基于曲线合成插补理论的三维数控雕刻机控制系统的研究与设计

摘要

数控技术的飞速发展，使得机械制造加工的自动化程度不断提高。近年来，数控技术在雕刻加工中得到了广泛应用。现在广泛应用的数控雕刻机控制系统只能插补直线和圆弧，随着社会需求的不断提高，这两种线型已不能够满足需要。应淄博质恒工贸有限公司的要求，为该企业开发一套雕刻机数控系统，要求该系统为了功能的富裕能插补尽可能多的线型，并且还具有这些线型间的刀具半径补偿功能。因此，本文提出了“基于曲线合成插补理论的三维数控雕刻机控制系统的研究与设计”课题，并在实验室的雕刻机上进行了运行调试，本文主要研究了以下内容：
　　确定基于工业控制计算机的开放式数控系统的控制系统类型，设计了以研华 PCI-1750数据采集卡为主的数控电路，实现了三轴的联动和电主轴的转速控制。采用 VC6.0高级编程工具，自行开发了雕刻机数控系统，该系统包含多个功能模块，满足了数控雕刻机的使用要求。
　　插补和刀具半径补偿是数控系统重要的功能模块，决定了数控系统的加工精度和档次。本文采用差分插补理论实现了平面内直线、圆弧、椭圆、双曲线、抛物线的插补，采用数字积分法实现了空间直线的插补。由于直线和圆弧的等距曲线还是原来的线型，本文采用传统方法对这两种线型进行刀具半径补偿。但是，椭圆、双曲线、抛物线的等距曲线已不再是原来的线型。直接求取它们等距曲线比较困难，本文采用合成插补理论对椭圆、双曲线、抛物线的进行刀具半径补偿，并且利用基于合成插补理论的尖角内角理论完成了各种线型之间的自动转接过渡，实现了数控雕刻机的 C功能刀具半径补偿功能。采用差分插补理论和合成插补理论对二次曲线进行插补和刀具半径补偿，省略了曲线拟合过程，降低了加工曲线的 CAD/CAM几何误差，提高了系统的加工精度。
　　论文还对数控加工图形的屏幕显示进行了研究，通过对空间点的投影变换、平面比例缩放、平移等操作，获得数控加工图形的三视图显示和正等轴测图显示，并且使得图形以最大的尺寸在显示区域中居中显示。有利于加工代码的检错以及加工轨迹实时显示，提升了数控系统档次。

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第一章 绪 论

1.1数控机床概述

1.2数控技术在雕刻加工中的应用

1.3课题的提出和研究意义

1.4本论文主要研究内容

1.5本章小结

第二章 数控雕刻机控制系统总体设计

2.1数控雕刻机功能设计

2.2数控雕刻机控制系统类型选择

2.3数控雕刻机控制系统硬件连接

2.4数控雕刻机控制系统软件模块化设计

2.5本章小结

第三章 差分插补理论和数字积分插补算法的研究

3.1插补理论概述

3.2差分插补理论

3.3差分插补参数的转化计算

3.4数字积分直线插补

3.5差分插补和 DDA空间直线插补方法的实例验证

3.6本章小结

第四章 基于差分插补理论的合成插补理论的研究

4.1刀具半径补偿概述及分类

4.2基于差分插补理论的曲线合成插补理论

4.3曲线合成插补实例

4.4本章小结

第五章 基于曲线合成插补理论的尖角内角过渡理论

5.1尖角内角过渡理论的基本概念

5.2刀具半径补偿转接类型判断

5.3尖角过渡的处理

5.4内角过渡的处理

5.5刀补的建立和撤销

5.6基于曲线合成插补理论的尖角内角过渡理论综合实例

5.7本章小结

第六章 CNC系统的图形显示

6.1平面图形变换

6.2三维图形投影变换

6.3三视图的自动居中显示

6.4正等轴测图的自动居中显示

6.5本章小结

第七章 基于差分插补与合成插补理论的数控系统实验研究

7.1实验平台简介

7.2不偏刀数控加工实验研究

7.3左偏刀数控加工实验研究

7.4右偏刀数控加工实验研究

7.5数控系统在浮雕中的应用

7.6本章小结

第八章 总结与展望

8.1课题研究工作总结

8.2深层次研究展望

参考文献

附录 本系统支持的指令集及代码编写规则

在读期间公开发表的论文及申请的发明专利

致谢