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NURBS曲线插补对数控铣加工质量影响的研究

作　者: 李琪
导　师: 仲高艳
学　校: 南京农业大学
专　业: 机械工程
关键词: NURBS曲线加减速控制实时插补 Matlab仿真
分类号: TG547
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

数控技术是先进制造技术中最重要的一种高度自动化控制技术。其中数控插补技术是核心技术,它的好坏直接决定数控系统是否具有良好的市场占有率,而插补算法又是插补技术的关键组成部分。一种好的插补算法形成的零件的轮廓精度高,表面粗糙度好,同时也可以节省大量的加工时间,降低了加工成本。NURBS曲线插补不仅在进行加工复杂曲线轮廓时加工速度均匀且能以较高的进给速度加工,而且使表面加工质量得到了提高。因此研究NURBS曲线插补算法对于我国以后开发具有NURBS曲线直接插补的高端数控系统的研制具有很大的价值。本文通过深入地研究NURBS曲线的发展过程、特点和相关重要参数的计算方法。针对现有的NURBS曲线直接插补算法普遍存在的弓高误差、弦长误差和进给速度慢且进给速度不稳定等问题,提出了汉明微分方程简化算法与预估—校正法相结合来控制计算参数误差,并采用分段加减速控制方法,来有效地控制速度地变化以及限定加加速度值,来达到速度自适应调节的要求。根据本文利用积累弦长参数化法构造NURBS曲线,对该曲线的控制多边形的顶点和节点矢量进行解析,并编写FANUC数控系统能识别的数控程序,然后利用具有NURBS曲线直接插补功能的FANUC数控系统进行实物加工。待加工的实物零件由A、B、C三个曲面组成,加工方案是对已构造的曲面A以直线插补、B曲面进行圆弧插补和C曲面以NURBS插补方式进行数控加工；最后,利用粗糙度测量仪,对已加工零件的A、B、C三个表面分别进行沿刀具轨迹方向和垂直刀具轨迹方向的测量,并对测量的的表面粗糙度值进行对比,从而获得在三种不同插补方式下零件的零件的粗糙度对比图。通过对比分析发现以NURBS插补方式得到的曲面其表面粗糙度要比圆弧和直线的好的多,同时得到的曲面的光顺性要比其他两种方式加工得到的要好,因而不需要额外的工序来对曲面进行光整,很好地满足对复杂自由曲线曲面进行高速高精的加工要求。与近似直线插补相比NURBS插补数控代码量是其20%至50%,大大缩短了程序传输时间。本文通过理论和实验的双重分析,证实了NURBS插补方式其刀具轨迹具有明显的优越性,同时对以后的复杂曲面的加工奠定了良好的基础。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACT  7-8
第一章绪论  8-14
  1.1 引言  8
  1.2 现有插补技术存在的问题  8-9
  1.3 NURBS插补技术的国内外研究现状  9-11
  1.4 NURBS插补面临的关键问题  11-12
  1.5 课题相关介绍  12-14
    1.5.1 课题研究的目的及意义  12-13
    1.5.2 课题研究的内容  13-14
第二章 NURBS曲线的插补基础  14-26
  2.1 引言  14
  2.2 BEZIER曲线  14-15
  2.3 B样条曲线  15-17
  2.4 非均匀B样条曲线  17-19
    2.4.1 确定非均匀B样条的节点矢量  17-18
    2.4.2 确定非均匀B样条曲线上的点  18-19
  2.5 NURBS曲线  19-23
    2.5.1 曲线的定义  19-20
    2.5.2 NURBS曲线的性质  20-21
    2.5.3 NURBS曲线的优缺点  21-22
    2.5.4 NURBS曲线的求值  22
    2.5.5 NURBS曲线的求导  22-23
  2.6 曲线的生成方法  23-25
    2.6.1 参数化法计算插值曲线的节点矢量  23-24
    2.6.2 曲线两端边界条件的确定  24
    2.6.3 插值曲线控制顶点的反算  24-25
  2.7 本章小结  25-26
第三章 NURBS曲线的插补  26-35
  3.1 引言  26
  3.2 曲线插补的基本原理  26-28
    3.2.1 基准脉冲插补  26
    3.2.2 数据采样插补  26-28
  3.3 插补算法及实现  28-34
    3.3.1 插补预处理  29-31
    3.3.2 基于汉明微分方程的插补计算  31-34
  3.4 本章小结  34-35
第四章 NURBS曲线插补的加减速控制  35-43
  4.1 引言  35
  4.2 自适应进给速度的确定  35-38
  4.3 进给速度与加减速度控制  38-42
    4.3.1 进给速度的确定  38
    4.3.2 加减速控制  38-42
  4.4 本章小结  42-43
第五章 NURBS插补仿真与后处理  43-53
  5.1 引言  43
  5.2 NURBS插补的数控系统  43-44
  5.3 NURBS曲线的MATLAB仿真  44-48
  5.4 NURBS插补的后处理  48-52
  5.5 小结  52-53
第六章数控加工实例  53-62
  6.1 引言  53
  6.2 加工零件的三维建模  53-54
  6.3 仿真加工  54-56
  6.4 实例加工  56-57
  6.5 NURBS插补对表面质量的影响  57-61
    6.5.1 NURBS插补对表面轮廓和刀轨产生的影响  57-58
    6.5.2 NURBS插补对表面粗糙度的影响  58-60
    6.5.3 NURBS插补对轮廓精度的影响  60-61
  6.6 本章小结  61-62
第七章总结与展望  62-63
  7.1 主要工作及结论  62
  7.2 有待进一步研究的问题  62-63
参考文献  63-65
致谢  65

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