[发明专利]面向编码器/播放器式数控系统的运动比特流变换方法

说明书

本发明涉及一种面向编码器/播放器式数控系统的运动比特流变换方法，属于数控系统中的运动控制技术领域。本发明的目的在于利用单位弧长增量法插补曲线精度较高的优点，并借助了比特位快速运算的优势，使得单位弧长增量法可以应用于速度灵活可调的高速加工中，推广单位弧长增量法的应用范围。本发明包括两种编码格式和两种解码算法。在加工开始之前，编码器可对任意参数曲线使用单位弧长增量法进行插补，获取一系列坐标增量值、并将坐标增量值化为一种编码格式的运动比特流进行存储。在加工的过程中，根据所给的编码格式，选取相应的解码算法，从运动比特流中还原出一个插补周期内的各轴坐标增量值，使机床各轴沿所给参数曲线运动。

技术领域

本发明属于数控系统中的运动控制技术领域,涉及一种面向编码器/播放器式数控系统的运动比特流变换方法。

背景技术

在机床的数控系统中，插补器的任务是读取由数控系统外部输入的加工运动轨迹指令，并根据加工运动轨迹指令计算机床的各个运动轴每隔一段固定的时间(称为插补周期)所应达到的位置(称为指令位置)。数控系统中的运动控制单元将指令位置转化为电机运动量的指令信号，使机床运动机构依照加工运动轨迹指令完成相应的运动，实现对工件的加工。作为数控系统中的关键模块，插补器所使用的插补方法对运动精度和运动速度的平稳性起着至关重要的作用。现有的机床数控系统所使用的插补方法大致可分为数据采样法和脉冲增量法两大类。

数据采样法是一种插补步长能够根据指定的速度进行调节的插补方法，在高速加工机床中的应用较为广泛。申请号为201310717322.3、名称为《一种基于FPGA的三次B样条曲线的硬件插补器》的专利，以及申请号为201310003017.8、名称为《一种基于ARM9嵌入式系统和FPGA的NURBS曲线分段插补方法》的专利均利用B样条曲线的参数直接执行精插补。然而，数据采样法当插补步长越大时插补精度往往越低，且其对参数曲线的粗插补存在精度不稳定的问题，在曲线尖拐角处有时会造成较大的速度波动。

与数据采样法不同，脉冲增量法(例如逐点比较法、数字积分法、最小偏差法和单位弧长增量法)具有插补步长十分微小、接近于机床的各轴脉冲当量(BLU)的特点，既可用于数据采样法的精插补环节，也可以独立使用、实现对曲线的直接精插补。申请号为200810229319.6、名称为《基于片上可编程系统的数控系统精插补器及其控制方法》的专利采用了上位机存储粗插补结果、由FPGA以数字积分法执行精插补计算。然而，若要利用脉冲增量法实现高速加工，有时需要在一个插补周期内执行几百步甚至数千步插补，造成计算量大大增加，给数控系统的处理器带来极大负担。申请号为201310202145.5，名称为《复合插补法及其系统软件》的专利使用改进的脉冲增量法插补参数曲线，并将若干步插补结果合并，对每一根轴的多步插补合并结果利用四个二进制位进行存储，在加工过程中可以直接取出预先存储的各轴插补结果作为各轴坐标增量，但该发明未考虑速度规划的需求，插补的速度调节精度受合并步数的限制。

尽管现有的数控系统的两大类插补方法仍各自有其不足之处，然而，这些不足之处可以通过借鉴其他领域的一些先进方法来改进。随着影视行业以及互联网行业的不断繁荣，视频的编码与解码技术得到了快速的发展。与此同时，计算机科学领域也开发了相当成熟的二进制位处理算法，微处理器架构也正逐渐提供越来越丰富的二进制位处理指令集。此外，申请号为201210328234.X、名称为《单位弧长增量插补法》的专利所提供了一种沿曲线进行弧长间距为1BLU的直接精插补的脉冲增量法，使得插补结果中保留了原始曲线的弧长信息，有助于使用精插补结果进行速度可调的曲线运动。鉴于上述技术的优点，本领域的技术人员在名称为《一种基于编码器/播放器体系架构的工业控制系统》的专利所提供的一种工业控制系统架构的基础之上，致力于开发一种面向编码器/播放器式数控系统的运动比特流变换方法，使得单位弧长增量法可以被应用于速度可调的高速加工中，实现对任意参数曲线的快速高精度稳定插补。

发明内容