基于多核单片机的Pythagorean-Hodograph样条曲线并行插补及其数控系统的研究与开发

摘要

在CAD应用中，NURBS（非均匀有理B样条）曲线技术已经非常成熟，但在数控加工中，由于需要实时完成大量的弧长计算和刀具半径补偿计算，使得NURBS曲线插补计算量大、耗时长，精度难以保证，限制了它的广泛应用。PH曲线的出现可能会彻底改变这一状况。
　　将多核单片机的多核并行处理优势与Pythagorean-Hodograph(PH)曲线在数控加工方面的优点相结合，本文提出开发一种基于多核单片机、具有PH样条插补功能的数控系统的设想。
　　论文首先介绍了PH曲线的定义，随后介绍了PH曲线的弧长和偏置曲线的计算表达式。由其表达式可以看出，PH曲线的弧长和偏置曲线可以被精确计算。接着介绍了常见的三次和五次PH曲线的构造及其性质。
　　选取美国Parallax公司的多核单片机P8X32A-D40作为数控系统的硬件平台，基于并行流水线式的软件结构，进行了各核的任务分配，提出了一种PH曲线数控系统的整体架构设计方案。
　　接着搭建了系统硬件实验平台，完成了多核芯片外围电路、输入输出设备电路、外接步进电机电路设计。
　　随后完成了系统主核模块以及其它各核模块的软件设计与开发，包括:CRT显示器的驱动及相关功能软件的设计，PS/2接口设备的驱动及相关功能软件设计，步进电机驱动及相关功能软件设计，PH曲线恒速进给条件下的数控代码译码模块、参数计算模块、坐标计算模块、运动控制模块的软件设计等。
　　最后，进行了系统运行和性能测试，分析了影响插补速度的主要瓶颈。实验表明:本课题所实现的并行数控插补方案的插补速度比串行插补提高约75％，并且系统运行可靠、精度高、成本低，达到了预期的目的。
　　课题对多核单片机数控系统的开发进行了尝试，对高速、高精样条曲线数控系统的研究与开发具有一定的理论价值和借鉴意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 背景及意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 研究意义

1．2 单片机数控系统的研究现状

1．2．1 单核单片机数控系统

1．2．2 多核数控系统

1．2．3 多核单片机的发展现状

1．3 样条曲线技术的研究现状

1．3．1 一般样条曲线

1．3．2 PH样条曲线

1．3．3 PH曲线插补技术

1．4 目标、任务与结构

1．4．1 课题目标和任务

1．4．2 论文结构

第2章 Pythagorean-Hodograph曲线基础

2．1 PH曲线的定义

2．2 PH曲线的弧长和偏置曲线计算

2．2．1 PH曲线的弧长计算

2．2．2 PH曲线的偏置曲线的计算

2．3 PH曲线的构造

2．3．1 三次PH曲线的构造及性质

2．3．2 五次PH曲线的构造及性质

2．4 PH曲线的插补

2．4．1 一般参数曲线的插补算法

2．4．2 PH曲线插补算法

2．4．3 PH曲线的恒速插补算法

2．5 本章小结

第3章 架构设计

3．1 多核单片机数控系统实验平台的设计要求

3．2 多核单片机的要求和选择

3．3 P8X32A-D40多核单片机

3．3．1 规格介绍

3．3．2 开发环境介绍

3．4 并行插补介绍

3．4．1 并行计算

3．4．2 并行插补

3．5 总体设计方案

3．6 本章小节

第4章 硬件设计与实现

4．1 Propeller P8X32A多核芯片及外围电路设计

4．1．1 P8X32A引脚介绍

4．1．2 电源电路

4．1．3 晶振电路

4．1．4 外接存储器及其它电路

4．2 输入输出设备电路设计

4．2．1 PS／2接口电路

4．2．2 CRT显示器接口电路

4．3 步进电机驱动电路

4．4 系统硬件整体电路图

4．5 本章小结

第5章 软件设计与实现

5．1 插补准备工作

5．1．1 插补算法的选用

5．1．2 浮点数运算方法

5．2 并行插补的执行过程

5．3 Cog0核编程

5．3．1显示器驱动及功能软件设计

5．3．2 PS／2设备驱动及相关功能软件设计

5．3．3 CRT显示器显示坐标系的建立

5．4 Cog1核编程

5．4．1 PH曲线G代码设计

5．4．2 PH曲线译码及启动Cog2核编程

5．5 Cog2参数计算编程

5．6 Cog3坐标计算编程

5．7 Cog4运动控制编程

5．8 Cog5核步进电机编程

5．8．1 步进电机驱动编程

5．8．2 进给速度的控制

5．9 本章小结

第6章 实验验证

6．1 软件的下载与启动

6．2 并行插补的性能分析及测试

6．2．1 理论分析

6．2．2 测试工具开发

6．2．3 单次测试与采样周期确定

6．2．4 结果及验证

6．3 进给速度和插补周期对加工质量的影响

6．4 本章小节

总结与展望

总结

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢