异构并行计算环境下基于OpenCL的刀具路径规划模式研究

To meet the requirement of online-processing control tasks in new intelligent CNC System, the performance of hardware and software system need to be improved greatly.On the other hand, Open CNC System is built on different types of heterogeneous hardware and software platforms,which caused incompatibility between these platforms. Common tasks on different platforms must be re-design and implemented.This project focuses on general-purpose parallel computing theory in heterogeneous systems and its application in the field of NC technology. The goal is finding a consistent way to design and implement the task modules of the CNC system .We highly concern OpenCL,which may provide a feasible method for parallel computing and task scheduling in heterogeneous system. Through mastering the operating mechanism and technological implementation method of task modules based on OpenCL in CNC system, we will develop a parallel toolpaths planning method based on heterogeneous system.The method can merge the computing capability of the CPU, GPU, DSP, and other processors to improve the performance of toolpaths planning computing task in the CNC system. This study is expected to provide a new technical method to carry out research work for new generation of intelligent CNC system in heterogeneous environments.

新型智能数控系统要求控制任务能够实现在线处理，对软硬件系统提出了很高的性能要求。同时，开放式数控系统搭建于类型不同的各种异构软硬件平台上，造成了不同平台互不兼容，通用任务在不同的平台上必须被重新设计和实现。本项目着眼于将异构系统通用并行计算理论引入数控技术领域，采用一致的技术模式来设计和实现数控系统的任务模块。新近出现的OpenCL技术为异构环境中执行并行化的任务调度和计算提供了可能。通过掌握基于OpenCL技术的数控系统任务模块的运行机理和技术实现方法，以基于异构系统的并行化刀具路径规划问题为切入点，探讨建立采用并行计算模式的高兼容性、高性能的数控系统任务模块的方法。该类方法可融合数控系统内CPU、GPU、DSP等异构处理器的计算能力，进行协同并行计算来实现平台兼容、高性能的刀具路径规划功能。本研究有望为异构环境下开展新一代智能数控系统研究提供一种新的技术方法。

本研究针对新型数控加工系统中在线式刀具路径规划的高性能要求，提出了基于异构并行计算技术的刀具路径规划方案。在对各类传统串行刀具路径规划算法进行并行化特性分析的基础上，完成了对传统串行刀具路径规划方法进行并行化的基本方法和运行机理的研究。.基于CUDA和OpenCL两种主流的异构并行技术，在B样条曲面、NURBS曲面上对传统等参数线法、刀触点截面线法、加工域规划法等进行了并行化重构，并在CPU-GPU异构的计算环境下对新的并行算法进行了验证实验。同时开展了CPU-GPU异构环境下并行刀具路径规划的实验，进行算法的正确性和有效性验证。实验结果显示并行化刀具路径规划较传统算法能大幅的缩短算法执行耗时，明显的提升了刀轨规划的效率。.研究了NURBS曲面的刀具路径规划及进给优化控制问题，并对NURBS曲线尖角处的插补问题做了深入探讨。提出按曲率单调性分割 NURBS 曲线及其规划进给速度控制算法和颠簸度分段线性连续的控制算法等方法，使刀具路径规划方法更好的适应高速高精度要求下曲率变化复杂的NURBS曲线曲面加工。提出了临界曲率分割尖角的NURBS曲线插补算法，能够对带有多处尖角的曲线进行稳定完整插补，并能很好抑制尖角处的弦高误差。.搭建了多轴数控实验平台，设计和开发了多轴数控刀具路径规划实验平台，对上述理论研究成果进行了测试和实验验证。本课题研究成果能显著的提升刀具路径规划的效率，并对变化复杂的NURBS曲线轨迹规划有较好的适应性，为新型数控系统中高性能的刀轨计算任务提供了可行的解决方案。