Bezier曲线的脉冲分配直接插补算法研究

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传统制造业中加工制造的机械零件,其轮廓大多由直线和圆弧组成,数控装置只需要具备直接插补直线和圆弧轮廓的能力。但是,随着现代工业造型设计的曲线/面化,也随着数控技术进入艺术品加工领域,数控系统加工的轮廓除了面对直线和圆弧轮廓元素外,可能还要面对造型曲线/面,如Bezier曲线、B样条曲线等参数曲线的插补任务。  然而,对于此类参数曲线,目前普遍采用的仍然是基于直线/圆弧微段逼近的插补方法,这些方法都存在着理论误差、计算复杂等等问题,还会产生冗长插补数据,导致进给效率低下。如果能对此类参数曲线进行直接插补,不再需要用直线/圆弧微段来逼近,将会从根本上杜绝这些问题,大大改善此类曲线的加工质量和效率,也可以使用简单的MCU控制某些非金属切削的机床(例如切割True Type字体的简易切割设备),大大降低数控系统成本。  为了实现这个目标,本文对最基础的造型曲线——Bezier曲线进行了深入研究,在Bezier曲线的de Casteljau递推算法的启发下,研究出了Bezier曲线的脉冲分配直接插补算法。根据de Casteljau递推算法产生Bezier曲线的原理,将DDA直线插补器级联便能构成Bezier曲线DDA插补器。第一级插补器的被积函数寄存器值由Bezier曲线的控制点给定,其后各级插补器的被积函数寄存器值由前一级插补器的输出给定(变化),最后一级插补器的输出作为驱动脉冲,驱动机床进给,即可完成对Bezier曲线的直接插补。  本文从Bezier曲线的定义式出发,推导出了各级插补器的被积函数寄存器值之间的关系,给出了二阶和三阶时的具体方案。然后对该方案中存在的进给速度不均衡问题从理论上进行了初步的探讨,并给出了两种解决方法:一种是增加一个中间缓冲环节将插补器的输出临时存储一下,然后再通过均衡速度再现环节以恒定的速度输出;一种是设置一个比例脉冲控制器,对最后一级插补器的被积函数寄存器值实时采样,根据采样数据调整插补迭代控制脉冲的频率,使最后输出的驱动脉冲速度稳定在给定的值附近。  最后,在visual studio2010中编写了基于windows forms的模拟插补实验程序,基于本文提供的算法模拟机床的走刀路径,并采用第一种均衡速度的方案。经试验验证了方案的正确性,插补器可以很好地逼近理论Bezier曲线,且可产生大致均衡的切线插补速度。  Bezier曲线是此类参数曲线中最基础、最简单的,在实际中用的最多的还是由Bezier曲线改进得到的B样条曲线,尤其是NURBS曲线。不过,这些曲线都是以Bezier曲线为基础的,解决了Bezier曲线的直接插补问题,可以为所有此类参数曲线的直接插补提供一个新的思路,起到抛砖引玉的作用。
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