题目：支持NURBS曲线插补的SERCOS固化协议主站研究

随着数控技术向高速、高精度方向发展，具有开放式体系结构的CNC（Computer Numerical Control）系统和面向STEP-NC（Standard for The Exchange of Product model data – Numerical Control）的CNC系统是数控系统发展的两大趋势。以SERCOS（Serial Real-time Communication Specification）技术为代表的数字化智能伺服装置的出现实现了数控系统在设备层上的开放性；而在STEP-NC中，作为定义产品形状的唯一数学方法，NURBS（Non-Uniform Rational B-Spline）实现了CNC系统与CAD/CAM之间数据信息表示方法的统一。由于SERCOS主站设备驱动程序的开发具有相当的技术难度，严重阻碍了其在机床制造业等领域中的推广应用。本文将SERCOS主站驱动程序固化在具有嵌入式微处理器的通讯卡上，并提供与上位控制单元的数据交换接口，这样，主站设计开发人员不必了解SERCOS协议的细节，就能完成主站控制程序的开发。与此同时，将NURBS等插补功能固化在通讯卡上，可大大减小数控系统的插补周期时间，同时减小了其对操作系统实时性的依赖，可以提高数控加工技术的整体水平。本文的研究目标是以NURBS方法及SERCOS接口技术为基础，研究开发一种支持NURBS曲线插补的SERCOS固化协议主站。主要研究内容如下：介绍了数字伺服通讯协议国际标准SERCOS－IEC61491的研究历史及应用现状。总结了样条插补在自由曲线、曲面加工中的一些优点，特别是在高速加工中可有效减少前瞻程序段的数量，并可提高加工速度和精度。对CNC系统中样条插补的几种应用形式、研究历史和应用现状进行了介绍。建立了NURBS曲线插补模型，定义了NURBS曲线插补相关的数控准备功能代码，对NURBS曲线插补误差控制算法进行了深入的研究，分析了数控机床运动误差产生的原因，建立了数字伺服系统差分方程，并针对不同进给速率和不同曲率半径进行轮廓误差仿真，结果显示，为减少由伺服滞后引起的轮廓误差，必须加入一定的控制策略。针对该问题，在研究圆弧插补轮廓误差的基础上，提出了一种NURBS曲线插补轮廓误差自动控制算法，并进行理论仿真，结果显示，该算法能满足高速、高精度数控机床NURBS曲线插补对工件轮廓误差控制的需要。针对该算法不能解决的“凸点”轮廓加工问题，又提出了一种“凸点”轮廓加工自动控制算法。在详细介绍了SERCOS接口协议及与其它数字伺服通讯协议相比较的基础上，指明了数字伺服现场总线的发展趋势。介绍了一种嵌入式实时操作系统DSP/BIOS，并开发了基于DSP/BIOS的SERCOS主站设备驱动程序，对其中的关键性技术进行了详细介绍。定义了一种支持直线、圆弧及NURBS插补功能的SERCOS固化协议通讯卡应用接口协议，通过该接口协议，上位控制机可实现对固化协议通讯卡的管理和控制。设计了一种基于PCI（Peripheral Component Interconnect）总线和DSP（Digital Signal Processor）构架、具有NURBS等插补功能的SERCOS固化协议主站验证系统。该固化协议主站卡以TMS320C6713 DSP和PCI9052芯片为核心，集成了手摇脉冲发生器和通用I/O接口。对基于Windows 2000/XP操作系统的WDM（Windows Driver Mode）驱动程序设计进行了深入的研究，开发了一种基于PCI总线的WDM功能驱动程序，并给出了应用程序接口。最后，全面总结了论文所完成的工作，指出了其中的不足之处，对未来进一步的深入研究进行了展望。