平移模塊用于對三次B樣條曲線的控制點進行坐標平移，將坐標系平移到第一個控制點上；

所述曲線參數計算模塊用于根據平衡后的控制點計算樣條曲線參數，樣條曲線參數的計算公式為：