Интерполятор

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и предназначено для использования в системах числового управления станками и другим технологическим оборудованием. Целью изобретения является повышение быстродействия путем сокращения времени расчета приращений на участках с постоянной контурной скоростью. Интерполятор дополнительно содержит первый и второй узлы параллельного переноса, первую и вторую группы элементов ИЛИ, первый и второй регистры дополнительных остаточных функций, первый и второй регистры коррекции и новые связи. 4 ил.

с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4384763/24-24 (22) 25.02.88 (46) 07.02.90. Бюл. № 5 (71) Пензенский политехнический институт (72) С.Н. Вашкевич, В.Д. Байков, В.Н. Попов и И.Ф, Тишин (53) 621.503.55(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1081623, кл ° G 05 В 19/18, 1984.

Авторское свидетельство СССР № 1413602, кл. С 05 В 19/18, 1987. (54) ИНТЕРПОЛЯТОР (57) Изобретение относится к автомаИзобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и предназначено для использования, например, в системах числового управления станками и другим технологическим оборудованием.

Цель изобретения — повышение быстродействия путем сокращения времени расчета приращений на участках с постоянной контурной скоростью.

На фиг ° 1 приведена структурная схема интерполятора; на фиг. 2— блок-схема блока управления; на фиг. 3 и 4 — алгоритмы работы интерполятора и блока управления.

Интерполятор (фиг. 1) содержит накапливающий сумматор-вычитатель 1 оценочной функции, первый и второй регистры 2 и 3 остаточных функций, перный и второй накапливающие сумматоры-вычитатели 4и 5 координат

54 l55IA1 (51) 5 Г 05 В 19/18, 19/415 тике и вычислительной технике и предназначено дпя использования в системах числового управления станками и другим технологическим оборудованием. Цепью изобретения является IIcBbl шение быстродействия путем сокращения времени расчета приращений на участках с постоянной контурной ско ростью. Интерполятор дополнительно содержит первый и второй узлы параллельного переноса, первую и вторую группы элементов ИЛИ, первый и второй регистры дополнительных остаточных функций, первый и второй регистры коррекции и новые связи. 4 ил. текущей точки, накапливающий сумматор-вычитатечь 6 приращений, регистр

7 сдвига величины шага, первый и второй регистры 8 и 9 приращен1п4, тре- ввь тий регистр 10 сдвига приращений, Сп меющий4 дополнительный (старший) разряд, регистр 11 координаты конечной точки, регистр 12 радиуса окружности, первый и второй регистры 13 и 14 дополнительных остаточных функций, перный и второй регистры 15 и

16 коррекции, первый, второй, третий, четвертый и пятый узлы 17-21

1параллельного переноса, первый и второй дополнительные узлы 22 и 23 парал-,3 лельного переноса, которые представля-, .ют собой стандартные схемы мультиплексоров на два входа, первую и вторую группы 24 и 25 элементов ИЛИ, блок 26 управления, входы и выходы

27-61 блока управления.

1541557

Блок 26 управления интерполятора (фиг. 2) содержит первый и второй дешифраторы 62 и 63, элемент ИЛИ 64, блок 65 микропрограммного управления . (например, БИУ БИС К589 ИК01), постоянный запоминающий блок (ПЗУ) 66, генератор 67 тактовых импульсов, элемент И 68, первый и второй К$-триггеры 69 и 70, регистр 71 сдвига, счетчик 72, первый и второй DV-триггеры, переключатель 75. Переключатель 75 задает режим работы интерполятора (линейная или круговая интерполяция), устанавливая в единичное или нулевое состояние первый RS-триггер 69. Вто рой RS-триггер 70 служит для фиксации начала или конца обработки и кадра, в случае наличия сигнала конца обработки кадра (КОК) единичный сигнал с инверсного выхода второго

RS-триггера 70 при наличии сигнала от второго дешифратора 63 проходит через элемент И 68 и отключает генератор 67 тактовых импульсов. Регистр

71 сдвига предназначен для определения момента окончания вычисления приращений по осям (при круговой интерполяции). Счетчик 72 служит для задания порядка чередования вычисления приращений по координатам. Первый

DV-триггер 73:предназначен для фиксации признака контурной скорости подачи (постоянная или режим разгона— торможения). Второй DV-триггер 74 устанавливается в единичное (коррекция приращений) или нулевое (расчет приращений) состояние в,зависимости от соответствующих сигналов с выхода . второго дешифратора 63. .В основе работы интерполятора лежит алгоритм линейной интерполяции по методу оценочной функции. Суть алгоритма (фиг. 5) состоит в вычисленич оценочной функции F; по выражениям:

Fi = Fi- — YA — sgnPi- XA если старший разряд величины h (регистр 10 сдвига) равен единице, и Г; = F;

sgnF,, ХА — в противном случае, где

sgnF,. Е (+1, -1I — знак оценочной функции. Величина приращения H в каждом цикле уменьшается в два раза и служит для вычисления приращения 6С; = ЬС, — sgnF„ < — Н,, причем начальное значение Йд = 2 - (r— разрядность регистров приращений) .

Возможность использованпя этого алгоритма для вычисления приращений окружности основана на следующих соображениях. Координаты окружности могут быть получены интегрированием

5 по методу. прямоугольников с недостатком и избытком и с чередованием вычислений от шага к шагу (последовательность вычислений X, Y, Y, Х): х;,,=

У < 2

Х1,1= пх<

Yi +bYl (1)

Y-; + И;., X;,„— bX;, Х; — Y;Ьoc= X

Y;+ Х;.,Ьс= у;.,+ х;.,ы=

Х; „- YÄ g Ь, =

Из уравнений для определения приращений

Ь х = ь181ПО = (Y/R) А1; . лу = hlcos Ы = (X/R). 81, т где 1 =. — .— приращение длины дуги, v - контурная скорость, f — постоянная несущая частота .следящего привода, можно записать оценочные функции

25 Г = КЬХ вЂ” ь1 х (2)

F R Y — Ха1 позволяющие определить требуемые приращения. Таким образом, вычислительный процесс круговой интерполяции состоит из последовательности (1), а приращения на каждом шаге определяются по алгоритму линейной интерполяции (фиг. 3).

Блок-схема обобщенного алгоритма линейно-круговой интерполяции приведена на фиг, 4.

Особенностью линейной интерполяции является то, что на участках

40 траектории, обрабатываемых с постоянной контурной скоростью, приращения по координатам также постоянны, причем различия в вычислительном процессе определения очередных приращений

45 имеют место с момента, когда шаг становится равен одной дискрете. Следовательно,: после установления постоянной скорости подачи алгоритм значительно упрощается за счет того, что

50 при вычислении предыдущих приращений запоминаются величины F e и ЬС, вычисленные нри шаге Н; = 2. После этого величины 7 q и ЬС„остаются неизменными на всем участке с посто- ° янной контурной скоростью, а приращения лС только корректируются соответствующим образом на величину

Н„ = 1. Как видно из приращений (1), при постоянной контурной скорости

1541557

5 (Ь ь4- const) в каждом новом цикле вычислений приращение окружности по одной координате будет равно приращению по той же координате в пре5 дыдущем цикле. Следовательно, при постоянной контурной скорости в кажцом цикле нужно использовать алгоритм линейной интерполяции однократно.

Интерполятор работает следующим образом.

В начальный момент времени обнуляются регистры 2 и 3 остаточных функций, сумматоры 4 и 5 координат текущей точки, накапливающие сумматорывычитатели 1 и 6 оценочной функции и приращений. Кроме того, в нулевое состояние устанавливается второй

DV-триггер 74 (NIN = 0). Затем, в зависимости от вида интерполируемой траектории осуществляется занесение соответствующей информации в регистры и сумматоры. Так, в случае линейной интерполяции в регистры 1.1 и 12 заносятся величины У и Х (координаты ко- 2S нечной точки прямой), а в регистр 10 сдвига — величина тактового приращения д Х, которая, проходя через второй узел 18 параллельнога переноса, заносится в регистр 8 приращения.

После этого происходит переход к выполнению микропрограммы линейной интерполяции (фиг.3). В режиме круговой интерполяции в сумматоры 4 и 5 заносятся значения координат начальной точки окружности Х и Y в регистр

10 сдвига — величийа аппроксимирующей хорды 1, а в регистр 12 — радиус окружности R. Кроме этого, устанавливается в единичное состояние регистр 4р

71 сдвига в блоке 26 управления. В зависимости ат состояния младшего разряда (признак четности) счетчика 72 через второй узел 17 параллельного переноса передается либо код величи- 45 ны 7 с сумматора 5 (I — четно), либо код величины Х с сумматора 4 (I - нечетно), Код соответствующей величины, проходя через четвертый узел 20 параллельного переноса, заносится в регистр50

11, после чего происходит переход к выполнению микропрограммы линейной интерполяции.

Рассмотрим работу интер олятора при реализации микропрограммы линейной интерполяции. При этом возможны два режима: расчет приращения; коррекция приращения при постоянной скорости подачи.

Расчет приращения (NIN = О) .

В регистр 7 сдвига заносится величина начального шага Н > и анализ иру ется ряд логических условий. Если

H; = 1 (сигнал на шине 36), установлен режим круговой интерполяции (триггер 69 з нулевом состоянии) и I — нече río (младший разряд счетчика 72 равен нулю), запоминаются значения оценочной функции и величины приращения, вычисленные на предыдущем шаге (Н; = 2). При этом содержимое накапливающих сумматоров-вычитателей и 6 передается соответственно на первый регистр 13 дополнительной ос таточнай функции и первый регистр f5 коррекции. Кроме того, к содержимому накапливающего сумматора-вычитателя 1 оценочной функции добавляется код остаточной функции иэ регистра 2, проходящей через пятый узел 21 ™араллельнага переноса. Если I — четна (младший разряд счетчика 72 равен единице), или осуществляется линейная интерполяция содержимое накапливающих сумматоров-вычитателей 1 и 6 передается соответственно на второй регистр 14 дополнительной остаточной функции и второй регистр 16 коррекции, а к содержимому накапливающего сумматора-вычитателя 1 оценочной функции добавляется кад остаточной функции иэ регистра 3.

Коррекция приращения (NIN = 1).

Сигналом на шине 57 регистр 7 сдвига устанавливается в единичное состояние (H; = 1). Содержимое регистра 10 сдвига сдвигается на разряд вправо, тем самым фиксируется инйармация, необходимая для коррекции. В том случае, если установлен режим круговой интерполяции и Т вЂ” нечетно, содержимое первого регистра

15 коррекции через первый дополнительный узел 22 параллельного переноса и первую группу 24 элементов

KIH передается на накапливающий сумматор-вычитатель 6 приращений, а в накапливающем сумматоре-вычитателе 1 формируется значение оценочной функции путем сложения содержимого первого регистра 13 дополнительной остаточкой функции и первого регистра 2 остаточной функции. В противном случае содержимое второго регистра 16 коррекции передается, на накапливающем сумматоре-вычитателе 1 формируется значение оценочной функции

1541557 путем сложения содержимого второго регистра 14 дополнительной остаточ.ной функции и второго регистра 3 остаточной функции.

После выполнения указанных операций, либо в случае Н; = 1, происходит сдвиг содержимого регистра 10 сдвига на разряд влево с целью анализа очередной цифры в двоичном представ.пении 10 величины Ь Х < или Л 1, Если старший разряд регистра 10 сдвига равен единице (наличие сигнала на шипе 41), иэ содержимого накапливающего сумматора-вь|читателя 1 оценочной функции вычитается код регистра 11, который проходит через третий узел 19 параллельного переноса и вторую группу 25 элементов ИЛИ. После выполнения этой операции, или при равенстве старшего 20 разряда регистра 10 сдвига нулю, анализируется знак накапливающего сумматора-вычитателя 1 оценочной функции, Если F ) О (отсутствие сигнала на шине 32), выполняются операции вычитания из содержимого накапливающего сумматора-вычитателя 1 оценочной функции кода регистра 12, проходящего через третий узел 19 параллельного переноса и вторую группу 25 элементов 30

ИЛИ, и из накапливающего сумматоравычитателя 6 — кода .регистра 7 сдвига величины шага. В протчвном случае (F < О) к содержимому накапливающих сумматоров=вычитателей 1 и 6 подсумми-35 руются указанные величины. Затем еще раз осуществляется проверка знака оценочной функции.и, если F О, повторно,производятся операции суммирования в накапливающих сумматорах- 40 вычитателях 1 и 6.

Как только величина оценочной функции станет положительной проис 45 ходит переход к новой итерации. Для этого уменьшается шаг в два раза (сдвиг содержимого регистра 7 сдвига на разряд вправо) и, если Н„ .О (отсутствие сигнала на шине 35), увеличивается F в два раза (сдвиг содержимого накапливающего сумматора-вычитателя 1 на разряд влево), после чего происходит переход в микропрограмме (фиг. 3) на анализ равенства Н; = 1 и повторение перечисленных выше операций. Если же после очередного уменьшения величины шага он окажется равным нулю, то выполнение микропрограммы определения приращения прямой заканчивается.

В режиме линейной интерполяции на второй регистр 3 остаточной функции передается код накапливающего сумматора-вычитателя 1 оценочной функции, на регистр 9 — код накапливающего сумматора-вычитателя 6 приращения и, происходит нодсуммирование кодов регистров 8 и 9 соответственно к сумматорам 4 и 5 координат текущей точки. Таким образом, на выходных шинах будут сформированы очередные рассчитанные величины hX 8Y, Х и Y.

В режиме круговой интерполяции после выполнения микропрограммы расчета приращения осуществляются следующие операции, Если 1 — четко, на второй регистр 3 остаточной функции передается код накапливающего сумматора-вычитателя 1 оценочной Аункции, на первый регистр 8 приращения — код накапливающего сумматора-вычитателя 6, который проходит через второй узел

18 параллельного переноса. Затем происходит вычитание .кода .регистра 8 из сумматора-вычитателя 4 координаты Х текущей точки, кроме этого осуществляется сдвиг влево на разряд единицы в регистре 71 сдвига блока 26 управления. В противном случае (I — нечетно) на первый регистр 2 остаточной функции передается код накапливающего сумматора-вычитателя 1 оценочной функции, на второй регистр 9 приращения, — код накапливающего сумматоравычитателя 6, после чего происходит подсуммирование кода регистра 9 к содержимому сумматора-вычитателя 5 координаты Y текущей точки и осуществляется сдвиг в регистре 71 сдвига.

После сдвига информации в регистре 71 сдвига анализируется состояние его третьего выхода и, если этот сигнал соответствует нулевому уровню (К Р 4), в счетчик 72 добавляется единица и происходит переход в микропрограмме (фиг. 4) для вычисления приращения окружности по второй.оси. координат. Если же на третьем выходе регистра 71 сдвига установлена единица (К = 4), вычисления очередных приращений окружности заканчиваются."

После того, как в регистрах 8 и 9 будут сформированы новые значения приращений 6 Х и АУ, а в сумматорах

4 и 5 — значения текущей координаты, указанные вепи пины передаются на

1541557

30 исполнительные механизмы. Затем, в зависимости от состояния второго

RS-триггера 70, в блоке 26 управления работа интерполятора либо заканчивается (если имеется сигнал об окончании обработки кадра), либо осуществляется расчет очередных приращений. !

При этом, если в первом DV-триггере

73 установлен признак постоянной кон- 10 турной скорости, в единичное состояние будет установлен второй триггер

74 (NIN = 1), в противном случае триггер 74 будет установлен в нулевое состояние (NIN = О).

Блок 26 управления работает следующим образом.

В начальный момент времени по сигналу "Пуск" запускается генератор

67 и сигналом с его выхода происходит занесение кода адреса, по которому определяется первая микрокоманда микропрограммы (фнг, 4) управления работой интерполятора, которая записана в блоке 66 постоянной памя- 25 ти. По сигналу "Пуско с цомощью переключателя 75 фиксируется вид интерполяции и устанавливается в соответствующее состояние первый RS-триггер 69. Кроме этого, в начальный момент времени сигналом "Начало обработки. кадра" устанавливается в единичное состояние второй RS †триггер 70. После этого происходит считывание микрокоманд из блока 66 на второй дешифратор 63, который нод

35 действием кода микрокоманды вырабатывает определенную последовательность сигналов, управляющих по шинам 27-61 работой интернолятора, причем для формирования адреса очередной микрокоманды используется семиразрядная шина, соединяющая выходы блока 66 с соответствующими входами управления регистром адреса микрокоманд в блоке 65, Работа предлагаемого интерполятора и устройства управления тесно взаимосвязана, что отражено в описании и в иллюстрациях структуры интерполятора, блока управления и микропрограм-5 .50 мах работы предлагаемого устройства.

Для выработки сигналов условных переходов используется первый дешифратор 62 и элемент ИЛИ 64. Прохождение сигналов условных переходов череэ55 элемент ИЛИ 64 к входу блока 65 осуществляется под управлением сигналов обратной связи от второго дешифррто-. ра 63. Переход от одной микрокоманды к другой в микропрограммах осуществляется через равные промежутки времени, определяемые периодом следования тактовых импульсов от генератора

67 тактовых импульсов.

Сигналом окончания работы устройства является сигнал, поступающий от элемента И 68, который формируется при наличии одновременно двух сигналов — от второго дешифратора 63 и с инверсного выхода второго RS-триггера, Сравнение предлагаемого интерполятора и известного по быстродействию можно провести по числу микрокоманд, требуемых в циклах расчета приращений или по числу тактов работы БИУ.

Для определенности будем считать, что разрядность регистров приращений равна 8. Тогда для известного устройства расчет очередного приращел ния прямой составит Т = 43 с а расчет приращения окружности Т = 86Г.

В предлагаемом интерполяторе время коррекции приращения прямой составит

Т = 11, а для коррекции приращений окружности потребуется Т = 56(.

Таким образом, выигрыш в быстродействии (в режиме с постоянной скоростью подачи) на линейных участках будет примерно в 4 раза, а при обработке дуг окружностей около 1,5 раза, что выгодно отличает предлагаемый интерполятор от известного устройства и, следовательно, предлагаемый интерполятор обладает более высокими технико-экономическими показателями.

Введение в него четырех регистров, двух дополнительных узлов параллельного переноса, двух групп элементов

ИЛИ и новых связей способствовало достижению поставленной цели.

Формула изобретения

Интерполятор, содержащий накапливающий сумматор-вычитатель оценочной функции, информационные выходы которого подключены к информационным входам. первого и второго регистров остаточных функций, синхровходы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления, третий, четвертый и пятый выходы которого подключены соответственно к первому и второму управляющим входам и к входу синхронизации накаплива1541557

12 ющего сумматора-вычитателя оценочной функции, выход старшего разряда которого соединен с первым входом блока управления, шестой и седьмой выходы которого соединены соответственно с входом синхронизации и управляющим входом регистра сдвига величины шага, информационные входы которого подключены к шине ввода величины начально- 10

ro шага, выходы двух младших разрядов подключены соответственно к второму и третьему входам блока управления, восьмой и девятый выходы которого соединены соответственно с входом синхронизации и управляющим входом накапливающего сумматора-вычитателя приращений, десятый и одиннадцатый выходы подключены соответственно к входу синхронизации и к управляющему входу первого накапливающего сумматора координаты текущей точки, первая группа информационных входов соединена с шиной ввода величины Х, вторая группа информационных входов 25 которого подключена к объединенным между собой выходной шине величины

bX и информационным выходам первого регистра приращений, информационные выходы накапливающего сумматора коор- 30 динат текущей точки подключены к объединенным между собой первой груп" пе входов первого узла параллельного переноса и выходной шине величины Х, выходная шина величины Y объединена соответствующим образом с второй группой входов первого узла параллельного переноса и подключена к информационным выходам второго накапливающего сумматора координаты текущей точки, первая группа информационных входов которого соединена с шиной ввода величины У, вторая группа информационных входов — с объединенными между собой выходной шиной величины У и информационными выходами второго регистра приращений, информационные входы которого объединены с первой группой входов второго узла параллельного переноса и подключены к информационным выходам накаплива ющего сумматора-вычитателя приращений, вторая группа входов второго узла параллельного переноса подключена к объединенным между собой шине ввода величины hl(bX) и информационным входам третьего регистра сдвига прираще-. ний, выход старшего разряда которого соединен с четвертым входом блока управления, двенадцатый выход которого подключен к упраляющему входу второго узла параллельного переноса, выходы которого соединены с информационными входами первого регистра приращений, синхровход которого подключен к тринадцатому выходу блока управления, четырнадцатый выход которого подключен к входу синхронизации второго регистра приращений, пятнадцатый и шестнадцатый выходы подключены соответственно к входу синхронизации и к входу управления третьего регистра сдвига приращения, шина ввода величины Y подключена к информационным входам регистра радиуса окружности, синхровход которого соединен с семнадцатым выходом блока управления, а информационные выходы подключены к первой группе входов третьего узла параллельного переноса, управляющий вход которого соединен с восемнадцатым выходом блока управления, вторая группа входов соединена с информационными выходами регистра координаты конечной точки, вход синхронизации которого соединен с девятнадцатым выходом блока управления, а информационные входы подключены к выходам четвертого узла параллельного переноса, первая группа входов которого соединена с шиной ввода величины У, управляющий вход подключен к восемнадцатому выходу блока управления, вторая группа входов соединена с соответствующими выходами первого узла параллельного переноса, управляющий вход которого подключен к девятнадцатому входу блока управления, двадцатый выход которого подключен к управляющему входу пятого узла параллельного переноса, первая и вторая группы входов которого соединены с информационными выходами соответственно первого и второго регистров остаточных функций, выходы подключены к первой группе информационных входов накапливающего сумматора-вычитателя оценочной функции, причем двадцать первый и двадцать второй выходы блока управления соединены соответственно с входом синхронизации и с управляющим входом второго накапливающего сумматора координаты текущей точки, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения его быстродействия путем сокращения времени расчета приращений на участках с постоянной контурной ско15ч1557!

4 ростью, введены дополнительные пер" вый и второй узлы параллельного переноса, первая и вторая группы элементов ИЛИ, первый и второй регистры дополнительных остаточных функций, первый и второй регистры коррекции, управляющий вход второго регистра коррекции соединен с двадцать третьим выходом блока управления, а информационные входы, объединенные с информационными входами первого регистра коррекции, подключены к информационным входам накапливающего сумматоравычитатепя приращений, информационные выходы второго регистра коррекции соединены с первой группой входов первого дополнительного узла параллельного переноса, вторая группа входов которого соединена с информа- gp .ционными выходами первого регистра коррекции, управляющий вход которой подключен к двадцать четвертому выходу блока управления, а.выходы соединены с первой группой входов первой группы элементов ИЛИ, выходы которой подключены к информационным входам накапливающего сумматора-вы- у читателя приращений, а вторая группа входов первой группы:элеме а 30

ИЛИ соединена с информационными выходами регистра сдвига величины шага, вход установки в единичное состояние которого подключен к дцадцать пятому выходу блока управления, двадцать шестой и двадцать седьмой выходы которого соединены соответственно с управляющими входами первого регистра коррекции и второго регистра дополнительной остаточной функции, информационные входы которого объединены с информационными входами первого регистра дополнительной остаточной функции и подключены к информационным выходам накапливающего сумматора-вычитателя оценочной функции, а информационные выходы соединены с первой группой входов второго дополнительного узла параллельного переноса, вторая группа входов которого соединена с информационными выходами первого регистра дополнительной оценочной функции, а управляющий вход которого подключен к двадцать восьмому выходу блока управления, двадцать девятый выход которого соединен с управляющим входом второго дополнительного узла параллельного переноса, выходы которого подключены к первой группе входов второй группы элементов ИЛИ, вторая группа входов которой соединена с выходами третьего узла параллельного переноса, а выходы подключены к второй группе. информационных входов накапливающего сумматора-вычитателя оценочной. функции.

)541557

1541557

1541557

Составитель И. Швец

Техред М.Дидык Корректор Н. Король

Редактор F.. Папп

Заказ 279 Тираж 678 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035 Москва, Ж-35, Раушская наб °, д, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул. Гагарина, 101