基于DSP的三次B样条曲线插补的实现
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摘要
数控插补技术是数控技术中的核心技术，它的好坏直接影响数控加工技术的优劣，是目前数控技术急需提高和完善的环节之一。随着DSP技术的不断发展，采用以DSP为核心部件的数控插补系统是数控插补技术的发展方向。本论文以三次B样条曲线插补算法为研究对象，在数控插补的总体设计方案的基础上进行了插补系统硬件电路的设计，并在DSP上实现了三次B样条曲线的插补功能。
第一章是绪论部分。阐述了本论文的研究背景及重要意义，介绍了数控插补技术和B样条插补的概况及DSP技术的发展与应用的状况，最后提出了本论文研究的主要内容。
第二章提出了数控插补的总体设计方案。这一章分析了传统及现有插补方案，对DSP芯片的特点及用于数控插补的优势进行了介绍，并根据DSP芯片的功能进行选型，介绍了PCI总线的特点，提出了DSP+PCI总线的插补方案。
第三章介绍了时间分割法插补算法和三次B样条曲线插补算法，对三次B样条曲线的两种插补算法进行了详细的阐述。
第四章是插补硬件电路的设计。这一章介绍了硬件系统的总体结构设计，并详细介绍了各部分电路的设计及原理图，包括DSP最小系统设计、存储器扩展设计及DSP与PCI总线接口设计。
第五章是插补软件设计，阐述了DSP上电引导过程和DSP软件的重定位，介绍了DSP与PCI模块间的软件设计，给出了基于DSP的两种三次B样条曲线的插补程序。
第六章在上述研究成果及理论的基础上完成了插补系统的硬件测试和软件调试，结果达到了预期的效果。
第七章总结了本论文的研究工作和研究成果，并对今后的研究工作做了展望。
Interpolation technology is of the core technology of numerical control technology.Its quality will affect the quality of numerical control system directly and is the tache in the dire need to be improved at present.As the continuous development of DSP technology,use DSP as core part of numerical control system is development trend of numerical control interpolation technology.Cubic B-spline interpolation algorithm is regarded as the research object in the dissertation,design the circuit of interpolation system on the foundation of the total design of numerical control interpolation,and realized on DSP cubic B-spline interpolation function.
In chapter 1,there is an introduction.The background and the significance of the research are stated.The general situation of numerical control interpolation technology and B-spline interpolation and the development and application of the DSP technology are introduced.The main content of this dissertation is proposed.
In chapter 2,the traditional and existing interpolation plans are introduced ,and DSP feature and advantages for NC interpolation are stated.Choose DSP chip by function, and the total design of numerical control interpolation is proposed.
In chapter 3, introduce Time-sharing and cubic B-spline interpolation algorithm,two kinds of cubic B-spline interpolation algorithm is analyzed in detail.
In chapter 4,the total structure of hardware circuit is introduced. And each part of circuits design and schematic diagram are expatiated.
In chapter 5,the bootload and relocation on DSP are introduced first,then the software design between DSP and PCI module is introduced,give out two cubic B-spline interpolation procedure based on DSP.
In chapter 6,on the foundation of above research achievement and theory,complete the testing of hardware and software debugging,the results achieved prospective effect.
In chapter 7, the study contents and conclusion of the dissertation have been summarized, and the further research works have been forecast.
第一章是绪论部分。阐述了本论文的研究背景及重要意义，介绍了数控插补技术和B样条插补的概况及DSP技术的发展与应用的状况，最后提出了本论文研究的主要内容。
第二章提出了数控插补的总体设计方案。这一章分析了传统及现有插补方案，对DSP芯片的特点及用于数控插补的优势进行了介绍，并根据DSP芯片的功能进行选型，介绍了PCI总线的特点，提出了DSP+PCI总线的插补方案。
第三章介绍了时间分割法插补算法和三次B样条曲线插补算法，对三次B样条曲线的两种插补算法进行了详细的阐述。
第四章是插补硬件电路的设计。这一章介绍了硬件系统的总体结构设计，并详细介绍了各部分电路的设计及原理图，包括DSP最小系统设计、存储器扩展设计及DSP与PCI总线接口设计。
第五章是插补软件设计，阐述了DSP上电引导过程和DSP软件的重定位，介绍了DSP与PCI模块间的软件设计，给出了基于DSP的两种三次B样条曲线的插补程序。
第六章在上述研究成果及理论的基础上完成了插补系统的硬件测试和软件调试，结果达到了预期的效果。
第七章总结了本论文的研究工作和研究成果，并对今后的研究工作做了展望。
Interpolation technology is of the core technology of numerical control technology.Its quality will affect the quality of numerical control system directly and is the tache in the dire need to be improved at present.As the continuous development of DSP technology,use DSP as core part of numerical control system is development trend of numerical control interpolation technology.Cubic B-spline interpolation algorithm is regarded as the research object in the dissertation,design the circuit of interpolation system on the foundation of the total design of numerical control interpolation,and realized on DSP cubic B-spline interpolation function.
In chapter 1,there is an introduction.The background and the significance of the research are stated.The general situation of numerical control interpolation technology and B-spline interpolation and the development and application of the DSP technology are introduced.The main content of this dissertation is proposed.
In chapter 2,the traditional and existing interpolation plans are introduced ,and DSP feature and advantages for NC interpolation are stated.Choose DSP chip by function, and the total design of numerical control interpolation is proposed.
In chapter 3, introduce Time-sharing and cubic B-spline interpolation algorithm,two kinds of cubic B-spline interpolation algorithm is analyzed in detail.
In chapter 4,the total structure of hardware circuit is introduced. And each part of circuits design and schematic diagram are expatiated.
In chapter 5,the bootload and relocation on DSP are introduced first,then the software design between DSP and PCI module is introduced,give out two cubic B-spline interpolation procedure based on DSP.
In chapter 6,on the foundation of above research achievement and theory,complete the testing of hardware and software debugging,the results achieved prospective effect.
In chapter 7, the study contents and conclusion of the dissertation have been summarized, and the further research works have been forecast.
引文
[1] 周正干，王美清，李和平等．高速加工的核心技术和方法．航空制造技术，2000，(3)：13-16．
[2] Koren Yoram, Lin R S. Five-Axis Surface Interpolators. Annals of CIRP,1995,44(1): 379-381.
[3] Bedi S, Ali I, Quan N. Advance Interpolation Techniques for NC Machines. ASME Joumal of Engineering for Industry,1993,115(3): 329-332.
[4] 王太勇，赵巍，李宏伟等．快速最小插补算法．组合机床与自动化加工技术，2003，(6)：38-40．
[5] Ruegg A. A Generalized Kinematic Model for Three-to-Five-Axis Milling Machines and Their Implementation in a CNC. Annals of CIRP, 1992, 41(1): 547-550.
[6] Chen Y D, Ni J, Wu S M. Real-Time CNC Tool Path Generation for Machining IGES Surfaces. ASME Journal of Engineering for Industry, 1993, 115(4): 480-483.
[7] 马桦．高性能曲线及空间曲面插补方法的探讨．机械与电子，1995，(6)：24-25．
[8] 王峰，王爱玲．B样条曲线的插补算法实现．华北工学院学报，2001，22(6)：450-452．
[9] 游有鹏．改进最小偏差法——一种高精度快速插补算法．机械工业自动化，1995，17(1)：32-34．
[10] 史文胜．试论空间任意曲线的一种插补算法．佛山大学学报，1996，14(2)：56-59．
[11] 黄恺，李朝辉，苏铁明．数控摆线插补算法探讨．辽宁工学院学报，2000，20(4)：10-12．
[12] 张春良．时间分割法摆线插补算法．组合机床与自动化加工技术，2000，(5)：13-16．
[13] 罗欣，李光斌，朱涵梁．时间分割法抛物线插补算法的研究．组合机床与自动化加工技术，1994，(6)：34-38．
[14] 胡自化．等速螺线的数字积分插补算法的研究与软件实现．机械与电子，1997，(3)：23-25．
[15] 王虎符，王文格．阿基米德螺线插补算法的研究．组合机床与自动化加工技术，1997，(5)：8-10．
[16] 史旭明，赵万生．二次曲线通用插补算法研究．电加工，1998，(4)：14-17．
[17] 谢明江，肖本贤．非圆二次曲线通用插补算法．制造技术与机床，1996，(10)：18-20．
[18] Next Generation AI CNC:FANUC 15 Series. FANUC Ltd.
[19] Satdelmann R. Computation of nominal path value to generate various special curves for Machine tools. Annals of the CIRP, 1989,38(1).
[20] 中国机床工具工业协会调研组．喜看装备市场新貌——CIMT’95中外展品评价．世 界制造技术与装备市场，1996，(1)：5-10．
[21] Herrin G E. CIM Perspective,Next Generation Controller. Modern Machine Shop,1990,(12): 148-152.
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[26] 詹泳，周云飞，周济．五轴数控机床空间圆弧插补．华中理工大学学报，2000，28(5)：4-6．
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[33] 胡自化，张平．三次B样条曲线恒速进给实时插补算法的研究．制造技术与机床，2000，(8)：31-33．
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[38] 李本忍，李家霁．对我国数控系统可靠性的一些看法．机械工程，1998，9(5)：11-13．
[39] 谢万德．基于DSP的多轴运动控制器的研究．浙江大学硕士学位论文，2002．2．
[40] 雷江．基于DSP的运动控制器的软件和硬件研究．华中科技大学硕士学位论文，2000．
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[44] 汪安民，程昱．DSP应用开发实用子程序．人民邮电出版社，2005，3-5．
[45] 汪安民．TMS320C54xxDSP实用技术．清华大学出版社，2002，5-8．
[46] 翟方超．研抛自由曲面专用机床嵌入式控制系统的研究．吉林大学硕士学位论文，2006．5．
[47] Leon Adams. Choosing the Right Architecture for Real-Time Signal Processing Designs Texas Instruments,2002.11,1-10.
[48] Texas Instruments Inc. TMS320C28X DSP CPU and Instruction Set Refererce Guid. U.S.A Texas Instruments, 2002.5.
[49] Texas Instruments Inc. TMS320F281x System Control and Interrupts Peripheral Refererce Guide. U.S.A Texas Instruments, 2002.5.
[50] Texas Instruments Inc. TMS320F281x Boot ROM Peripheral Refererce Guide. U.S.A Texas Instruments, 2002.5.
[51] Texas Instruments Inc. TMS320F281x External Interface(XINTF) Peripheral Refererce Guide. U.S.A Texas Instruments, 2002.5.
[52] Texas Instruments In. TMS320F281x Event Manager(EV) Peripheral Refererce Guide. U.S.A Texas Instruments, 2002.5.
[53] Texas Instruments Inc. TMS320F281x Analog-to-Digital Converter(ADC) Peripheral Refererce Guide. U.S.A Texas Instruments, 2002.5.
[54] Texas Instruments Inc. TMS320F281x Enhanced Controller Area Network(eCAN) Peripheral Refererce Guide. U.S.A Texas Instruments, 2002.5.
[55] Texas Instruments Inc. TMS320F281x Multichannel Buffered Serial Port(McBSP) Peripheral Refererce Guide. U.S.A Texas Instruments, 2002.5.
[56] Texas Instruments Inc. TMS320F281x Serial Communication Interface(SCI) Peripheral Refererce Guide. U.S.A Texas Instruments, 2002.5.
[57] Texas Instruments Inc. TMS320F281x Serial Peripheral Interface(SPI) Peripheral Refererce Guide. U.S.A Texas-Instruments, 2002.5.
[58] Texas Instruments Inc. DSP Selection Guid. U.S.A Texas Instruments, 2003.
[59] 王念旭等．DSP基础与应用系统设计．北京：北京航空航天大学出版社，2001．
[60] 苏涛，蔺丽华，卢光跃等．DSP实用技术．西安：西安电子科技大学，2002．6．
[61] 郭新贵．面向高速切削的高速高精度插补技术研究．上海交通大学博士学位论文，2002．3．
[62] Dong-Ⅱ Kim. Study on interpolation algorithms of CNC machine tools. IEEE-IAS Annual Meeting, 1995, 1930-1937.
[63] 毕承恩，丁乃建．现代数控机床(上、下)．北京：机械工业出版社，1993．
[64] 李诚人．机床计算机数控．西安：西北工业大学出版社，1988．
[65] 刘文信，孙学礼．机床数控技术．北京：机械工业出版社，1995．
[66] 王文孝．机床数控原理与系统．西安：西北工业大学出版社，1989．
[67] 卓迪仕．数控技术及应用．北京：国防工业出版社，1997．
[68] 叶伯生，朱志红，熊清平．计算机数控系统原理、编程与操作．武汉：华中理工大学出版社，1999．5．
[69] 廖效果，刘又午，朱剑英．数控技术．武汉：湖北科学技术出版社，2000．7．
[70] 许社教，璩柏青等．计算机绘图．北京：电子工业出版社，2003．1．
[71] 吴永明，沈建华，赵慧，邓秋军．计算机辅助设计基础．北京：高等教育出版社，2000．7．
[72] 韩振宇．样条曲线及参数曲面插补技术研究．哈尔滨工业大学硕士学位论文．，2001．7．
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[72] 韩振宇．样条曲线及参数曲面插补技术研究．哈尔滨工业大学硕士学位论文．，2001．7．