[发明专利]一种基于FPGA的三次B样条曲线的硬件插补器

说明书

技术领域

本发明属于数控机床加工技术领域，更具体地，涉及一种基于FPGA的三次B样条曲线的硬件插补器，用于数控系统的曲线插补。

背景技术

随着数控技术理论的高速发展，加工技术向着高速高精的方向发展，加工的零件曲面越来越复杂，表面精度要求越来越高，而且现在加工零件表面多为自由构造曲面，拥有复杂的曲面信息。传统的数控系统只具备直线和圆弧插补功能，这样计算机辅助制造（computer Aided Manufacturing，CAM）软件必须将参数曲线离散成数量巨大的小线段以供数控系统使用，但是这样加工信息量巨大，而且直线和圆弧也不能真实、完整的反应计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）/CAM系统所生成的复杂曲面的信息，从而造成了制造精度偏离设计要求。因此，需要使用样条参数曲线直接进行复杂曲线的轮廓描述和加工。

专利文献200910055485.3公开了一种基于现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array，FPGA）的硬件脉冲插补器，主要包括缓冲总线输入的脉冲数据并提供一定状态信息的先入先出队列（First Input First Output，FIFO）接口模块，读出FIFO中数据并与脉冲插补模块握手的FIFO控制模块，以及控制脉冲插补方向并且输出脉冲信号的脉冲插补模块。

专利文献201210217490.1公开了一种基于PC-FPGA的的非均匀有理B样条曲线（Non-Uniform Rational B-Splines，NURBS）曲线的实时插补算法，由CAD/CAM软件生成离散的控制点集后通过以太网下载FPGA运动控制器继而进行插补运算。

专利文献201210510779.2公开了一种针对嵌入式系统的NURBS曲线实时插补模块，主要进行了NURBS曲线的分段，然后根据NURBS曲线的转折点来规划进给速度，最后由复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）控制伺服电机联动进行插补。

现有的数控技术领域的样条插补实现方法很多，基于PC方式的方法实现起来过于复杂，而在ARM中进行NURBS的插补计算，会使系统的计算任务过重，而且算法复杂导致FPGA资源消耗太多。到目前还没有一种方式能够既提高插补计算的速度，而且较少的消耗FPGA逻辑资源。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于FPGA的三次B样条曲线的硬件插补器，其目的在于解决由ARM在软件层面进行曲线插补计算效率低下的问题，以及FPGA进行插补计算算法过于复杂的问题，由此解决在机械加工领域复杂曲线曲面零件加工的高精度，高速度的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于FPGA的三次B样条曲线硬件插补器，包括ARM/FPGA数据交互模块、样条曲线参数计算模块、精插补点计算模块、脉冲发送模块以及浮点运算模块,其中:

所述ARM/FPGA数据交互模块，用于从ARM接收三次B样条曲线的控制点数据，并将其存入随机存储器（Random Access Memory，RAM）中；

所述样条曲线参数计算模块，用于从所述RAM中读取三次B样条曲线的控制点数据，并计算三次B样条曲线的系数；

精插补点计算模块，用于从样条曲线参数计算模块获取三次B样条曲线的系数，先进行递推前的预计算，继而计算每个精插补周期的插补点数据；

浮点运算模块，用于在精插补点计算模块进行插补计算过程中，完成整型计算，浮点计算和数据格式转换；

脉冲发送模块，用于接收精插补点计算模块输出的每个精插补周期的插补点数据，并根据所述插补点数据输出每个精插补周期的插补脉冲量。

优选地，所述RAM为双口RAM，进行乒乓操作，在ARM/FPGA数据交互模块将B样条曲线的控制点数据写入双口RAM中的一个RAM时时，样条曲线参数计算模块从双口RAM中的另一个RAM时读取B样条曲线的控制点数据，双口RAM中的两块RAM轮流进行读写操作。

进一步优选地，所述样条曲线参数计算模块包括坐标平移模块和曲线参数计算模块，其中：

所述坐标平移模块用于对三次B样条曲线的控制点进行坐标平移，将坐标系平移到第一个控制点上；

所述曲线参数计算模块用于根据平衡后的控制点计算样条曲线参数，样条曲线参数的计算公式为：