多约束综合控制的NURBS曲线插补算法及其刀补研究与实现

发布时间：2017-10-30 12:30

  本文关键词：多约束综合控制的NURBS曲线插补算法及其刀补研究与实现

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【摘要】：随着现代制造业的快速发展,NURBS方法作为国际标准化组织(ISO)确定的对工业产品几何定义的唯一数学方法,凭借其在复杂几何造型方面的诸多优势,越来越广泛应用于CAD/CAM及计算机图形学等领域。NURBS插补功能成为衡量高档数控系统的一项重要指标。为了满足高速高精的现代加工要求,NURBS曲线插补算法及其品质已成为数控系统研究开发的核心内容之一。目前,围绕如何实现加工精度和加工效率的协调优化控制是NURBS插补算法研究的大趋势。插补算法的品质主要取决于插补精度与进给速度的合理匹配。为了满足曲率不断发生变化的曲线插补精度要求,需要采用自适应调节进给速度,然而采用变进给速度则不可避免会产生加减速运动。因此,就需要对变进给速度进行有效的加减速协调控制,以避免导致较大的加速度和加加速度,影响插补运动的平稳性。另外,目前CAD/CAM软件虽支持输出NURBS格式的曲线形式,但考虑刀具半径补偿的NURBS曲线插补数控系统尚处于研究和发展阶段。为此,本文综合利用微分几何原理、S型加减速控制方法、回溯和反向插补策略、开放式数控等理论及技术手段,以及VC++6.0、MATLAB等软件,对NURBS曲线插补算法提出进一步优化方案并探究其在实际加工中的刀具半径补偿功能。具体研究工作如下:(1)建立一种多约束综合控制的NURBS曲线插补算法。该算法在分析和总结现有NURBS曲线插补算法的基础上,综合考虑曲线几何特征、机床运动学和动力学性能等对插补的影响,并明确了各约束条件与进给速度的匹配方法。(2)建立基于S型加减速控制的运动模型。利用S型加减速控制方法,将回溯和反向插补策略应用到NURBS曲线插补算法中,实现对NURBS曲线插补加减速过程的合理控制,提高插补精度和机床运动的平稳性。(3)探究NURBS曲线插补中的二维刀具半径补偿功能实现。根据NURBS的数学特性,结合现有的刀具半径补偿原理,研究NURBS曲线刀具半径补偿过程,并通过仿真软件实现刀具半径补偿功能,进一步提高NURBS曲线插补的编程柔性和加工实用性。(4)仿真分析与实验验证。依托固高开放式机电实验平台,构建基于“PC+运动控制卡”开放式数控仿真实验系统。采用VC++6.0软件编程开发NURBS曲线插补器,完成插补运动仿真及实验,并通过MATLAB对比分析实验结果,验证算法的有效性。综上,本文的研究为NURBS曲线提供了一种高效高精的插补优化算法并探究了其二维刀具半径补偿功能,对提升数控系统品质具有工程和理论参考价值。
【关键词】：NURBS 插补算法 S型加减速控制 刀具半径补偿 开放式数控系统
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG659
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状综述11-17
• 1.2.1 数控系统的发展趋势11-12
• 1.2.2 NURBS曲线插补研究现状12-15
• 1.2.3 刀具半径补偿研究现状15-17
• 1.2.4 目前存在的主要问题17
• 1.3 研究目标和主要内容17-18
• 1.3.1 研究目标17
• 1.3.2 研究内容17-18
• 1.4 小结18-19
• 第2章 NURBS相关理论基础19-26
• 2.1 引言19
• 2.2 NURBS曲线定义及其性质19-21
• 2.2.1 NURBS曲线的定义19-20
• 2.2.2 NURBS曲线的主要性质20-21
• 2.3 德布尔算法21-23
• 2.4 NURBS曲线插补导矢计算23
• 2.5 基于数据采样的NURBS插补原理23-25
• 2.6 小结25-26
• 第3章 多约束综合控制的NURBS曲线插补算法研究26-39
• 3.1 引言26
• 3.2 自适应进给速度NURBS插补算法26-27
• 3.3 基于冗余误差控制的NURBS插补算法27-28
• 3.4 多约束综合控制的NURBS曲线插补算法28-32
• 3.4.1 相关约束与进给速度的匹配关系29-31
• 3.4.2 多约束综合控制的进给速度规划方程的建立31-32
• 3.5 基于回溯和反向插补的进给速度规划32-36
• 3.5.1 基于S型加减速的运动过程32-34
• 3.5.2 基于回溯和反向插补的减速点确定34-35
• 3.5.3 S型加减速模式速度调整35-36
• 3.6 插补算法流程36-38
• 3.7 小结38-39
• 第4章 NURBS曲线刀具半径补偿研究39-50
• 4.1 引言39
• 4.2 刀具补偿功能及方法39-41
• 4.3 NURBS曲线的等距线41-42
• 4.4 NURBS曲线刀具半径补偿42-47
• 4.4.1 NURBS曲线刀补的原理42-43
• 4.4.2 刀补转接类型及判定43-45
• 4.4.3 相关控制顶点的坐标计算45-47
• 4.5 仿真实例47-49
• 4.6 小结49-50
• 第5章 NURBS曲线插补的实现与分析50-65
• 5.1 引言50
• 5.2 基于开放式数控结构的方案设计50-52
• 5.3 硬件结构设计52-53
• 5.4 NURBS曲线插补软件开发53-55
• 5.4.1 软件界面设计53-54
• 5.4.2 软件主要功能的实现54-55
• 5.5 插补算法仿真分析和实验55-64
• 5.5.1 NURBS曲线插补算法仿真分析56-60
• 5.5.2 NURBS曲线插补实验60-64
• 5.6 小结64-65
• 结论与展望65-66
• 参考文献66-69
• 致谢69-70
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果70

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 黄楚鹏;;数控机床和数控技术的发展及未来趋势[J];科技视界;2014年33期

2 刘飞;王秋莲;;机械制造系统能效评价的特点、研究现状及发展趋势[J];中国机械工程;2013年11期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 张海涛;NURBS曲线自适应插补与前瞻速度规划方法研究[D];西安建筑科技大学;2009年

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本文编号：1117723