本發(fā)明涉及一種機(jī)電一體化的數(shù)控插補(bǔ)系統(tǒng)，更具體的說，涉及一種newton-rapson迭代的插補(bǔ)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)；《基于pci和usb總線的開放式運(yùn)動控制器》一文的敘述：開發(fā)數(shù)控（nc）或計(jì)算機(jī)數(shù)控（cnc）系統(tǒng)作為制造形狀復(fù)雜、高質(zhì)量、高精度產(chǎn)品所必備的基礎(chǔ)設(shè)備，已成為當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)的一個重要組成部分。然而，fanuc、simens等常規(guī)cnc系統(tǒng)為專用結(jié)構(gòu)cnc，其組成的硬件模塊和軟件結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)是專用的、互不兼容的系統(tǒng)，各模塊間的交互方式、通信機(jī)制也各不相同，這就造成了不同廠家控制系統(tǒng)的相對獨(dú)立，彼此封閉。隨著技術(shù)的進(jìn)步，市場競爭的加劇，這種專用體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)越來越暴露出其固有的缺陷。一方面，各控制系統(tǒng)間互連能力差，影響了系統(tǒng)的相互集成，風(fēng)格不一的操作方式以及專用件的大量使用，不但使用戶培訓(xùn)費(fèi)用增加，還給數(shù)控設(shè)備用戶（nc系統(tǒng)的最終用戶）帶來很多不便；另一方面，系統(tǒng)的封閉性使它的擴(kuò)充和修改極為有限，造成數(shù)控設(shè)備制造商（nc系統(tǒng)中間用戶）對系統(tǒng)供應(yīng)商的依賴，并難以將自己的專門技術(shù)、工藝經(jīng)驗(yàn)集成入控制系統(tǒng)并形成自己的產(chǎn)品特點(diǎn)，這將不利于提高主機(jī)產(chǎn)品的競爭力。此外，專用的硬軟件結(jié)構(gòu)也限制了系統(tǒng)本身的持續(xù)開發(fā)，使系統(tǒng)的開發(fā)投資大、周期長、風(fēng)險(xiǎn)高、更新?lián)Q代慢、不利于數(shù)控產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步?？傊?，數(shù)控系統(tǒng)的這一現(xiàn)狀已不能適應(yīng)當(dāng)今制造業(yè)市場變化與競爭，也不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)向信息化、模塊化和敏捷制造模式發(fā)展的需要。

因此，研究專門的數(shù)控插補(bǔ)系統(tǒng)十分必要。

根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)；張萬軍作者在《制造技術(shù)與機(jī)床》2013年2期期刊發(fā)表《三次b樣條曲線修正算法的研究》一文所述：數(shù)控加工經(jīng)常會遇到如飛機(jī)機(jī)翼、飛機(jī)葉輪等許多具有復(fù)雜外形輪廓的零件，通常用nurbs曲線表示。

另外，還根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)；張萬軍作者在《制造技術(shù)與機(jī)床》2015年4期發(fā)表《nurbs曲線定時(shí)/中斷插補(bǔ)算法的研究》一文所述：現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的nurbs曲線插補(bǔ)是開放的cnc數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的核心技術(shù)之一，研究數(shù)控系統(tǒng)中的nurbs曲線新的插補(bǔ)方法顯得尤為重要。

另外，根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)；張萬軍作者在《制造業(yè)自動化》2011年8期期刊發(fā)表《nurbs曲線修正插補(bǔ)算法的研究》一文所述：目前只有極少數(shù)fanuc、siemens、三菱等數(shù)控系統(tǒng)支持nurbs插補(bǔ)，而絕大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)支持直線、圓弧或拋物線等插補(bǔ)。于是研究nurbs插補(bǔ)方法在開放的cnc系統(tǒng)中就顯得十分必要，cnc系統(tǒng)中添加nurbs曲線插補(bǔ)，通常使用參數(shù)遞推方法插補(bǔ)。

另外，還根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)；張萬軍作者在《appliedmechanicsandmaterials》2014年12發(fā)表的《researchonmodificationalgorithmofcubicb-splinecurveinterpolationtechnology》（ei(ja)：20152801018693），《researchonaalgorithmofadaptiveinterpolationfornurbscurve》（ei(ja)：20152801018372）等國際文獻(xiàn)，詳細(xì)地?cái)⑹隽耍?/p>

隨著嵌入式的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展，以前的數(shù)控插補(bǔ)系統(tǒng)在體系和結(jié)構(gòu)上存在很大的局限性，主要表現(xiàn)在：

（1）、以前的數(shù)控插補(bǔ)系統(tǒng)采用封閉式體系的數(shù)控系統(tǒng)，一般由生產(chǎn)廠商制造并進(jìn)行擴(kuò)展、改裝、維修和調(diào)試，如siemens820d系統(tǒng)、siemens810d系統(tǒng)、siemens840d系統(tǒng)；

（2）、以前的數(shù)控插補(bǔ)系統(tǒng)沒采用模塊化的結(jié)構(gòu)，數(shù)控系統(tǒng)的互換性、通用性較差；

（3）、以前的數(shù)控插補(bǔ)系統(tǒng)插補(bǔ)運(yùn)算受數(shù)控運(yùn)動控制器的限制，沒有專門處理插補(bǔ)算法的nurbs曲線插補(bǔ)運(yùn)算控制器，這樣就導(dǎo)致數(shù)控插補(bǔ)運(yùn)算量增大、插補(bǔ)計(jì)算時(shí)間增長，使得數(shù)控插補(bǔ)系統(tǒng)計(jì)算負(fù)擔(dān)加重，必然會導(dǎo)致數(shù)控插補(bǔ)硬件及軟件的成本增加，給用戶增加不必要經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)；

（4）、以前的數(shù)控插補(bǔ)系統(tǒng)很少采用dsp、fpga及nurbs曲線插補(bǔ)運(yùn)算器，在nurbs曲線插補(bǔ)運(yùn)算中，增加了nurbs曲線插補(bǔ)運(yùn)算的計(jì)算量和插補(bǔ)誤差、提高了成本，不能能產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

另外，現(xiàn)有技術(shù)中，利用nurbs曲線實(shí)現(xiàn)專門數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)的技術(shù)已日益成熟，請參考申請人張萬軍的專利zl2015200430828的中國申請專利，發(fā)明名稱為：一種newton-rapson迭代的數(shù)控插補(bǔ)系統(tǒng)，該專利包括人機(jī)交互的數(shù)控界面、數(shù)控pc、數(shù)控運(yùn)動控制卡、插補(bǔ)裝置、數(shù)控執(zhí)行裝置、位置/速度檢測裝置。該專利詳細(xì)介紹了nurbs曲線利用taylor公式的展開式求一階、二階導(dǎo)數(shù)實(shí)時(shí)插補(bǔ)之后，在利用newton-rapson迭代的插補(bǔ)算法求的、、的坐標(biāo)點(diǎn)，進(jìn)行nurbs曲線數(shù)據(jù)的擬合，完成nurbs曲線插補(bǔ)算法。同時(shí)，該專利也詳細(xì)地?cái)⑹隽薱pld的組成和nurbs曲線的插補(bǔ)運(yùn)算器，最后，該專利完全可以實(shí)現(xiàn)nurbs的插補(bǔ)，提高了插補(bǔ)系統(tǒng)的插補(bǔ)精度，減少了nurbs曲線插補(bǔ)運(yùn)算的計(jì)算量和插補(bǔ)誤差、降低了成本低，能產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益；但沒有詳細(xì)地?cái)⑹霰緦＠囊环Nnewton-rapson迭代的插補(bǔ)算法、nurbs曲線插補(bǔ)與newton-rapson迭代插補(bǔ)仿真對比、分析的問題。

另外，現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于曲線曲面插補(bǔ)及nurbs曲線插補(bǔ)技術(shù)也日趨完善，請參照蘭州理工大學(xué)碩士學(xué)位申請者張萬軍的碩士學(xué)位論文：復(fù)雜曲線曲面插補(bǔ)技術(shù)修正算法的研究，該論文詳細(xì)地介紹了nurbs曲線的插補(bǔ)及nurbs曲線的插補(bǔ)在數(shù)控系統(tǒng)中仿真實(shí)驗(yàn)過程。同時(shí)，該論文也對nurbs曲線插補(bǔ)參數(shù)遞推一階、兩階求解比較復(fù)雜，加工誤差較大之后提出nurbs/b樣條曲線曲面修正的插補(bǔ)算法，該算法不僅滿足加工對精度方面的要求，同時(shí)也滿足實(shí)時(shí)性的要求。最后，通過在matlab7.0上驗(yàn)證該算法是正確的，符合nurbs曲線曲面插補(bǔ)的要求。但該論文尚有以下幾個方面的工作有待進(jìn)一步深入研究：有關(guān)nurbs曲線曲面控制點(diǎn)、權(quán)因子用參數(shù)化在理論上可以表示，但在實(shí)際中科學(xué)上是很難駕馭和控制的，因此在科學(xué)實(shí)際應(yīng)用中要更深層次的研究和探討。同時(shí)，該論文由于時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件的關(guān)系，沒有nurbs曲線插補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究，也沒有對nurbs曲線newton-rapson迭代插補(bǔ)進(jìn)行深入地研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了克服上述傳統(tǒng)的數(shù)控插補(bǔ)系統(tǒng)的局限性和不足，給出了一種newton-rapson迭代的插補(bǔ)系統(tǒng)。

同時(shí)，本發(fā)明還提供了另一種技術(shù)方案：一種nurbs曲線newton-rapson迭代的插補(bǔ)方法。

為了解決以上問題，本發(fā)明提供了一種newton-rapson迭代的插補(bǔ)系統(tǒng)，包括數(shù)控pc機(jī)、數(shù)控運(yùn)動控制器、伺服/驅(qū)動模塊、通訊及主軸模塊、數(shù)控機(jī)床本體結(jié)構(gòu)、檢測元件模塊；所述的數(shù)控運(yùn)動控制器，左端通過isa總線與數(shù)控pc機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，右下端通過d/a接口與伺服/驅(qū)動模塊相連，右上端與通訊及主軸模塊相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)控插補(bǔ)系統(tǒng)的通訊及主軸運(yùn)動；所述的數(shù)控運(yùn)動控制器包括dsp、fpga及nurbs曲線插補(bǔ)運(yùn)算器，用于完成nurbs曲線newton-rapson迭代的數(shù)控插補(bǔ)。

本發(fā)明進(jìn)一步限定的技術(shù)方案如下：

所述的dsp采用ti公司的tms20lf2400a的數(shù)字信號芯片作為控制器，完成插補(bǔ)算法的控制。

進(jìn)一步地，所述的dsp包括還兩個16位的定時(shí)器、電源管理模塊、2k的ram存儲器、16通道的a/d轉(zhuǎn)換器。

所述的fpga采用altera公司的可編程邏輯器件（plds）。

所述的伺服/驅(qū)動模塊包括x軸伺服/驅(qū)動模塊、y軸伺服/驅(qū)動模塊、z軸伺服/驅(qū)動模塊。

進(jìn)一步地，所述的x軸伺服/驅(qū)動模塊包括x軸伺服模塊和x軸驅(qū)動模塊。

進(jìn)一步地，所述的x軸伺服模塊由x軸的sinamicsv80伺服驅(qū)動電機(jī)構(gòu)成，完成x軸的伺服運(yùn)動。

進(jìn)一步地，所述的x軸驅(qū)動模塊x軸的drv8x電機(jī)驅(qū)動器構(gòu)成，完成x軸的電機(jī)驅(qū)動運(yùn)動。

所述的y軸伺服/驅(qū)動模塊包括y軸伺服模塊和y軸驅(qū)動模塊。

進(jìn)一步地，所述的y軸伺服模塊由y軸的sinamicsv80伺服驅(qū)動電機(jī)構(gòu)成，完成y軸的伺服運(yùn)動。

進(jìn)一步地，所述的y軸驅(qū)動模塊y軸的drv8x電機(jī)驅(qū)動器構(gòu)成，完成y軸的電機(jī)驅(qū)動運(yùn)動。

進(jìn)一步地，所述的z軸伺服/驅(qū)動模塊包括z軸伺服模塊和z軸驅(qū)動模塊。

進(jìn)一步地，所述的z軸伺服模塊由z軸的sinamicsv80伺服驅(qū)動電機(jī)構(gòu)成，完成z軸的伺服運(yùn)動。

進(jìn)一步地，所述的z軸驅(qū)動模塊z軸的drv8x電機(jī)驅(qū)動器構(gòu)成，完成z軸的電機(jī)驅(qū)動運(yùn)動。

所述的通訊及主軸模塊包括can接口、主軸dac。

進(jìn)一步地，所述的can接口與通訊接口相連，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)控插補(bǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。

進(jìn)一步地，所述的主軸dac與主軸相連，用于控制主軸的插補(bǔ)運(yùn)動。

所述的數(shù)控pc機(jī)通過isa總線與數(shù)控運(yùn)動控制器相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)控插補(bǔ)系統(tǒng)的人機(jī)對話、系統(tǒng)管理、數(shù)控代碼的解釋。

詳細(xì)地，所述的數(shù)控pc機(jī)采樣頻率為500hz。

檢測元件模塊包括安裝在x軸伺服電機(jī)上的光電編碼器、y軸伺服電機(jī)上的光電編碼器、z軸伺服電機(jī)上的光電編碼器。

進(jìn)一步地，所述的安裝在x軸伺服電機(jī)上的光電編碼器，將x軸伺服電機(jī)的角位移以脈沖的形式反饋到數(shù)控運(yùn)動控制器，檢測x軸角位移的大小量。

進(jìn)一步地，所述的安裝在y軸伺服電機(jī)上的光電編碼器，將y軸伺服電機(jī)的角位移以脈沖的形式反饋到數(shù)控運(yùn)動控制器，檢測y軸角位移的大小量。

進(jìn)一步地，所述的安裝在z軸伺服電機(jī)上的光電編碼器，將z軸伺服電機(jī)的角位移以脈沖的形式反饋到數(shù)控運(yùn)動控制器，檢測z軸角位移的大小量。

所述的數(shù)控機(jī)床本體結(jié)構(gòu)包括諧波齒輪傳動機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠。

本發(fā)明還提供了另一種技術(shù)方案：一種nurbs曲線newton-rapson迭代t的插補(bǔ)方法，其特征在于，按以下步驟進(jìn)行：

步驟s1：nurbs曲線預(yù)處理；

輸入nurbs曲線的參數(shù)，如控制點(diǎn)、權(quán)因子、節(jié)點(diǎn)矢量等參數(shù)；

又，nurbs曲線一分段的矢值有理多項(xiàng)式函數(shù)，其表達(dá)式為

（1）

又，式中：nurrbs的控制點(diǎn)矢量為，權(quán)因子為，稱為節(jié)點(diǎn)矢量。

又，（2）

taylor一階展開式的插補(bǔ)算法

根據(jù)泰勒公式展開式（一階展開式）

（3）

式中：是指taylor展開的高階項(xiàng)(highorderterms)。

設(shè)為沿曲線的進(jìn)給速度，可由曲線對時(shí)間求導(dǎo)得到

（4）

對的一階導(dǎo)數(shù)可以表示為

（5）

將式（4），（5）代入式（3）得到泰勒公式一階展開式的近似計(jì)算公式為

（6）

設(shè)nurbs曲線上有存在插補(bǔ)最大減速點(diǎn)與最小加速點(diǎn)兩點(diǎn)，點(diǎn)插補(bǔ)到點(diǎn)的曲線長度為，滿足曲線插補(bǔ)弦長的關(guān)系式

（7）

步驟s2：計(jì)算方程；

詳細(xì)地，設(shè)當(dāng)前的插補(bǔ)點(diǎn)參數(shù)為，下一個插補(bǔ)點(diǎn)為，構(gòu)造方程；

（8）

對于方程的解參數(shù)，滿足關(guān)系式

（9）

更近一步地，采用newton-rapson迭代式的公式為

（10）

對求一階導(dǎo)數(shù)為

（11）

將式（11）展開

（12）

（13）

（14）

步驟s3：計(jì)算迭代結(jié)果；

（15）

步驟s4：判斷是否滿足迭代條件

具體地，迭代條件為：

（16）

式中，為迭代誤差精度的上限，迭代速度不一定滿足此式子，速度上限為，滿足。

（1）、若不滿足迭代條件，則執(zhí)行步驟s3；

（2）、若滿足迭代條件，則執(zhí)行步驟s5。

步驟s5：插補(bǔ)點(diǎn)為，保存、；

更近一步地，令，將代入式（2）可得到、、，具體地，、、完成nurbs曲線插補(bǔ)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果：

1）、本發(fā)明采用模塊化的結(jié)構(gòu)，包括數(shù)控pc機(jī)、數(shù)控運(yùn)動控制器、伺服/驅(qū)動模塊、通訊及主軸模塊、數(shù)控機(jī)床本體結(jié)構(gòu)、檢測元件模塊，完成nurbs曲線newton-rapson迭代的插補(bǔ)。

2）、本發(fā)明采用的數(shù)控運(yùn)動控制器包括dsp、fpga及nurbs曲線插補(bǔ)運(yùn)算器；所述的dsp采用ti公司的tms20lf2400a的數(shù)字信號芯片作為控制器，完成插補(bǔ)算法的控制，所述的dsp包括還兩個16位的定時(shí)器、電源管理模塊、2k的ram存儲器、16通道的a/d轉(zhuǎn)換器；所述的fpga采用altera公司的可編程邏輯器件（plds）；所述的nurbs曲線插補(bǔ)運(yùn)算器，用于完成nurbs曲線的預(yù)處理、nurbs曲線的newton-rapson迭代的數(shù)控插補(bǔ)運(yùn)算。

3）、本發(fā)明采用nurbs曲線newton-rapson迭代的插補(bǔ)方法，實(shí)現(xiàn)了nurbs曲線newton-rapson迭代的插補(bǔ)，具有較強(qiáng)通用性和實(shí)用性，可以簡化運(yùn)算、節(jié)約插補(bǔ)時(shí)間。

除了以上這些，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)nurbs曲線newton-rapson迭代的數(shù)控插補(bǔ)，提高了插補(bǔ)系統(tǒng)的插補(bǔ)精度，減少了nurbs曲線插補(bǔ)運(yùn)算的計(jì)算量和插補(bǔ)誤差、降低了成本低，能產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其它優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的說明書和權(quán)利要求書來實(shí)現(xiàn)和獲得。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的一種newton-rapson迭代的插補(bǔ)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明nurbs插補(bǔ)的數(shù)學(xué)模型圖；

圖3為本發(fā)明所述的一種newton-rapson迭代的插補(bǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)nurbs曲線的newton-rapson迭代數(shù)控插補(bǔ)過程的流程圖；

圖4為本發(fā)明所述的一種newton-rapson迭代的插補(bǔ)系統(tǒng)中nurbs曲線數(shù)控插補(bǔ)仿真圖；

圖5為本發(fā)明所述的一種newton-rapson迭代的插補(bǔ)系統(tǒng)中newton-rapson迭代數(shù)控插補(bǔ)仿真圖；

圖6為本發(fā)明nurbs曲線的newton-rapson迭代matlab7.0中離散插補(bǔ)點(diǎn)仿真圖；

圖7為本發(fā)明所述的newton-rapson迭代的方法實(shí)現(xiàn)nurbs曲線數(shù)控插補(bǔ)的實(shí)例圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明及其實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

實(shí)施實(shí)例1：

本實(shí)施例提供的一種newton-rapson迭代的插補(bǔ)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括數(shù)控pc機(jī)、數(shù)控運(yùn)動控制器、伺服/驅(qū)動模塊、通訊及主軸模塊、數(shù)控機(jī)床本體結(jié)構(gòu)、檢測元件模塊；所述的數(shù)控運(yùn)動控制器，左端通過isa總線與數(shù)控pc機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，右下端通過d/a接口與伺服/驅(qū)動模塊相連，右上端與通訊及主軸模塊相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)控插補(bǔ)系統(tǒng)的通訊及主軸運(yùn)動；所述的數(shù)控運(yùn)動控制器包括dsp、fpga及nurbs曲線插補(bǔ)運(yùn)算器，用于完成nurbs曲線newton-rapson迭代的數(shù)控插補(bǔ)。

又，本發(fā)明采用模塊化的結(jié)構(gòu)，包括數(shù)控pc機(jī)、數(shù)控運(yùn)動控制器、伺服/驅(qū)動模塊、通訊及主軸模塊、數(shù)控機(jī)床本體結(jié)構(gòu)、檢測元件模塊，完成nurbs曲線newton-rapson迭代的插補(bǔ)，是本發(fā)明的一個顯著特點(diǎn)。

所述的dsp采用ti公司的tms20lf2400a的數(shù)字信號芯片作為控制器，完成插補(bǔ)算法的控制。

所述的dsp包括還兩個16位的定時(shí)器、電源管理模塊、2k的ram存儲器、16通道的a/d轉(zhuǎn)換器。

所述的fpga采用altera公司的可編程邏輯器件（plds）。

所述的nurbs曲線插補(bǔ)運(yùn)算器，用于完成nurbs曲線的預(yù)處理、nurbs曲線的newton-rapson迭代的數(shù)控插補(bǔ)運(yùn)算。

又，本發(fā)明采用的數(shù)控運(yùn)動控制器包括dsp、fpga及nurbs曲線插補(bǔ)運(yùn)算器；所述的dsp采用ti公司的tms20lf2400a的數(shù)字信號芯片作為控制器，完成插補(bǔ)算法的控制，所述的dsp包括還兩個16位的定時(shí)器、電源管理模塊、2k的ram存儲器、16通道的a/d轉(zhuǎn)換器；所述的fpga采用altera公司的可編程邏輯器件（plds）；所述的nurbs曲線插補(bǔ)運(yùn)算器，用于完成nurbs曲線的預(yù)處理、nurbs曲線的newton-rapson迭代的數(shù)控插補(bǔ)運(yùn)算，又是本發(fā)明的一個顯著特點(diǎn)。

所述的伺服/驅(qū)動模塊包括x軸伺服/驅(qū)動模塊、y軸伺服/驅(qū)動模塊、z軸伺服/驅(qū)動模塊。

所述的x軸伺服/驅(qū)動模塊包括x軸伺服模塊和x軸驅(qū)動模塊。

進(jìn)一步地，所述的x軸伺服模塊由x軸的sinamicsv80伺服驅(qū)動電機(jī)構(gòu)成，完成x軸的伺服運(yùn)動。

進(jìn)一步地，所述的x軸驅(qū)動模塊x軸的drv8x電機(jī)驅(qū)動器構(gòu)成，完成x軸的電機(jī)驅(qū)動運(yùn)動。

進(jìn)一步地，所述的y軸伺服/驅(qū)動模塊包括y軸伺服模塊和y軸驅(qū)動模塊。

進(jìn)一步地，所述的y軸伺服模塊由y軸的sinamicsv80伺服驅(qū)動電機(jī)構(gòu)成，完成y軸的伺服運(yùn)動。

進(jìn)一步地，所述的y軸驅(qū)動模塊y軸的drv8x電機(jī)驅(qū)動器構(gòu)成，完成y軸的電機(jī)驅(qū)動運(yùn)動。

進(jìn)一步地，所述的z軸伺服/驅(qū)動模塊包括z軸伺服模塊和z軸驅(qū)動模塊。

進(jìn)一步地，所述的z軸伺服模塊由z軸的sinamicsv80伺服驅(qū)動電機(jī)構(gòu)成，完成z軸的伺服運(yùn)動。

進(jìn)一步地，所述的z軸驅(qū)動模塊z軸的drv8x電機(jī)驅(qū)動器構(gòu)成，完成z軸的電機(jī)驅(qū)動運(yùn)動。

所述的通訊及主軸模塊包括can接口、主軸dac。

進(jìn)一步地，所述的can接口與通訊接口相連，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)控插補(bǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。

進(jìn)一步地，所述的主軸dac與主軸相連，用于控制主軸的插補(bǔ)運(yùn)動。

所述的數(shù)控pc機(jī)通過isa總線與數(shù)控運(yùn)動控制器相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)控插補(bǔ)系統(tǒng)的人機(jī)對話、系統(tǒng)管理、數(shù)控代碼的解釋。

所述的數(shù)控pc機(jī)采樣頻率為500hz。

檢測元件模塊包括安裝在x軸伺服電機(jī)上的光電編碼器、y軸伺服電機(jī)上的光電編碼器、z軸伺服電機(jī)上的光電編碼器。

進(jìn)一步地，所述的安裝在x軸伺服電機(jī)上的光電編碼器，將x軸伺服電機(jī)的角位移以脈沖的形式反饋到數(shù)控運(yùn)動控制器，檢測x軸角位移的大小量。

進(jìn)一步地，所述的安裝在y軸伺服電機(jī)上的光電編碼器，將y軸伺服電機(jī)的角位移以脈沖的形式反饋到數(shù)控運(yùn)動控制器，檢測y軸角位移的大小量。

進(jìn)一步地，所述的安裝在z軸伺服電機(jī)上的光電編碼器，將z軸伺服電機(jī)的角位移以脈沖的形式反饋到數(shù)控運(yùn)動控制器，檢測z軸角位移的大小量。

所述的數(shù)控機(jī)床本體結(jié)構(gòu)包括諧波齒輪傳動機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠。

nurbs插補(bǔ)的數(shù)學(xué)模型圖，如圖2所示，設(shè)nurbs曲線上有存在插補(bǔ)最大減速點(diǎn)與最小加速點(diǎn)兩點(diǎn)，點(diǎn)插補(bǔ)到點(diǎn)的曲線長度為。

如圖3所示，實(shí)現(xiàn)nurbs曲線的newton-rapson迭代數(shù)控插補(bǔ)系統(tǒng)插補(bǔ)的步驟：

步驟s1：nurbs曲線預(yù)處理；

輸入nurbs曲線的參數(shù)，如控制點(diǎn)、權(quán)因子、節(jié)點(diǎn)矢量等參數(shù)；

又，nurbs曲線一分段的矢值有理多項(xiàng)式函數(shù)，其表達(dá)式為

（1）

又，式中：nurrbs的控制點(diǎn)矢量為，權(quán)因子為，稱為節(jié)點(diǎn)矢量。

又，（2）

taylor一階展開式的插補(bǔ)算法

根據(jù)泰勒公式展開式（一階展開式）

（3）

式中：是指taylor展開的高階項(xiàng)(highorderterms)。

設(shè)為沿曲線的進(jìn)給速度，可由曲線對時(shí)間求導(dǎo)得到

（4）

對的一階導(dǎo)數(shù)可以表示為

（5）

將式（4），（5）代入式（3）得到泰勒公式一階展開式的近似計(jì)算公式為

（6）

設(shè)nurbs曲線上有存在插補(bǔ)最大減速點(diǎn)與最小加速點(diǎn)兩點(diǎn)，點(diǎn)插補(bǔ)到點(diǎn)的曲線長度為，滿足曲線插補(bǔ)弦長的關(guān)系式

（7）

步驟s2：計(jì)算方程；

詳細(xì)地，設(shè)當(dāng)前的插補(bǔ)點(diǎn)參數(shù)為，下一個插補(bǔ)點(diǎn)為，構(gòu)造方程；

（8）

對于方程的解參數(shù)，滿足關(guān)系式

（9）

更近一步地，采用newton-rapson迭代式的公式為

（10）

對求一階導(dǎo)數(shù)為

（11）

將式（11）展開

（12）

（13）

（14）

步驟s3：計(jì)算迭代結(jié)果；

（15）

步驟s4：判斷是否滿足迭代條件

具體地，迭代條件為：

（16）

式中，為迭代誤差精度的上限，迭代速度不一定滿足此式子，速度上限為，滿足。

（1）、若不滿足迭代條件，則執(zhí)行步驟s3；

（2）、若滿足迭代條件，則執(zhí)行步驟s5。

步驟s5：插補(bǔ)點(diǎn)為，保存、；

更近一步地，令，將代入式（5）可得到、、，具體地，、、完成nurbs曲線插補(bǔ)。

又，本發(fā)明采用nurbs曲線newton-rapson迭代的插補(bǔ)方法，實(shí)現(xiàn)了nurbs曲線newton-rapson迭代的插補(bǔ)，具有較強(qiáng)通用性和實(shí)用性，可以簡化運(yùn)算、節(jié)約插補(bǔ)時(shí)間，又是本發(fā)明的一個顯著特點(diǎn)。

實(shí)施實(shí)例2：

本發(fā)明執(zhí)行的實(shí)驗(yàn)效果：

具體地，一種newton-rapson迭代的插補(bǔ)系統(tǒng)實(shí)時(shí)插補(bǔ)設(shè)定系統(tǒng)仿真的參數(shù)數(shù)值：

控制點(diǎn)：,,,,,；

權(quán)因子：；

節(jié)點(diǎn)：；

插補(bǔ)周期；

插補(bǔ)速度；

最大加速度；

最大弓高誤差；

插補(bǔ)一次所用的時(shí)間約。

在該數(shù)控插補(bǔ)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)nurbs曲線newton-rapson迭代的插補(bǔ)，分做出nurbs曲線數(shù)控插補(bǔ)仿真圖、newton-rapson迭代的插補(bǔ)仿真圖，如圖4、5所示。

由仿真圖4、5可知：

（1）、newton-rapson迭代的插補(bǔ)仿真圖比nurbs曲線數(shù)控插補(bǔ)仿真圖插補(bǔ)曲線的變化較為平穩(wěn)，newton-rapson迭代的插補(bǔ)仿真更符合nurbs曲線插補(bǔ)的要求；

（2）、newton-rapson迭代的插補(bǔ)仿真圖比nurbs曲線數(shù)控插補(bǔ)仿真圖插補(bǔ)曲線的變化插補(bǔ)時(shí)間較短、精度較高。

nurbs曲線數(shù)控插補(bǔ)弓高誤差圖、newton-rapson迭代的插補(bǔ)弓高誤差圖，如圖5、6所示。

進(jìn)一步地，由圖6做出nurbs曲線數(shù)控插補(bǔ)弓高誤差結(jié)果分析表，如表1所示：

表1nurbs曲線數(shù)控插補(bǔ)弓高誤差結(jié)果分析表

進(jìn)一步地，由圖7做出newton-rapson迭代的插補(bǔ)弓高誤差結(jié)果分析表，如表2所示：

表2newton-rapson迭代的插補(bǔ)弓高誤差結(jié)果分析

由圖6、7及表1、2可知：

（1）、newton-rapson迭代的插補(bǔ)弓高誤差比nurbs曲線數(shù)控插補(bǔ)弓高誤差更小，滿足減小插補(bǔ)弓高誤差的要求；

（2）、newton-rapson迭代的插補(bǔ)時(shí)間比nurbs曲線數(shù)控插補(bǔ)時(shí)間更短，滿足減小插補(bǔ)時(shí)間的要求；

（3）、newton-rapson迭代的插補(bǔ)精度比nurbs曲線數(shù)控插補(bǔ)精度更高，滿足提高插補(bǔ)精度的要求。

本發(fā)明的顯著特點(diǎn)是：

（1）、本發(fā)明采用模塊化的結(jié)構(gòu)，包括數(shù)控pc機(jī)、數(shù)控運(yùn)動控制器、伺服/驅(qū)動模塊、通訊及主軸模塊、數(shù)控機(jī)床本體結(jié)構(gòu)、檢測元件模塊，完成nurbs曲線newton-rapson迭代的插補(bǔ)。

（2）、本發(fā)明采用的數(shù)控運(yùn)動控制器包括dsp、fpga及nurbs曲線插補(bǔ)運(yùn)算器；所述的dsp采用ti公司的tms20lf2400a的數(shù)字信號芯片作為控制器，完成插補(bǔ)算法的控制，所述的dsp包括還兩個16位的定時(shí)器、電源管理模塊、2k的ram存儲器、16通道的a/d轉(zhuǎn)換器；所述的fpga采用altera公司的可編程邏輯器件（plds）；所述的nurbs曲線插補(bǔ)運(yùn)算器，用于完成nurbs曲線的預(yù)處理、nurbs曲線的newton-rapson迭代的數(shù)控插補(bǔ)運(yùn)算。

（3）、本發(fā)明采用nurbs曲線newton-rapson迭代的插補(bǔ)方法，實(shí)現(xiàn)了nurbs曲線newton-rapson迭代的插補(bǔ)，具有較強(qiáng)通用性和實(shí)用性，可以簡化運(yùn)算、節(jié)約插補(bǔ)時(shí)間。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而限制，盡管通過參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍。