Научная статья на тему 'Цифровая интерполяция эвольвенты'

Цифровая интерполяция эвольвенты Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
158
27
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЦЕЛОЧИСЛЕННЫЕ АЛГОРИТМЫ / СЛОЖНЫЕ КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ / МИКРОПРОЦЕССОРЫ / INTEGRAL DIGITAL ALGORITHM / MICROPROCESSORS / COMPLEX KINEMATIC SYSTEMS

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Булатников Александр Андреевич, Гершунина Наталья Николаевна, Булатникова Инга Николаевна

На основе модельных свойств эвольвенты окружности разработан и испытан целочисленный алгоритм ее цифровой интерполяции, максимально ориентированный на быстродействующую микропроцессорную реализацию.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Булатников Александр Андреевич, Гершунина Наталья Николаевна, Булатникова Инга Николаевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE DIGITAL INTERPOLATION OF INVOLUTE

The integral digital algorithm for interpolation of the evolvent of circle, based on the model properties of the evolvent, was developed and tested. The algoritm is maximum oriented on high-speed microprocessor implem entation.

Текст научной работы на тему «Цифровая интерполяция эвольвенты»

УДК 681.325.5:621.9.06

ЦИФРОВАЯ ИНТЕРПОЛЯЦИЯ ЭВОЛЬВЕНТЫ

© 2012 г. АА. Булатников, Н.Н. Гершунина, И.Н. Булатникова

Кубанский государственный технологический Kuban State Technological

университет, г. Краснодар University, Krasnodar

На основе модельных свойств эвольвенты окружности разработан и испытан целочисленный алгоритм ее цифровой интерполяции, максимально ориентированный на быстродействующую микропроцессорную реализацию.

Ключевые слова: целочисленные алгоритмы; сложные кинематические системы; микропроцессоры.

The integral digital algorithm for interpolation of the evolvent of circle, based on the model properties of the evolvent, was developed and tested. The algoritm is maximum oriented on high-speed microprocessor im-plem entation.

Keywords: integral digital algorithm; microprocessors; complex kinematic systems.

Выдающийся механик академик К.В. Фролов ввел понятие «электронная кинематика» [1]. Его основной смысл - обеспечение заданных синхронных перемещений рабочих органов не с помощью механических кинематических узлов (шарниры, стержни, кривошипы, кулачки и т.п.), а с помощью силовых (обычно, электрических) приводов, синхронно управляемых компьютерной техникой.

Это упрощает процесс конструирования и изготовления сложных механических систем, сводя его к синтезу соответствующих алгоритмов и их программную реализацию на компьютерах.

Поскольку все узлы механизмов распределены и движутся в пространстве, то необходимо привлечение геометрических знаний при создании таких алгоритмов.

Среди таких алгоритмов широко используются алгоритмы цифровой интерполяции (станки с числовым программным управлением). Оставим вне внимания хорошо разработанные алгоритмы линейной, круговой и параболический интерполяции [2]. Более актуальными являются такие же алгоритмы для других кривых (эллипс, гипо-, эпи- и просто циклоиды). Нами синтезирован и апробирован такой же алгоритм цифровой интерполяции эвольвенты окружности. Эвольвентное зацепление в машиностроении широко используется при изготовлении зубчатых колес.

Эвольвента (развертка) окружности - это траектория конца нерастяжимой нити, сматываемой с натяжением с окружности. Ее уравнение в параметрическом виде таково:

х = a sin t - at cos t; y = a cos t + at sin t, (1)

где t - угол между осью Оу и радиусом, проведенным в точку сматывания нити с окружности радиуса а.

Реализовать уравнение (1) аналитически на микропроцессорах затруднительно. Полученные в этом случае алгоритмы, будучи нецелочисленными, медленные и не отличаются повышенной точностью. Поэтому будем создавать целочисленный алгоритм цифровой интерполяции эвольвенты. Он будет базироваться на алгоритме цифровой круговой интерполяции [3] и на обобщенном алгоритме произвольных кривых [4].

Ведущим является окружность, а касательная к ней в точке сматывания задает ограничение шагов интерполяции эвольвенты и направление этих шагов (параметры ДХг- и AYi для обобщенного алгоритма цифровой интерполяции кривой, у нас - это эвольвента).

Идея, положенная в основу алгоритма, геометрически представлена на рисунке. Контроль шагов эвольвенты состоит в фиксации факта того, что после свершения одного или нескольких шагов цифровой интерполяции эвольвенты (дуга ВС) текущая точка С эвольвенты достигла касательной ^С.

Это определяется по знаку оценочной функции для касательной ^4С, проходящей через точку А (х^, у^) с угловым коэффициентом k = — х^у^^ . Оценочная функция касательной

F (х, у) = у — кх — Ь ,

где Ь = у^ — кх^.

В точках, лежащих выше касательной, она положительна, ниже - отрицательна. На касательной она равна 0. Вот этот переход через ноль и будет означать

конец серии шагов цифровой интерполяции эвольвенты после каждого шага цифровой интерполяции окружности. После этого делается очередной шаг круговой интерполяции, и процесс повторяется. При этом меняются координаты (но не более, чем на ±1) точки А, угловой коэффициент к и, естественно, оценочная функция F(х, у) новой касательной АС. Цифровая интерполяция эвольвенты ведется по обобщенному алгоритму [4] с меняющимися АХ и АУ, равными х, и у, соответственно. Окончательно оценочная функция касательной для первого квадранта равна

F (x У) = yy + Xх -(xi + yf).

(2)

+2x-i +1; Af = Af-i - 2y,-1 +1,

или

af, = Afi-1 +

+2(х{_1 - у,_1 +1). На время опустим из рассмотрения и учета Аfi. Итак, упрощенно имеем

F(х, у) = УiУ + XiX - а2 .

Равенство нулю (2) следует из уравнения окружности радиусом а для всех точек касательной АС. Для исключения путаницы в дальнейших выводах обозначим координаты эвольвенты через (абсцисса) и и (ордината) для всех ее текущих точек.

Тогда координаты следующей точки эвольвенты будут такими:

Wj = Wj + dwj ,

Uj+1 = Uj + duj

Сумма в скобках выражения (2) примерно равна а2 . Точно она равна а2 для узлов круговой интерполяции, лежащих на окружности, а для остальных

(х2 + у,2) -А£- = а2,

где А/1 - превышение (х2 + у2) над а2 за счет того, что ,-й узел лежит вне окружности. В этом случае Аfi > 0, если же внутри, то А/г < 0 .

В предлагаемом алгоритме А/1, равное в начале интерполяции нулю, для других узлов рассчитывается по итерационной формуле и вычитается из оценочной функции F(х, у).

где dwj и duj - возможные приращения координат

при цифровой интерполяции эвольвенты, равные 1 или 0, на ^м шаге интерполяции.

Найдем приращение АF(Wj+1, Uj+1) как разность

F (WJ+l, и)+1) _ (WJ, и)):

AF (Wj+1, Uj+1) = y,dUj + x,dWj

(3)

Умножения в (3) на 0 или 1 заменяются сложением (если на 1). После этого корректируется значение оценочной функции для последней точки на эвольвенте по формуле, подобной (3), через приращение

AF (XJ+1' У J+1) = ujdy i + wjdx i

(4)

Контроль по касательной

Алгоритм корректировки таков. Если предыдущий шаг до ,-го узла был координатный (х1 = х1 _1 +1 или у, = у,_1 -1), то А/г будет равно 2х,_1 +1 или -2 у, _1 +1, а если диагональный (х1 = х1 _1 +1 и

у, = у,_1 _1), то АА = 2(х_1 _ у,_1+1). Эти формулы

следуют из (х ± 1)2 = х2 ± 2х +1. Отсюда А^ = А/1 _1 +

где dyi и dxt - приращения координат текущего узла круговой интерполяции (0 или ±1). Выражение (4) также не содержит умножения. Начальное значение оценочной функции F(x, y) в точке B (начало эвольвенты) равно нулю.

Таким образом, алгоритм цифровой интерполяции эвольвенты распадается на две части:

1) ведущим является алгоритм круговой интерполяции (делается ровно один шаг, и в работу включается вторая часть);

2) ведомый - обобщенный алгоритм цифровой интерполяции (делается один или несколько шагов, пока не сменит знак оценочная функция касательной). При этом параметры для второй части алгоритма выдает первая - в виде очередной точки (xt, yi) круговой интерполяции. После смены знака оценочной функции касательной управление передается первой части.

В итоге получается полностью целочисленный алгоритм (без операций умножения и деления), максимально ориентированный на быстродействующую реализацию на микропроцессорах, например, RISC-архитектуры.

Апробация полученного алгоритма цифровой интерполяции эвольвенты проводилась на персональном компьютере на языке Delphi путем эмуляции системы команд современных микропоцессоров RISC-архитектуры. Количественные результаты (максимальные абсолютные погрешности) цифровой интерполяции эвольвенты приведены в таблице.

Результаты цифровой интерполяции эвольвенты (в шагах интерполяции Д = 0,1 мм)

a = 100 a = 250 a = 500 a = 2000 a = 5000

0,793 0,814 0,825 0,916 0,990

Разработанный целочисленный алгоритм цифровой интерполяции эвольвенты рекомендуется для использования в станках с ЧПУ, автоматизированных системах проектирования и испытания сложных механических систем.

Поступила в редакцию

Литература

1. Механика и искусство конструирования в эпоху ЭВМ / К.В. Фролов [и др.] // Изобретатель и рационализатор. 1986. № 12. C. 16 - 17.

2. Кошкин В.Л. Аппаратные системы числового программного управления. М., 1989. 248 с.

3. Информационные технологии с использованием целочисленной арифметики / А.А. Булатников [и др.] // ГеоИнжиниринг. Краснодар, 2011. № 2. C. 54 - 57.

4. Булатников А.А., Булатникова И.Н. Цифровые интерполяторы криволинейных траекторий // Изв. Вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2011. № 2. C. 16 - 19.

27 июня 2012 г.

Булатников Александр Андреевич - аспирант, кафедра «Вычислительная техника и автоматизированные системы управления», Кубанский государственный технологический университет.

Гершунина Наталья Николаевна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Начертательная геометрия и компьютерная графика», Кубанский государственный технологический университет. E-mail: inkras@yandex.ru

Булатникова Инга Николаевна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Прикладная математика», Кубанский государственный технологический университет. E-mail: inkras@yandex.ru

Bulatnikov Alexsandr Andreevich - post-graduate student, department «Computer Engineering and Automated Management Systems», Kuban State Technological University.

Gershunina Natalya Nikolaevna - Candidate of Technical Sciences, assistant proffessor, department «Descriptive Geometry and Computer Graphics», Kuban State Technological University. E-mail: inkras@yandex.ru

Bulatnikova Inga Nikolaevna - Candidate of Technical Sciences, assistant proffessor, department «Applied Marthe-matics», Kuban State Technological University. E-mail: inkras@yandex.ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.