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基于恒进给速度自适应NURBS曲线插补算法研究

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基于恒进给速度自适应NURBS曲线插补算法研究

作者：王云凯辽宁科技大学

学位级别：硕士

目前复杂曲面零部件的生产和制造在航空航天、汽车、轮船、刀具和模具等行业具有特别重要的现实意义。这类零件轮廓设计在CAD/CAM软件中常采用NURBS样条曲线(非均匀有理B样条)表示。因此NURBS曲线曲面实时插补技术已经成为近年来数控插... 详细信息

目前复杂曲面零部件的生产和制造在航空航天、汽车、轮船、刀具和模具等行业具有特别重要的现实意义。这类零件轮廓设计在CAD/CAM软件中常采用NURBS样条曲线(非均匀有理B样条)表示。因此NURBS曲线曲面实时插补技术已经成为近年来数控插补技术研究的一个热点,NURBS曲线曲面插补功能已经成为当代高性能CNC系统的标志性功能之一。然而传统的绝大多数数控系统仅具有直线、圆弧插补功能,加工非直线或圆弧曲线曲面时,则必须将高次曲线曲面离散成海量的小直线段,导致加工代码过长、电机频繁加减速和机床振动;虽然国外的FANUC、SIEMENS、三菱等高档数控系统已经配置了NURBS样条曲线插补功能,但存在曲线高速加工与精加工相矛盾问题。因此,研究一种适合高速加工特点的插补和控制算法,对于提高高速加工数控系统的性能具有十分重要的意义。本文在分析高速切削加工的发展现状和趋势的基础上,对高速数控加工中的NURBS曲线插补技术进行了深入研究,详细地介绍了CNC数控插补算法的评价指标,对NURBS曲线理论基础进行了梳理,对Bezier曲线、B样条曲线和均匀B样条曲线的定义进行了展开与对比,总结了非均匀有理B样条节点矢量的确定方法、权因子对NURBS曲线形状的影响及给出了NURBS曲线升阶、降阶计算公式,并深入分析了NURBS曲线的性质和优缺点。研究并提出了NURBS曲线弓高误差-进给速度自适应插补算法,可使机床在满足加工精度要求的前提下,以最大化的进给速度对工件进行插补加工,实现了插补精度与插补速度的优化。但考虑到曲线大曲率区域因速度调节而引起的电机加减速,造成机床颤振,影响机床平稳运行现象。因此,在限定弓高误差基础之上又提出一种S型加减速控制算法,旨在满足高速高精度加工要求且加工过程平稳无冲击。同时研究了S型加减速下的进给速度分布及前瞻插补曲线长度的实时计算方法,最后使用VC++软件根据自适应速度实时插补算法编写了程序并进行了实验仿真,证明该算法的正确性和可行性。

关键词： NURBS插补自适应进给速度弓高误差机床加减速

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PH曲线运动轨迹规划算法的研究与实现

PH曲线运动轨迹规划算法的研究与实现

作者：龚志丹哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

自由曲线的插补功能一直是数控机床的加工系统重点研究对象，目前常用的CAD/CAM系统基本上都具有自由曲线曲面的直接建模功能，但是国内大多数的数控系统却仅仅具备直线和圆弧的直接插补技术，国外的少数数控机床还具有抛物线插补功能... 详细信息

自由曲线的插补功能一直是数控机床的加工系统重点研究对象，目前常用的CAD/CAM系统基本上都具有自由曲线曲面的直接建模功能，但是国内大多数的数控系统却仅仅具备直线和圆弧的直接插补技术，国外的少数数控机床还具有抛物线插补功能但不具备自由曲线直接插补功能。在加工复杂型曲线时，传统的数控加工方法是采用大量的微小直线段或圆弧对加工工件的刀具路径进行拟合，但是这种近似的方法会产生很大的加工轮廓误差、增加加工程序代码的数量，致使传输数据的负荷增大，进而不满足高速高精度的加工要求。所以，开发具有自由曲线直接插补功能的运动控制器对提高数控系统的加工性能具有实际意义。本课题主要研究PH(Pythagorean Hodograph)样条曲线的插值和插补算法，并设计出一个具有PH曲线直接插补技术的运动控制器，进而改善上述描述的缺点。具体的研究内容主要包括：研究开放式数控系统的总体方案，大致分为软件和硬件两个方面。本文设计的开放式数控系统具有自由曲线直接插补技术。在同样的初始条件下，5次PH曲线与3次B样条曲线具有相同的形状自由度，但是前者比后者的轨迹更光滑，因此本文主要研究5次PH曲线。重点研究PH曲线的C1连续的Hermite和C连续的PH样条曲线的插值算法，并基于VC6.0和MATLAB等编程和数据分析工具实现PH曲线的插值算法。研究5次PH曲线的实时插补算法——轨迹规划和速度规划。本文主要采用改进的ADAMS插值算子进行轨迹规划，相对于传统的Taylor级数插值算子，计算量比较小，而且精度比较高。对于速度规划，本文采用S形的速度曲线，通过数字卷积计算速度值，减小了计算量，提高了计算效率，并提出基于弓高误差的速度规划算法。设计一个具有PH曲线直接插补技术的运动控制器，并在实验室所搭建的数控平台上进行实验验证。

关键词： 5次PH曲线 C1连续 C2连续DSP S曲线弓高误差

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复杂曲面的加工及仿真技术研究

复杂曲面的加工及仿真技术研究

作者：上官强西安理工大学

学位级别：硕士

数控加工是CAD/CAM技术中发挥效益最直接和最明显的环节之一。随着零件型面复杂程度的增加和数控加工技术的发展,加工程序的复杂性越来越高。因此对所编制的数控加工程序的正确性的验证显得十分重要。本论文进行的数控加工仿真技术的开... 详细信息

数控加工是CAD/CAM技术中发挥效益最直接和最明显的环节之一。随着零件型面复杂程度的增加和数控加工技术的发展,加工程序的复杂性越来越高。因此对所编制的数控加工程序的正确性的验证显得十分重要。本论文进行的数控加工仿真技术的开发,既可用于判断所编制的NC代码的正确性,又能检验加工的干涉问题,具有良好的实用性。实现了以真实加工条件为前提的机床加工过程实时动态模拟,预估计加工的过程和结果。本论文主要内容研究如下:(1)基于参数方程的矢量表示法,推导出数控系统中三次B样条曲线的一种高速插补方法。本插补方法不仅理论上使所有的插补点落在加工的曲线上,而且加工中的实时插补过程仅有加法运算,故插补速度较高。误差分析表明,只要合理选择参数增量,能保证所要求的加工精度的要求。分析了该算法的性能及特点,并通过数控加工实验得以验证。(2)用ADAMS软件对机床作业空间进行仿真:首先,在Solidedge中建立所设计的铣床三维模型;然后导入ADAMS中,运用ADAMS/View的参数化功能对模型建立约束,施加驱动力;其次,用ADAMS语言编制空间运动仿真程序,对所设计的铣床进行空间运动功能仿真实验,确保其能在满足所需的作业空间前提下,相互间不发生碰撞。(3)在三维实体造型软件AutoCAD2002环境下建立了四轴铣床的三维实体模型,应用ObiectARX2002作为开发工具,借助VisualC++6.0开发环境,对AutoCAD2002进行二次开发,编制了各轴行程范围的确定,换刀库的生成,毛坯的生成,G代码的读入,干涉的判断等程序,实现了NC代码驱动的数控加工仿真以及加工过程中与已加工表面发生干涉的检查,并通过实例对其仿真软件进行了验证。

关键词： B样条曲线/曲面弓高误差进给速度误差 NC代码刀具半径补偿数控加工仿真

基于S曲线的数控系统自适应样条插补算法研究

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基于S曲线的数控系统自适应样条插补算法研究

作者：武晓虎浙江理工大学

学位级别：硕士

插补技术是数控系统实现轨迹运动控制的基础，是目前数控技术急需提高和完善的关键环节。插补算法的优劣将直接影响数控系统的性能。其中样条插补技术更是实现高速、高精度数控加工的关键。因此，本文对数控系统中B样条曲线插补算法进... 详细信息

插补技术是数控系统实现轨迹运动控制的基础，是目前数控技术急需提高和完善的关键环节。插补算法的优劣将直接影响数控系统的性能。其中样条插补技术更是实现高速、高精度数控加工的关键。因此，本文对数控系统中B样条曲线插补算法进行了研究，主要包括以下内容：在文章第二章介绍了数控系统中常用的样条曲线，包括多项式曲线、参数三次样条曲线、B样条曲线以及NURBS曲线，并给出了与曲线相对应的构造过程和表示形式。其中重点介绍了B样条曲线，并通过计算机编程实现了控制点反算、样条绘制等功能，为第四章研究样条插补算法奠定理论基础。在文章第三章研究了数控系统的加减速控制方法，介绍常见的直线加减速方法、指数加减速方法、三角函数加减速方法，重点研究了S型加减速方法，给出一种基于三种约束条件（位移约束、速度约束和加速度约束）的规划方法，并通过补偿离散化后的精度损失提高整体规划性能。在一般S型加减速模型的基础上，通过推导建立了始末速度不为零的数学模型，该模型将应用于样条插补算法中加减速控制的实现。在文章第四章研究了数控系统中的样条插补算法，介绍了现有样条插补算法，尤其是自适应样条插补算法。在此基础上结合样条理论和S型加减速控制方法，设计了一种基于S型加减速控制方法的自适应样条插补算法，该算法根据给定的加工精度、最大进给速度以及最大加速度等要求，在综合考虑弓高误差和法向加速度限制等情况下，求取样条曲线的速度限制曲线，并依据速度限制曲线和始末速度不为零的加减速模型完成样条插补。最后，通过仿真、实验验证了算法的可行性和实用性，并将该算法应用于自主研制的数控运动平台上，性能表现良好。

关键词：自适应插补算法速度限制曲线弓高误差加减速控制 B样条曲线数控加工

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基于RTX的参数化插补算法的仿真研究

轻工机械 2017年第3期35卷 20-24,29页

作者：高甜张立强杜金锋上海工程技术大学机械工程学院上海201620

在数控机床高速加工过程中,常规采用的增量式递推算法采样插补技术由于后一步的计算都是建立在前一步结果的基础上,容易产生误差累积效应。为了解决这一问题,笔者提出了参数化插补算法,并建立了参数化插补轨迹模型,基于自动加减速控制原... 详细信息

在数控机床高速加工过程中,常规采用的增量式递推算法采样插补技术由于后一步的计算都是建立在前一步结果的基础上,容易产生误差累积效应。为了解决这一问题,笔者提出了参数化插补算法,并建立了参数化插补轨迹模型,基于自动加减速控制原理,自主开发设计了Windows XP SP3+RTX实时扩展数控系统软件平台,通过平台进行仿真实验。结果表明提出的参数化插补算法能有效解决累积误差的问题,同时能够很好地减小弓高误差。

关键词：数控加工参数化插补算法自动加减速控制累积误差弓高误差

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弧面凸轮自适应数控编程算法与进给速度控制

机械与电子 2008年第5期26卷 3-6页

作者：陈小告胡自化杨冬香孔马斌湘潭大学机械工程学院湖南湘潭411105 五邑大学机电工程系广东江门529020

提出了一种基于进给速度恒定和控制弓高误差的弧面凸轮自适应数控编程算法。具体依据数据采样插补的时间分割基本思想,在控制加工精度的条件下,将刀心轨迹离散为若干直线段的同时,确保相邻线段间的进给速度基本恒定。另外,分析了其刀心... 详细信息

提出了一种基于进给速度恒定和控制弓高误差的弧面凸轮自适应数控编程算法。具体依据数据采样插补的时间分割基本思想,在控制加工精度的条件下,将刀心轨迹离散为若干直线段的同时,确保相邻线段间的进给速度基本恒定。另外,分析了其刀心进给速度与编程进给速度的关系,推导出编程进给速度的计算公式。实例表明,这种方法既可弥补目前数控系统缺乏弧面凸轮直接插补指令的不足,又能进一步提高弧面凸轮的加工精度。

关键词：弧面凸轮自适应数控编程进给速度弓高误差数据采样

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磁性复合流体仿贝壳抛光轨迹优化及误差分析

软件导刊 2021年第5期20卷 67-71页

作者：彭涛上海理工大学机械工程学院上海200093

针对船舶领域对仿贝壳元件的高精度需求,设计一种螺旋线式抛光轨迹对仿贝壳表面进行磁性复合流体(MCF)抛光。根据抛光轨迹和仿贝壳表面方程计算出所有走刀路径下抛光点的加工坐标,提出一种抛光路径优化算法,解决了螺旋线式抛光轨迹在进... 详细信息

针对船舶领域对仿贝壳元件的高精度需求,设计一种螺旋线式抛光轨迹对仿贝壳表面进行磁性复合流体(MCF)抛光。根据抛光轨迹和仿贝壳表面方程计算出所有走刀路径下抛光点的加工坐标,提出一种抛光路径优化算法,解决了螺旋线式抛光轨迹在进行MCF抛光时工件底部区域较顶部区域抛光接触点较少造成抛光不均匀的问题,并建立弓高误差模型,对抛光路径优化前后的弓高误差变化规律进行仿真。仿真结果表明,轨迹优化后相比优化前的弓高误差最大值从2.667μm降低到1.841μm,弓高误差的RMS值从1.896μm降低到0.885μm,PV值从2.301μm降低到1.562μm。因此,使用抛光轨迹优化算法后的仿贝壳表面加工精度更高。

关键词：磁性复合流体仿贝壳表面路径轨迹优化弓高误差

基于de Boor算法的NURBS曲线自适应插补研究

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机械制造 2012年第9期50卷 66-69页

作者：吴攀峰南余荣浙江工业大学信息工程学院杭州310023

在现代数控加工中已普遍使用NURBS曲线插补,但大多数NURBS曲线插补都致力于取得恒定的进给速度而不是轮廓精度,对此,提出了基于de Boor算法的NURBS自适应插补算法。将de Boor算法应用于NURBS曲线插补中,并用限定弓高误差对插补的进给速... 详细信息

在现代数控加工中已普遍使用NURBS曲线插补,但大多数NURBS曲线插补都致力于取得恒定的进给速度而不是轮廓精度,对此,提出了基于de Boor算法的NURBS自适应插补算法。将de Boor算法应用于NURBS曲线插补中,并用限定弓高误差对插补的进给速度实行自适应调节,实现了数控加工中进给速度的平滑过渡,减少速度急剧变化时对机床的冲击,保证了NURBS曲线实时插补和轮廓加工的精度。通过仿真证明了这种插补算法的实时性和实际应用的可行性。

关键词： NURBS曲线 de Boor算法弓高误差实时插补

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面向内凹小圆弧数控裁剪方法研究

机械制造 2010年第1期48卷 16-18页

作者：赵燕伟卢东杨帆储旭明浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室杭州310014

为了避免裁刀在裁割内凹圆弧造成的裁片过切问题,提出了基于加工误差近似替代内凹小圆弧的可加工性的创新工艺。根据裁刀的切向插补原理及裁剪鞋面的最大允许的过切误差,推导出相应的临界圆弧半径。通过预定的裁剪精度要求,将内凹小圆... 详细信息

为了避免裁刀在裁割内凹圆弧造成的裁片过切问题,提出了基于加工误差近似替代内凹小圆弧的可加工性的创新工艺。根据裁刀的切向插补原理及裁剪鞋面的最大允许的过切误差,推导出相应的临界圆弧半径。通过预定的裁剪精度要求,将内凹小圆弧离散直线段插补。在数控运动控制平台上编制运动仿真程序,对裁片加工过程进行了切割仿真,结果表明,内凹小圆弧裁剪方法能较好地满足实际裁剪加工精度的要求。

关键词：内凹小圆弧过切弓高误差