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数控系统复杂曲线曲面插补技术研究

作　者: 李香山
导　师: 王小椿
学　校: 北京交通大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 数控系统 插补 NURBS曲面 加减速控制
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 285次
引　用: 2次
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内容摘要


随着科学技术的发展,复杂曲面的产品越来越多,人们对其加工精度的要求也越来越高。但目前国内的数控系统大多仅具有圆弧和直线两种插补方式,进行复杂曲面加工时通常采用离线式逼近刀具轨迹的加工方式,将曲线划分成微小直线段,利用直线插补来拟合。为满足精度要求,生成的微小直线段数量巨大,直接导致数控系统传输负担较重,同时刀具在每个程序段均需进行加减速,严重影响加工效率。本文深入分析了非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Spline, NURBS)曲线的性质、相关参数计算方法,对NURBS曲线曲面直接插补算法进行了系统的研究。首先,利用前、后差分结合代替微分的方法,通过对初始迭代式改进得到了参数快速递推式,通过插补预处理与近似计算,综合考虑轮廓误差控制和进给加速度控制,实现了动态变步长的自适应NURBS曲线插补方式。可使机床在满足误差要求的前提下,以最大化进给速度对零件进行插补加工,实现插补精度和插补速度的优化,提高加工质量和效率。其次,在加减速控制方面,本文利用NURBS曲线的对称性进行实时插补减速点的预测,提出了插补前抛物线—直线—抛物线S型加减速控制方法。其具有位置精度高、速度过渡平滑等优点,并且改变了原有控制方法的以弦线代替弧线、每插补一步都要进行繁琐的曲线弧长计算的情况,有利于提高插补精度和实时性。最后,基于本文所提出的NURBS曲线直接插补算法和S型加减速控制,使用MATLAB编程语言开发了一款NURBS曲面插补软件,采用刀触点生成刀具路径,与传统刀位点生成刀具路径相比,能有效提高加工曲面精度和效率。搭建了基于嵌入式工业PC+运动控制卡的开放式数控系统平台,通过对实例叶轮叶片曲面进行仿真分析,深入地分析了该插补软件的各种性能,验证了相关算法的正确性和可行性。

全文目录


致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-11
1 绪论  11-20
  1.1 复杂曲线曲面概述  11-13
  1.2 插补技术概述  13-14
  1.3 复杂曲线曲面插补算法概述  14-18
  1.4 课题的研究目标与内容  18-19
  1.5 研究采取的技术路线及工作安排  19-20
2 NURBS曲线及其生成算法  20-31
  2.1 NURBS曲线理论基础  20-24
    2.1.1 B样条曲线的定义与性质  20-22
    2.1.2 B样条曲线的相关计算  22-24
  2.2 NURBS曲线方程及性质  24-29
  2.3 NURBS曲线的求值与导矢计算  29-30
    2.3.1 NURBS曲线轨迹点计算  29
    2.3.2 NURBS曲线导矢的计算  29-30
  2.4 本章小结  30-31
3 NURBS曲线插补的加减速控制及算法研究  31-45
  3.1 NURBS曲线直接插补算法  31-33
  3.2 S型加减速控制方法  33-38
    3.2.1 S型加减速算法模型  33-35
    3.2.2 S型加减速插补周期  35-37
    3.2.3 S型加减速路程长度  37
    3.2.4 S型加减速进给速度  37-38
  3.3 NURBS曲线直接插补的加减速控制  38-42
  3.4 NURBS曲线插补实例验证  42-43
    3.4.1 加工曲线示例  42
    3.4.2 插补结果分析  42-43
  3.5 本章小结  43-45
4 NURBS曲面插补技术研究  45-60
  4.1 常见的刀具轨迹生成方法  45-48
    4.1.1 参数线法  45-46
    4.1.2 截面线法  46-48
    4.1.3 等残留高度法  48
  4.2 NURBS曲面数学表示及其相关性质  48-50
  4.3 曲面插补软件的设计  50-59
    4.3.1 刀触点路径计算  50-54
    4.3.2 刀轴矢量计算  54-55
    4.3.3 后处理坐标变换  55-56
    4.3.4 插补软件实现步骤  56-59
  4.4 本章小结  59-60
5 实验平台设计及曲面插补软件验证  60-68
  5.1 实验研究  60-61
  5.2 NURBS曲面插补软件性能评价  61-65
  5.3 数控系统实验平台设计  65-68
6 结论与展望  68-70
参考文献  70-73
附录A  73-74
作者简历  74-76
学位论文数据集  76

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属切削加工及机床 > 程序控制机床、数控机床及其加工
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