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

2020-12-16阅读(674)

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

论文摘要

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。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 数控插补原理概述
  • 1.3 数控插补技术研究现状及发展趋势
  • 1.3.1 传统数控插补技术的不足与对策
  • 1.3.2 PYTHAGOREAN HODOGRAPH曲线插补技术的特点及优势
  • 1.4 运动控制器ASIC的设计与实现概述
  • 1.5 基于FPGA的运动控制器ASIC的国内外研究现状
  • 1.6 本课题研究意义及主要内容
  • 1.6.1 课题研究意义
  • 1.6.2 课题的主要研究内容
  • 第二章 基于NiosⅡ的SOPC系统原理及开发流程概述
  • 2.1 SOPC技术概述
  • 2.2 SOPC系统硬件开发
  • 2.2.1 FPGA的结构及工作原理
  • 2.2.2 ALTERA CYCLONE系列产品简介及器件选型
  • 2.2.3 基于FPGA的EDA设计开发流程
  • 2.2.4 硬件描述语言概述
  • 2.3 基于NIOSⅡ的SOPC系统组件
  • 2.3.1 NIOSⅡ软核嵌入式处理器
  • 2.3.2 AVALON总线
  • 2.3.3 外围设备
  • 2.4 基于NIOSⅡ的SOPC系统开发环境及流程
  • 2.5 本章小结
  • 第三章 PH曲线运动控制器ASIC的设计与实现
  • 3.1 ASIC总体设计
  • 3.1.1 需求分析
  • 3.1.2 总体方案研究
  • 3.1.3 总体方案设计
  • 3.2 NiosⅡ处理器定制与生成
  • 3.3 精插补模块的构建与功能仿真
  • 3.3.1 精插补运算器算法原理
  • 3.3.2 步进脉冲环分器设计原理
  • 3.3.3 模块工作原理及端口连接电路原理
  • 3.3.4 模块的VHDL语言描述
  • 3.3.5 模块功能仿真
  • 3.4 其它模块构建与功能仿真
  • 3.4.1 手动控制模块
  • 3.4.2 FIFO存储器
  • 3.4.3 PLL模块与分频器
  • 3.4.4 数据写入FIFO控制模块
  • 3.4.5 复位信号延时模块
  • 3.5 系统综合
  • 3.5.5 NIOSⅡ处理器的I/O端口定义及连接
  • 3.5.6 片内模块的连接
  • 3.6 本章小结
  • 第四章 ASIC软件设计
  • 4.1 PH曲线数控粗插补算法在NiosⅡ CPU上的实现
  • 4.1.1 PH曲线数控插补算法
  • 4.1.2 粗插补算法实现流程
  • 4.2 粗插补数据发送设计原理
  • 4.2.1 粗插补数据的转换
  • 4.2.2 粗插补数据的发送流程设计
  • 4.3 串行通信模块设计原理
  • 4.3.1 通信协议的定义
  • 4.3.2 上位机PC的串行通信程序设计原理
  • 4.3.3 NIOSⅡ处理器的串行通信程序设计原理
  • 4.4 本章小结
  • 第五章 实验分析
  • 5.1 实验平台
  • 0的插补实验数据分析'>5.2 进给速度为定值V0的插补实验数据分析
  • 5.2.1 插补平均耗时及控制精度分析（不含刀具补偿算法）
  • 5.2.2 插补平均耗时及控制精度分析（含刀具补偿算法）
  • 5.3 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的学术论文
  • 致谢
  • 学位论文评阅及答辩情况表

    • 相关论文文献

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