[发明专利]一种基于PC-FPGA的NURBS曲线实时插补方法

说明书

技术领域

本发明属于工业机器人运动控制系统领域，尤其涉及一种基于PC-FPGA的NURBS曲线实时插补方法。

背景技术

通常，一台喷涂工业机器人的运动控制系统由轨迹插补和轨迹跟踪两大功能模块构成。由于传统的机器人运动控制系统只提供直线和圆弧两种方式的插补，所有的几何轮廓外形都用直线段或者圆弧段来近似拟合。随着零件精度要求的提高，传统方法存在以下问题：越高精度要求，则生成的线段越多，要传送更多的数据，导致大量的数据传输无法满足高速的加工过程；在线段接合处产生进给跳动和速度不连续性，最终影响加工质量。

为了获得高速高精度的性能要求，现代运动控制系统中一般采用B-样条曲线和NURBS曲线进行插补。随着机器人离线编程系统的发展，NURBS为机器人运动路径提供统一的数学描述，更加合理的将机器人CAD/CAM系统和实际机器人的运动控制结合起来。

为了减小进给跳动和改善加工质量，学者提出了一些NURBS的插补算法。Shipitalni提出了一种基于截断泰勒展开式的一阶插补算法，Yang和Kong提出了二阶插补算法，Yeh和Hsu提出了带补偿参数的速度控制插补算子，Forouki提出了一种三阶插补的紧凑递归算法。他们的工作都是在提供一种精确的NURBS插补算法，却很少关注实时的插补实现问题。同时，现有的NURBS插补算法应用在不同的场合下，往往难以满足不同的速度和精度要求。

目前的工业机器人一般采用工业级计算机IPC+DSP的串行计算架构，其中PC完成人机交互的功能，DSP用来处理运动控制器的计算量和一些高速I/O信号，如发生PWM信号和反馈控制。NURBS曲线插补计算需要调用递归函数式，使得计算量很大，在通常的PC+DSP的架构中，当NURBS插补器计算复杂时候，在较短的采样时间内（如1ms），很难完成NURBS插补和伺服控制的计算。Tsai等人实现的NURBS曲面插补和伺服控制总共的计算时间为4ms，其中NURBS插补使用了3.8ms，占了总的计算时间的95%。目前实际的解决办法大多是采取多片DSP的系统架构，这无疑增加系统成本，该种硬件架构设计难度也大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种基于PC-FPGA的NURBS曲线实时插补方法，通过FPGA的并行计算能力以解决现有技术中，NURBS插补实时性不强的问题，同时有限的降低系统的成本，充分发挥在PC上灵活进行零件建模和FPGA的实时数据处理的能力。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于PC-FPGA的NURBS曲线实时插补方法，

包括IPC、FPGA运动控制器、伺服驱动器、工业机器人机械本体，三维零件Solidworks模型在IPC上生成离散的数据点后，然后通过以太网通讯模块将数据传送到FPGA运动控制器进行实时NURBS曲线插补计算，输出脉冲串到伺服驱动器，以力矩驱动工业机器人进行协调运动，实现对复杂曲面零件的NURBS曲线插补运动。

在IPC上实现的步骤为：

（1）、IPC根据待喷涂零件CAD/CAM图形特征，将数据坐标系附于喷涂零件的底线中点来生成STL文件；

（2）、把STL文件中每一个三角形的单位法矢量附加到其三个顶点上，删除法矢量为负的点；

（3）、从STL文件中依次取出三角形，按照X坐标升序排序，把相同的X坐标的点组成一个局部点组，再把每组的点，按照Y坐标的升序局部排列；

（4）、在每个点组里面，把有相同Y坐标的多余点去除；通过比较三角形顶点的坐标值，删除重复的点，从而建立一个无重复点的点表；

（5）、将需要插补的离散控制点集，通过IPC上的工业以太网接口和集成在FPGA硬件电路上的以太网接口，把这些离散控制点集数据传送到FPGA运动控制器的FIFO区；

FPGA运动控制器进行以下步骤：

（1）、通过以太网接口从IPC上下载离散数据点到FIFO进行缓冲存储；

（2）、NURBS实时插补器根据FIFO区离散控制点进行NURBS曲线插补计算，然后把计算所得以脉冲量形式经IIR数字滤波输出；

（3）、编码器模块对工业机器人各轴实际运动位置光电编码器反馈信号进行解码；

（4）、IIR数字滤波器结合编码器模块利用PID控制原理，对工业机器人末端进行位置跟踪；