基于NURBS曲线插补方法的运动控制系统.pdf

1、10申请公布号CN102109834A43申请公布日20110629CN102109834ACN102109834A21申请号201110003642322申请日20110110G05B19/1920060171申请人浙江工业大学地址310014浙江省杭州市下城区朝晖六区72发明人南余荣王强74专利代理机构杭州天正专利事务所有限公司33201代理人王兵王利强54发明名称基于NURBS曲线插补方法的运动控制系统57摘要一种基于NURBS曲线插补方法的运动控制系统，包括依次连接的上位机、下位机、电机驱动器、电机和机械结构，所述上位机通过插补模块计算出插补点，把计算出的坐标值列表传给下位机，下位机把

2、坐标值换转成相应脉冲数，并发出脉冲到电机驱动器，控制电机转动并驱动机械结构动作；所述插补模块为NURBS曲线插补模块，采用大密度离散法来求得整条曲线的长度；设定插补周期T和插补速度V，求得插补基步长S和弓高误差的大小比较弓高误差S和要求的误差1的关系。本发明提供一种能够兼顾步长速度和精度、计算量小、容易实现NURBS插补的基于NURBS曲线插补方法的运动控制系统。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图2页CN102109837A1/1页21一种基于NURBS曲线插补方法的运动控制系统，包括依次连接的上位机、下位机、电机驱动器、电机和机械结构，

3、所述上位机通过插补模块计算出插补点，把计算出的坐标值列表传给下位机，下位机把坐标值换转成相应脉冲数，并发出脉冲到电机驱动器，控制电机转动并驱动机械结构动作；其特征在于所述插补模块为NURBS曲线插补模块，采用大密度离散法来求得整条曲线的长度设定插补周期T和插补速度V，用以下公式求得插补基步长SMROUNDS/VTSS/M2弓高误差的大小比较弓高误差S和要求的误差1的关系若01341，下一个步长就取为2S；若继续01341，步长继续加倍；若013411，步长取S；若弓高误差满足121，步长取为0866S；若21，步长取为权利要求书CN102109834ACN102109837A1/5页3基于NU

4、RBS曲线插补方法的运动控制系统技术领域0001本发明涉及机电数控技术领域，尤其是一种运动控制系统。背景技术0002NURBS非均匀有理B样条曲线不仅能精确统一的表示标准解析曲线和自由曲线，而且它的形状控制功能也特别强大灵活。1991年国际标准化组织ISO正式颁布了工业产品几何定义的STEPSTANDFORTHEEXCHANGEOFPRODUCTMODELDAA产品数据模型数据交换的标准标准，作为产品数据交换的国际标准。目前，NURBS方法在CAD/CAM领域已经成功应用，而在运动控制系统领域目前只有FUNUC、SIEMENS、三菱等少数高档数控系统支持NURBS插补，在大多数的运动控制器中很

5、难得到应用，导致现有运动控制系统存在不能兼顾步长速度和精度的缺陷。发明内容0003为了克服已有运动控制系统的不能兼顾步长速度和精度、计算量较大、不容易实现NURBS插补的不足，本发明提供一种能够兼顾步长速度和精度、计算量小、容易实现NURBS插补的基于NURBS曲线插补方法的运动控制系统。0004本发明解决其技术问题所采用的技术方案是0005一种基于NURBS曲线插补方法的运动控制系统，包括依次连接的上位机、下位机、电机驱动器、电机和机械结构，所述上位机通过插补模块计算出插补点，把计算出的坐标值列表传给下位机，下位机把坐标值换转成相应脉冲数，并发出脉冲到电机驱动器，控制电机转动并驱动机械结构动

6、作；所述插补模块为NURBS曲线插补模块，采用大密度离散法来求得整条曲线的长度00060007设定插补周期T和插补速度V，用以下公式求得插补基步长S0008MROUNDS/VT0009SS/M20010弓高误差的大小00110012比较弓高误差S和要求的误差1的关系0013若01341，下一个步长就取为2S；0014若继续01341，步长继续加倍；0015若013411，步长取S；0016若弓高误差满足121，步长取为0866S；说明书CN102109834ACN102109837A2/5页40017若21，步长取为0018本发明的技术构思为三次NURBS曲线的首末节点重复数取为4，整条曲线的

7、定义域就为U3，UN1，第一段曲线由J0，1，2，3确定，其定义区间为U3，U4，末段曲线由JN3，N2，N1，N，其定义区间为UN，UN1，即在公式3中I的取值范围是3IN。则第I段NURBS曲线的方程和控制点矢量和可表示如下0019002000210022MIROUNDLI/VTI3，4，N0023或MIROUNDLI/SI3，4，N50024上式中LI是第I段NURBS曲线PIU的弦长；MI为第I段曲线的离散数；T是系统插补周期；V为插补过程中的最大进给速度；S是插补基步长也可以直接给出插补步长。0025可以得出参数基增量UI为0026UIUI1UI/MI60027将PIU在XY面上的投

8、影分成MI等分，再引垂线即可交原曲线MI个离散点，将离散点连线，就可逼近原曲线。设MI为第I段NURBS曲线PIU离散所取的第M个离散点，则可知其取值范围是1，2，3，MI，计算其坐标公式如下00280029由此就可以计算出第I段曲线的弧长SI0030说明书CN102109834ACN102109837A3/5页50031由上述式子就可以算整条NURBS曲线的总弧长S为00320033求得整条NURBS曲线的弧长S，据此计算整条的曲线的基步长S0034MROUNDS/VT0035SS/M900361在曲率较小的情况下0037在曲率较小的情况下，弓高误差比较小，就可以选取较长的步长，为计算简单期

9、间，特选取2的次方倍步长，设要求的弓高误差为1，在大多数情况下，自由曲线的曲率一股大于等弧长的圆，现在以圆为样条曲线的近似曲线，计算步长与弓高误差的关系，如图2所示。0038设在圆0内，弦长AB与弦长CD对应的弧分别是弧AGB和弧CGD，弓高误差分别是FG和EG。如果AB2CD，则00390040令XBE则00410042计算得当XR时，Y取最小值，此时0043Y01340044可以做这样的取值，如果实际的弓高误差01341，则下一个步长就取为2S，找下一个点的U，再计算弓高误差，如果继续01341，则步长继续加倍。如果013411，则步长取S。00452在曲率较大的情况下0046在曲率较大的

10、情况下，弓高误差比较大，要保证误差满足要求，就必须选取较小的步长。同样在圆中计算设弧AGB的弓高误差GE，弧CGB的弓高误差GF，设GE2GF。00470048令XGE则00490050当XR时，Y取最大值0051Y08660052可以做这样的取值，当弓高误差121，步长取为0866S，如果说明书CN102109834ACN102109837A4/5页621，步长取为0053本发明的有益效果主要表现在能够兼顾步长速度和精度、计算量小、容易实现NURBS插补。附图说明0054图1是第I段曲线离散点的示意图。0055图2是曲率较小的情况下弓高误差和弦长的关系。0056图3是曲率较大的情况下弓高误差

11、和弦长的关系。0057图4是运动控制系统的原理框图。具体实施方式0058下面结合附图对本发明作进一步描述。0059参照图1图4，一种基于NURBS曲线插补方法的运动控制系统，包括依次连接的上位机、下位机、电机驱动器、电机和机械结构，所述上位机通过插补模块计算出插补点，把计算出的坐标值列表传给下位机，下位机把坐标值换转成相应脉冲数，并发出脉冲到电机驱动器，控制电机转动并驱动机械结构动作；所述插补模块为NURBS曲线插补模块，采用大密度离散法来求得整条曲线的长度00600061设定插补周期T和插补速度V，用以下公式求得插补基步长S0062MROUNDS/VT0063SS/M20064弓高误差的大小

12、00650066比较弓高误差S和要求的误差1的关系0067若01341，下一个步长就取为2S；0068若继续01341，步长继续加倍；0069若013411，步长取S；0070若弓高误差满足121，步长取为0866S；0071若21，步长取为0072在实验室验证使用，给定一条NURNS曲线，用PC机编程计算曲线上的插补点，以列表形式传给下位机，OMRONPLC40DTDCPU控制2个伺服电机在平面内运动，0073选用森创交流伺服电机90STM024200074说明书CN102109834ACN102109837A5/5页700750076表1电机参数表；0077NURBS曲线参数信息如下次数K3，权因子1，1，1，1，1，1，控制点信息B10，10，050，80，0100，100，0180，40，0250，50，0300，120，0，节点序列U0，0，0，0，05，075，1，1，1，1，进给速度V50MM/S，要求的弓高误差设为002MM，0078计算的插补点数据庞大，只给出部分开始和结尾曲线段域的点00790080表2插补点列表。说明书CN102109834ACN102109837A1/2页8图1图2说明书附图CN102109834ACN102109837A2/2页9图3图4说明书附图CN102109834A