面向切削、研抛的高效NURBS曲线插补算法研究

摘要

NURBS是一种具有强大形状控制能力的参数曲线曲面重要描述方法,已被ISO确定为自由型曲线曲面零件几何表达的唯一形式。NURBS曲线插补已成为衡量高档数控系统的一项重要功能指标。如何能有效实现加工质量与加工效率的协调优化控制是现代高效NURBS曲线插补算法的永恒目标。目前,NURBS曲线插补算法存在的不足主要表现在:一是切削加工中虽已考虑了弓高误差、进给速度、以及机床加/减速性能的综合控制,但还缺乏包括弓高误差冗余在内的多目标协调控制,也未充分考虑实时性和可靠性以及加工参数间的匹配;二是研抛加工中尚非常缺乏考虑加工驻留时间的NURBS有效插补算法。因此,非常必要对目前切削加工中使用的NURBS曲线插补算法进一步完善优化并将其拓展到研抛加工中,对进一步提升数控切削和数控研抛的控制系统性能具有重要的理论和工程意义。为此,本文利用微分几何理论、开放式数控实验平台、VC++等手段,探索切削加工的包括弓高误差冗余在内的多目标协调控制高效NURBS曲线插补算法和柔性研抛中考虑加工驻留时间的高效NURBS曲线插补算法,具体研究工作如下:
　　1)建立了一种可实现多目标协调控制的高效NURBS曲线插补算法并定义了其G代码指令格式。该算法能同时满足最大弓高误差、弓高误差冗余、机床加/减速能力、实时性等多目标约束,特别确定了法向加速度与弓高误差的关系以及匹配方法,进一步增强了对加工质量和加工效率的协调控制能力。
　　2)提出了一种基于加工误差模型,将柔性研抛中加工驻留时间的控制融入到NURBS曲线插补过程中的高效插补算法并定义了其G代码指令格式。该算法在实现NURBS曲线高效高精插补控制的同时还能达到消除加工误差的目的。该算法为柔性研抛加工质量的提高和其他需要控制加工驻留时间的加工方法提供了参考。
　　3)基于以上研究的基础上,采用VC++、Matlab等工具开发了插补仿真分析软件,并构建了基于“PC+运动控制卡”模式的开放式数控系统硬件平台,对所建立的高效NURBS曲线插补算法分别进行了数字仿真、物理模拟实验分析,算法正确,指令有效。
　　综上,本文的研究使面向切削的NURBS曲线插补加工过程更加高效并将其拓展到研抛加工中。

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主要符号对照表

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状综述

1.3 目前存在的问题

1.4 研究的目标和内容

1.5 本章小结

第2章 理论基础

2.1 数控系统插补原理概述

2.2 NURBS曲线插补基本理论

2.3 NURBS曲线经典插补算法

2.4 计算机控制确定性研抛技术

2.5 本章小结

第3章 面向切削的高效NURBS曲线插补算法研究

3.1 引言

3.2 基于冗余弓高误差控制插补算法的分析

3.3 面向切削的多目标协调控制的高效NURBS曲线插补算法建立

3.4 插补计算流程

3.5 面向切削的高效NURBS插补G代码指令格式定义

3.6 本章小结

第4章 面向研抛的高效NURBS曲线插补算法研究

4.1 引言

4.2 加工驻留时间控制的实现方法

4.3 面向研抛的基于加工驻留时间控制的NURBS曲线插补算法建立

4.4 面向研抛的多目标协调控制的高效NURBS曲线插补算法建立

4.5 面向研抛的高效NURBS曲线插补G代码指令格式定义

4.6 本章小结

第5章 实验验证与分析

5.1 实验方案

5.2 面向切削的高效NURBS曲线插补算法实验验证与分析

5.3 面向研抛的高效NURBS曲线插补算法验证与分析

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

个人简介

攻读硕士学位期间发表的论文