基于FPGA的高性能硬件NURBS曲线插补算法的研究和实现

发布时间：2017-09-08 06:20

  本文关键词：基于FPGA的高性能硬件NURBS曲线插补算法的研究和实现

  更多相关文章： NURBS 插补算法 加减速控制 级联滤波器 FPGA

【摘要】：数控技术是制造业发展水平的标志,插补技术作为数控技术的关键技术,决定着零件的加工效率和加工精度。NURBS插补技术改善了传统插补技术中以微小直线段代替自由曲线带来的效率低和精度差的缺点,因此,NURBS插补技术的研究对数控技术的发展具有极其重要的意义。 本文在研究NURBS曲线及其性质的基础上,详细介绍了NURBS曲线上点和导矢的求值方法。采用NURBS曲线的矩阵表达式对曲线进行预处理,计算相关系数以便实时插补过程中的调用。在分析对比了阿当姆斯微分法、牛顿迭代法和泰勒展开法的基础上,选择了泰勒展开法为研究的插补算法的参数求值方法,通过对NURBS曲线上速度敏感点的判别,将NURBS曲线分段处理。采用局部圆弧逼近法,实现NURBS插补过程中的速度自适应调整,满足了加工精度的要求,提高了加工的质量。在加减速控制方面,采用了S型加减速的控制方法,为解决减速点预测不准的问题,提出了一种基于级联滤波器的S型加减速控制方法,该方法采用级联滤波器对进给速度滤波控制,使速度过渡平稳,避免了加工过程中的冲击。 在实验仿真中,对插补算法模块化处理,在VS2005编程环境中实现了插补算法,并利用MATLAB对数据进行处理,分析验证了设计的插补算法的可行性。 在NURBS插补算法的硬件平台实现中,首先分析了插补系统的架构,在SOPC开发流程的基础上,定制了NURBS插补算法的软核处理器,并将软件代码移植到Nios II的软件环境当中,实现了插补算法,利用轨迹加工对NURBS插补算法进行实例验证,结果表明了NURBS插补算法的优越性。
【关键词】：NURBS 插补算法 加减速控制 级联滤波器 FPGA
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG659
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-12
• 插图清单12-14
• 第一章 绪论14-24
• 1.1 引言14
• 1.2 数控技术发展综述14-17
• 1.2.1 数控技术的发展14-15
• 1.2.2 数控技术的特征15-16
• 1.2.3 数控系统的组成16-17
• 1.3 插补技术发展综述17-20
• 1.3.1 插补技术概述17-18
• 1.3.2 NURBS插补技术的发展18-20
• 1.4 FPGA技术发展综述20-22
• 1.4.1 FPGA概述20-21
• 1.4.2 FPGA在数控系统的应用21-22
• 1.5 本课题研究意义及内容22-24
• 1.5.1 本课题研究意义22
• 1.5.2 本课题研究内容22-24
• 第二章 NURBS曲线相关数学理论24-31
• 2.1 引言24
• 2.2 NURBS曲线数学基础24-30
• 2.2.1 NURBS曲线的定义24-26
• 2.2.2 NURBS曲线的性质26-28
• 2.2.3 NURBS曲线的求值28-30
• 2.3 小结30-31
• 第三章 NURBS曲线插补算法31-54
• 3.1 引言31
• 3.2 插补算法原理31-33
• 3.2.1 插补算法的分类31-32
• 3.2.2 NURBS曲线插补原理32-33
• 3.3 NURBS曲线插补算法33-44
• 3.3.1 NURBS曲线表达式预处理33-35
• 3.3.2 速度敏感点的计算35-36
• 3.3.3 NURBS曲线实时插补方法36-38
• 3.3.4 NURBS曲线插补算法的改进38-42
• 3.3.5 速度自适应调整42-44
• 3.4 NURBS曲线插补进给速度控制44-52
• 3.4.1 加减速控制的方法44-45
• 3.4.2 S型加减速的实现45-49
• 3.4.3 加减速滤波器的设计49-52
• 3.5 小结52-54
• 第四章 NURBS插补算法实验54-62
• 4.1 实验环境54
• 4.2 算法程序模块划分54-56
• 4.2.1 速度敏感点判别模块54-55
• 4.2.2 速度规划模块55
• 4.2.3 插补模块55-56
• 4.3 实验仿真56-61
• 4.4 小结61-62
• 第五章 基于FPGA的NURBS曲线插补算法实现62-79
• 5.1 引言62
• 5.2 基于FPGA的硬件基础62-63
• 5.2.1 FPGA 简介62-63
• 5.2.2 FPGA开发基础63
• 5.3 NURBS插补架构设计63-66
• 5.3.1 架构分析63-64
• 5.3.2 SOPC系统开发流程64-66
• 5.4 NiosⅡ软核处理器的定制66-72
• 5.4.1 FPGA芯片选型66
• 5.4.2 NiosⅡ软核的建立66-70
• 5.4.3 PLL的设计70-72
• 5.5 NURBS插补算法在NiosⅡ中的软件实现72-76
• 5.6 NURBS插补算法实例验证76-78
• 5.7 小结78-79
• 第六章 总结与展望79-81
• 6.1 研究成果总结79
• 6.2 研究前景展望79-81
• 参考文献81-84
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况84

【参考文献】

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本文编号：812384