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1、基于FPGA的贝塞尔曲线，样条曲线，B-样条曲线的硬件数控插补与NURBS曲线的工业应用论文信息文章历史：被接收于2010年5月25日，从2013年7月16日开始复查，论文于2013年8月27日被接受，于2013年9月13日被公布于网络。关键词：数控刀具路径插补CAD／CAMFPGA摘要：刀具路径插补是计算机数控系统的重要组成部分，因为它与加工精度，刀具运动的平滑度和整体效率有关。为了更高的加工精度，参数的使用是为了在加工工件上生成刀具运动轨迹曲线已成为标准的数据格式，这种格式用于CAD／CAM（计算机辅助设计/计算机辅助制造）和数控系统。样条曲线，Bezier曲线，B样条曲线，NURBS（非
2、均匀有理B样条）曲线是用于刀具路径设计常用的参数化技术。然而，以上的工作对于这种类型的插补带来了更高的计算负荷，并且最好只有一个插补算法可以实现。本文的贡献是基于（FPGA）为工业数控设备研制的一个硬件处理单元，这个硬件处理单元能够实现四个主要的插补方法。它允许根据实际应用来选择所需的插补方法。两个CAD模型被设计用来测试CNC插补；实验结果验证了本方法的效果。1．引言刀具路径插补是计算机数控系统的一个重要组成部分，因为它与加工精度，刀具的运动平滑度和整体效率有关。在高精度的工件加工中，使用参数插补用于在加工工件中生成刀具运动轨迹曲线的方法已在近年来被广泛使用。参数化的形式已经成为一种用于CA
3、D /CAM（计算机计算机辅助设计/计算机辅助制造）和数控系统的标准数据形式。它可以大大减少CAD /CAM和CNC系统之间的传输负荷，分割的不连续性、沿路径运动的不平滑性。在现代CAD／CAM系统中，贝塞尔曲线，样条曲线，NURBS（非均匀有理B样条曲线）函数是这些参数曲线代表。然而，在使用这些类型的插补曲线时有两个缺点：在递归算法中沉重的计算负荷和采用了弦误差近似方法（Yau和Wang，2007）。然后，一种有效的应用于工业的数控插补器是令人满意的。几种数控插补器根据文中所叙述的主要方法已经被使用。每种方法在PC，DSP（数字信号处理器）和FPGA（现场可编程门阵列）设备上都会产生一个不同
4、的结果。考虑PC的发展，Ji，Li，Wang（2008）开发了面向数控实时扩展的软件工具，称为RTLinux。基于PC系统控制器的Bezier插补器也是来自Yau和Wang（2007）。Yong和narayanaswami（2003）提出了模拟带有约束弦高误差的B-样条曲线插补器。Yuen,Zhang,andAltintas（2013）开发了一个基于B样条曲线的轨迹生成方法，其中插补数值是由PC机计算，Beudaert,Lavernhe,andTournier（2013）提出了一种插补算法，也是基于基于B样条曲线，主要目的是为了避免由于直线轨迹引入的刀具运动的不连续性。然而，该运动控制是由西门
5、子840D商业控制器来完成的。另一个工作是由赵，朱，丁（2013）完成的，它开发了一个基于PC的B样条轨迹连续曲率插值；模拟与实验提出了。NURBS插补算法已由Li，Lin(2009),Peng，Yin(2008),Tsai,Nien,Yau(2008),Ulker，turanalp，和halkaci（2009）在PC上实施。同时，对于参数插补器，CNC控制器，B-样条曲线，NURBS曲线插补器这几种主要的技术方法来说也有一些DSP方面的成果。此外，FPGA为刀具路径计算开发的硬件/软件架构被建议用于样条曲线(DeSantiago-Perez,Osornio-Rios,Romero-Tronc
6、oso,Cabal-Yepez,&Guevara-Gonzalez,2010)和NURBS曲线(Cuenca,Martinez,Jimeno，&Sanchez,2007;Jaen-Cuellaretal.,2012;Yau,Lin,&Tsai,2006).。但是，对于单个的插补方法来说，这些FPGA的发展代表着插补轨迹的实现。尽管插补技术和实施已经被提出来了,YauandWang(2007)表示仍有必要去提出一种插补算法以通过低的计算量来获得平滑的插补值。在这种意义上，相对于其他实现方法FPGA有一些优势，例如再配置性，使带有并行处理能力的片上系统（SOC）解决方案应用于实时应用，同时保持低成
7、本(Osornio-Rios,Romero-Troncoso,Herrera-Ruiz,&Castañeda-Miranda,2009).此外，数控设备上的最近发展表明，FPGA已在硬件应用上表现出优势，例如PID(Proportional-Integral-Derivative)控制器(Astarloa,Lázaro,Bidarte,Jiménez,&Zuloaga,2009;Osornio-R
