四自由度平台运动控制
随着高精度加工和运动控制技术的飞速发展，插补算法和控制技术越来越成为运动控制技术中的核心技术。插补速度的快慢与插补精度的高低直接影响着运动控制水平的高低，插补的速度和精度是评价运动控制系统的重要指标。本文研究适用于四自由度运动平台的插补策略，在实现直线插补的情况下，选取了一种较为简单的逐点比较直线插补法，并对算法进行了一定的优化，为四自由度运动平台的准确运动控制提供相应的方案。关键词：四自由度平台，插补算法，笛卡尔空间插补，运动控制目录
第一章 绪论 5
1.1选题背景与意义 5
1.2插补算法的发展概况及发展趋势 5
1.3研究目的与内容 6
第二章 相关理论介绍 7
2.1插补分类及速度控制 7
2.2多自由度运动平台概述 9
第三章 逐点比较直线插补 10
3.1计算方法及分析 11
3.2终点判定 12
3.3直线插补算法的程序实现 13
第四章 系统软件应用 14
4.1 STM32系统开发软件 15
4.2步进电机时钟设置 16
4.3步进电机控制 17
第五章 轨迹优化 19
5.1轨迹优化准则 20
5.2轨迹优化仿真 21
参考文献 26
致谢 27
1 绪论
1.1选题背景与意义
随着高精度加工和运动控制技术的飞速发展，插补算法和控制技术越来越成为运动控制技术中的核心技术。插补速度的快慢与插补精度的高低直接影响着运动控制水平的高低，是评价运动控制系统的重要指标。在一个运动控制系统的成分中，插补功能是其不可或缺的能力之一。一个运动控制系统具备了插补功能才能精确地计算并控制物体运动。插补方法一般被理解为根据给定的进给速率和给定的线性轮廓的要求，确定某处于轮廓点之间的中间点的方法。统称那些用不同计算方法来实现插补的方法称之为插补算法。
目前，在运动控制系统中，普遍应用的插补算法有两大类：一类称为直线插补，另一种类型的被称为圆弧插补。直线插补通常见于车床插补中。于直线插补中，穿过直线的分散点群并逼近两点之间的插补，亦会沿着
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
具备了插补功能才能精确地计算并控制物体运动。插补方法一般被理解为根据给定的进给速率和给定的线性轮廓的要求，确定某处于轮廓点之间的中间点的方法。统称那些用不同计算方法来实现插补的方法称之为插补算法。
目前，在运动控制系统中，普遍应用的插补算法有两大类：一类称为直线插补，另一种类型的被称为圆弧插补。直线插补通常见于车床插补中。于直线插补中，穿过直线的分散点群并逼近两点之间的插补，亦会沿着这条直线用以操控刀具的移动。直线插补仅能用于实际轮廓为直线的插补模式（若非一条直线，亦可用曲线逼近法来近似直线，使得每个段可用直线插补）。在圆弧插补中，基于两个端点之间的插补数字信息，计算出近似实际圆弧的点组，刀具沿此移动，加工圆弧曲线。
传统的数控尚且只能提供直线插补和圆弧插补的两种方式，以直线与圆弧段拟合插补的方法处理圆弧线与非直线。此方法常用来处理复杂的曲线，极有可能会导致大量数据，从而出现准确度差，进给速度不均匀，编程复杂等问题，将无可避免地导致其对成品成本与加工质量造成更大影响。许多人开始试图找到将直接插补应用到自由型复杂曲线曲面的途径。近年来，诸多界内的国内外学者不同程度的探究了这个问题，随之而来的诸多新型插补方案，如A（Akima）样条曲线插补、C（Cubic）样条插值、贝塞尔曲线插补、PH（Pythagorean Hodograph）型曲线插补和B样条曲线插补等。概因类B样条型曲线囊括了在表示和设计自由曲线曲面形状方面的诸多优势，使其成为自由空间曲线和曲面直接插补算法的研究上的集中研究点。
1.2插补算法的发展概况及发展趋势
1.2.1插补算法的发展概况
早期的插补技术功能是由硬件来完成的，基于硬件的插补技术运算速度非常快，但是随着加工零件轮廓曲线的复杂化，基于硬件的插补技术结构复杂、灵活性差的缺点也暴露了出来，其进展所限于当时的硬件水平。个人电脑的飞速发展，使插补技术摆脱了硬件，采用软件的形式来完成插补，提高了插补技术的灵活性，简化了插补的结构，但是插补的运算速度却比不上硬件。现代数控系统多采用软硬件结合的形式完成插补功能，以实现软硬件的优势互补，在优化了运算速度的同时，亦适当的简化了插补装置的结构。随着CAD/CAM技术的进步，自由曲线在复杂零件的造型中应用越来越广，特别是飞机、汽车等产品的零部件。由于传统的直线与圆弧插补技术，无法对自由曲线进行直接插补，一般是将自由曲线离散为微小直线段与圆弧段，然后对直线段和圆弧进行插补，完成零件的加工。这种方法不仅程序量大，加工的精度与速度也无法满足要求。此时，需要一种新的插补技术来突破这些障碍，NUBRS插补技术的出现，从根本上解决了上述问题。
1.2.2 插补算法的发展趋势
由于传统插补算法已经不足以满足数控系统的发展需求，一些学者提出了曲面直接插补算法。该算法在插补周期中顺着插补曲线通过演算取得曲线上部分数据点的信息，随后用短直线来续接数据点，以此逼近插补曲线。此插补法极大的提高了插补的速度和精度。其主要优点是输入信息只需要零件的几何形状和加工参数即可，而不需要逼近离散，大大简化了零件程序部件，所以程序可以一次加载到存储器，没有外部的储存和运输环节，从而简化了硬件系统，降低了加工成本。
1.3研究目的与内容
插补算法是运动控制系统中常用的一种机构。本课题的研究目的在于满足插补的精度、进给速度和加速度的限制条件，更加强调与满足插补的实用性。以意法半导体公司生产的微处理器STM32为核心，构建NURBS曲线数控插补系统硬件平台。利用芯片的硬件结构发送脉冲控制电机，实现各个轴的运动控制。利用Matlab对NURBS曲线的插补算法进行仿真分析，验证算法的正确度和简洁度。
2 相关理论介绍
2.1插补分类及速度控制
在加工零部件的流程中，一般用户仅需提供易于获得的参数，如提供直线初始点和截至点的参数，亦或是圆弧起终点坐标当量、圆心距及顺逆圆的信息。然而这些数据尚不能足以使机械模拟元器件运动。因此，为充分达到实时计算已知点并据此实现运动轨迹控制的执行部件，并满足许多中间点直线传送速度的要求，此类分析算法统称为数控系统的插补概念。插补的实质即为数据点的密化。
高效和高精度的插补算法直接决定数控系统的高性能。因此，为了使先进的数控系统充分实现其功能，无论是国外还是国内，研究人员一直试图突破精度高、速度快的新插补算法（软件）的设计难点，然则此类插补算法设计也是众公司力图保密的核心技术。纵使用户得以接触的西门子公司的技术，却并没有多少普通用户能随时享用插补的权能。
插补可细分为多种形式。硬件插补和软件插补是据其工作的达成条件所划分的。概因软件插补具有结构精致(CNC装置的微处理器和程序)、易于调整适应性强等优良特性，现代数控系统时常有软件插补器的身影。完完全全的硬件插补应用场景逐渐减少，只有
第一章 绪论 5
1.1选题背景与意义 5
1.2插补算法的发展概况及发展趋势 5
1.3研究目的与内容 6
第二章 相关理论介绍 7
2.1插补分类及速度控制 7
2.2多自由度运动平台概述 9
第三章 逐点比较直线插补 10
3.1计算方法及分析 11
3.2终点判定 12
3.3直线插补算法的程序实现 13
第四章 系统软件应用 14
4.1 STM32系统开发软件 15
4.2步进电机时钟设置 16
4.3步进电机控制 17
第五章 轨迹优化 19
5.1轨迹优化准则 20
5.2轨迹优化仿真 21
参考文献 26
致谢 27
1 绪论
1.1选题背景与意义
随着高精度加工和运动控制技术的飞速发展，插补算法和控制技术越来越成为运动控制技术中的核心技术。插补速度的快慢与插补精度的高低直接影响着运动控制水平的高低，是评价运动控制系统的重要指标。在一个运动控制系统的成分中，插补功能是其不可或缺的能力之一。一个运动控制系统具备了插补功能才能精确地计算并控制物体运动。插补方法一般被理解为根据给定的进给速率和给定的线性轮廓的要求，确定某处于轮廓点之间的中间点的方法。统称那些用不同计算方法来实现插补的方法称之为插补算法。
目前，在运动控制系统中，普遍应用的插补算法有两大类：一类称为直线插补，另一种类型的被称为圆弧插补。直线插补通常见于车床插补中。于直线插补中，穿过直线的分散点群并逼近两点之间的插补，亦会沿着
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
具备了插补功能才能精确地计算并控制物体运动。插补方法一般被理解为根据给定的进给速率和给定的线性轮廓的要求，确定某处于轮廓点之间的中间点的方法。统称那些用不同计算方法来实现插补的方法称之为插补算法。
目前，在运动控制系统中，普遍应用的插补算法有两大类：一类称为直线插补，另一种类型的被称为圆弧插补。直线插补通常见于车床插补中。于直线插补中，穿过直线的分散点群并逼近两点之间的插补，亦会沿着这条直线用以操控刀具的移动。直线插补仅能用于实际轮廓为直线的插补模式（若非一条直线，亦可用曲线逼近法来近似直线，使得每个段可用直线插补）。在圆弧插补中，基于两个端点之间的插补数字信息，计算出近似实际圆弧的点组，刀具沿此移动，加工圆弧曲线。
传统的数控尚且只能提供直线插补和圆弧插补的两种方式，以直线与圆弧段拟合插补的方法处理圆弧线与非直线。此方法常用来处理复杂的曲线，极有可能会导致大量数据，从而出现准确度差，进给速度不均匀，编程复杂等问题，将无可避免地导致其对成品成本与加工质量造成更大影响。许多人开始试图找到将直接插补应用到自由型复杂曲线曲面的途径。近年来，诸多界内的国内外学者不同程度的探究了这个问题，随之而来的诸多新型插补方案，如A（Akima）样条曲线插补、C（Cubic）样条插值、贝塞尔曲线插补、PH（Pythagorean Hodograph）型曲线插补和B样条曲线插补等。概因类B样条型曲线囊括了在表示和设计自由曲线曲面形状方面的诸多优势，使其成为自由空间曲线和曲面直接插补算法的研究上的集中研究点。
1.2插补算法的发展概况及发展趋势
1.2.1插补算法的发展概况
早期的插补技术功能是由硬件来完成的，基于硬件的插补技术运算速度非常快，但是随着加工零件轮廓曲线的复杂化，基于硬件的插补技术结构复杂、灵活性差的缺点也暴露了出来，其进展所限于当时的硬件水平。个人电脑的飞速发展，使插补技术摆脱了硬件，采用软件的形式来完成插补，提高了插补技术的灵活性，简化了插补的结构，但是插补的运算速度却比不上硬件。现代数控系统多采用软硬件结合的形式完成插补功能，以实现软硬件的优势互补，在优化了运算速度的同时，亦适当的简化了插补装置的结构。随着CAD/CAM技术的进步，自由曲线在复杂零件的造型中应用越来越广，特别是飞机、汽车等产品的零部件。由于传统的直线与圆弧插补技术，无法对自由曲线进行直接插补，一般是将自由曲线离散为微小直线段与圆弧段，然后对直线段和圆弧进行插补，完成零件的加工。这种方法不仅程序量大，加工的精度与速度也无法满足要求。此时，需要一种新的插补技术来突破这些障碍，NUBRS插补技术的出现，从根本上解决了上述问题。
1.2.2 插补算法的发展趋势
由于传统插补算法已经不足以满足数控系统的发展需求，一些学者提出了曲面直接插补算法。该算法在插补周期中顺着插补曲线通过演算取得曲线上部分数据点的信息，随后用短直线来续接数据点，以此逼近插补曲线。此插补法极大的提高了插补的速度和精度。其主要优点是输入信息只需要零件的几何形状和加工参数即可，而不需要逼近离散，大大简化了零件程序部件，所以程序可以一次加载到存储器，没有外部的储存和运输环节，从而简化了硬件系统，降低了加工成本。
1.3研究目的与内容
插补算法是运动控制系统中常用的一种机构。本课题的研究目的在于满足插补的精度、进给速度和加速度的限制条件，更加强调与满足插补的实用性。以意法半导体公司生产的微处理器STM32为核心，构建NURBS曲线数控插补系统硬件平台。利用芯片的硬件结构发送脉冲控制电机，实现各个轴的运动控制。利用Matlab对NURBS曲线的插补算法进行仿真分析，验证算法的正确度和简洁度。
2 相关理论介绍
2.1插补分类及速度控制
在加工零部件的流程中，一般用户仅需提供易于获得的参数，如提供直线初始点和截至点的参数，亦或是圆弧起终点坐标当量、圆心距及顺逆圆的信息。然而这些数据尚不能足以使机械模拟元器件运动。因此，为充分达到实时计算已知点并据此实现运动轨迹控制的执行部件，并满足许多中间点直线传送速度的要求，此类分析算法统称为数控系统的插补概念。插补的实质即为数据点的密化。
高效和高精度的插补算法直接决定数控系统的高性能。因此，为了使先进的数控系统充分实现其功能，无论是国外还是国内，研究人员一直试图突破精度高、速度快的新插补算法（软件）的设计难点，然则此类插补算法设计也是众公司力图保密的核心技术。纵使用户得以接触的西门子公司的技术，却并没有多少普通用户能随时享用插补的权能。
插补可细分为多种形式。硬件插补和软件插补是据其工作的达成条件所划分的。概因软件插补具有结构精致(CNC装置的微处理器和程序)、易于调整适应性强等优良特性，现代数控系统时常有软件插补器的身影。完完全全的硬件插补应用场景逐渐减少，只有
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/dzkxyjs/2000.html
