面向编码器/播放器式数控系统的运动比特流变换方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种面向编码 器/播放器式数控系统的运动比特流变换方法，在编码器中将单位弧长增量法的插补结果 转换为运动比特流的形式进行预先存储，并在加工的过程中利用播放器从运动比特流中快 速提取各轴坐标增量值，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。
[0007] 本发明提供了一种面向编码器/播放器式数控系统的运动比特流变换方法，所述 运动比特流变换方法为串行编码方法，包括使用数组存放单位弧长增量法生成的共计M k步 插补结果，所述数组一共有Mk个元素，第k个元素放了所述单位弧长增量法第k步插补的 坐标增量A Qk所对应的脉冲位〇k, j和方向位61{,」，其中Mj为机床轴数，k= 1，2，…，Mk，j = 1， 2,…，Mj〇
[0008] 本发明提供了一种面向编码器/播放器式数控系统的运动比特流变换方法，所述 运动比特流变换方法为并行编码方法，包括机床的每根轴使用两个一维数组，分别存储脉 冲位和方向位;称存储所述脉冲位的所述一维数组为脉冲流，第j轴的所述脉冲流的第K个 兀素 Gk, j存储了所述单位弧长增量法从第NK-N+1步到第NK步插补生成的脉冲位〇NK-N+1, j， σΝκ-N+2, j，…，σΝΚ, j;称存储所述方向位的所述一维数组为方向流，第j轴的所述方向流的第K 个元素 Dk, j存储了所述单位弧长增量法从第ΝΚ-Ν+1步到第ΝΚ步插补生成的方向位δΝΚ-N+1, j， δ·-N+2, j，…，δ.，j; 其中1=1,2,…，「私/況]，"Π ，，为向上取整符号。
[0009] 本发明提供了一种面向编码器/播放器式数控系统的运动比特流变换方法，所述 运动比特流变换方法为串行解码方法，包括设在t-T时刻解码至第k P (t-T)步，在t时刻的进 给速度决定在t时刻需要解码AkP(t)步，其中第k步解码通过如下转换方法获取所述坐标 增里 Δ Qk:右j= 0，则 Δ qk, j= 0 ;右j= 1且j= 0，则 Δ qk, j= 1;右j= 1且j= 1，则
;:计算
[0010] 本发明提供了一种面向编码器/播放器式数控系统的运动比特流变换方法，所述 运动比特流变换方法为并行解码方法，包括设在t-T时刻解码至第k P(t-T)步，在t时刻的进 给速度决定在t时刻需要解码△ kp(t)步;对于第j轴，使用种群计数法统计所述脉冲流中的 从第kP(t_T) + l位到第kP(t)位中的"Γ的个数，记为六⑴，以及所述方向流中的从第kP(t_ τ)+1位到第kP(t)位中的"1"的个数，记为之(φ由(9y(i)和為(?)计算在t时刻的第j轴指令
[0011]本发明提供了一种面向编码器/播放器式数控系统的运动比特流变换方法，所述运 动比特流变换方法为串行编码和串行解码方法，其中所述串行编码方法包括使用数组存放单 位弧长增量法生成的共计Mk步插补结果，所述数组一共有M k个元素，第k个元素存放了所述 单位弧长增量法第k步插补的坐标增量△ Qk所对应的脉冲位〇k, j和方向位61{,」，其中Mj为机床轴 数，k = 1，2，…，Mk，j = 1，2，…，Mj;所述串行解码方法包括设在t-T时刻解码至第kP (t-T)步，在 t时刻的进给速度决定在t时刻需要解码△ kP(t)步，其中第k步解码通过如下转换方法获取所 述坐标增量 A Qk:若ok,j = 〇,则 Δ qk,j = 〇;若ok,j = l且5k,j = 〇,则 Δ qk,j = l;若ok,j = l且5k,j =1，则 Aqk,j = -1;其中 k = kP(t-T),kP(t-T) + l,…kpUhAg,' ^Δ?Α'ρΔ?Α.ν,Δ?/η,.); 计算在t时刻的指令位置增量：δ#Μ = Δρ?ρ(?_Γ)+1 +Δ^(/_Γ)+2 +··· + Δ?^(?)。
[0012] 本发明提供了一种面向编码器/播放器式数控系统的运动比特流变换方法，所述 运动比特流变换方法为并行编码和串行解码方法，其中所述并行编码方法包括机床的每根 轴使用两个一维数组，分别存储脉冲位和方向位;称存储所述脉冲位的所述一维数组为脉 冲流，第j轴的所述脉冲流的第K个元素存储了所述单位弧长增量法从第NK-N+1步到第 NK步插补生成的脉冲位〇NK-N+1,j，σΝΚ-N+2,j，…，o NK,j;称存储所述方向位的所述一维数组为方 向流，第j轴的所述方向流的第K个元素 DK,j存储了所述单位弧长增量法从第NK-N+1步到第 NK步插补生成的方向位δΝΚ-N+1, j，δΝΚ-N+2, j，…，δΝΚ, j; 其中友=1，足.,.,「^4/祝1， "「J"为 向上取整符号;所述串行解码方法包括设在t-T时刻解码至第kP(t_T)步，在t时刻的进给速 度决定在t时刻需要解码AkP(t)步，其中第k步解码通过如下转换方法获取所述坐标增