NURBS插补算法的研究与开放式数控系统开发

论文摘要

数控技术是近代发展起来的一种自动控制技术,是用数字化信息实现机床控制的一种方法,也是现代制造技术中最关键的环节。插补模块是整个数控系统控制软件的核心,插补算法的选择直接影响到数控系统的加工精度和速度。自由曲线插补可使整条曲线的加工速度均匀,提高工件表面加工质量,并可提高加工速度,适于高速加工,因此开发具有曲线插补功能的数控系统具有重要意义。NURBS（非均匀有理B样条,Non-Uniform Rational B-Spilne）为现有的曲线提供了统一的表示方法,NURBS插补已经成为当今数控领域研究的热点之一,并成为数控系统中插补技术发展的必然趋势。根据开放式数控系统的要求,本文选择美国罗克韦尔自动化公司的网络及硬件设备,构建了网络化的开放式数控系统。在系统的硬件平台上,结合Matlab,RSLogix 5000和RSView 32等专用软件进行插补预处理和优化,开发运动控制程序并设计数控系统的监控界面,实现了NURBS插补功能。本文在简要介绍传统基准脉冲插补、数据采样插补算法之后,着重研究了NURBS曲线插补算法。针对现有的NURBS曲线插补算法普遍存在递推误差,且弓高误差、速度难以控制的问题,依据NURBS曲线的矩阵定义式提出了改进的插补算法,采用改变插补周期T的控制方式,根据最大弓高误差动态调节参数以确定进给步长,从而消除了递推误差,对弓高误差也进行了合理控制,最终实现了在速度均匀的情况下进行高精度的加工。目前,人们越来越多地使用NURBS曲线设计工件外形。由于手工编制曲线工件的数控程序工作量大,加工时间长,难以编制出理想程序,因此本文参考STEP-NC标准,选取了AutoCAD软件内嵌的LISP编辑器对系统进行二次开发,最终设计并实现了直接面向加工对象的数控系统,即实现了设计、制造（CAD/CNC）一体化。该系统具有加工速度快、周期短、质量高、使用方便等优点,减轻编程人员的工作量,具有很高的工程价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 数控系统发展状况
• 1.2.1 数控系统发展历史
• 1.2.2 数控系统发展趋势
• 1.2.3 开放式数控系统现状及趋势
• 1.3 STEP标准
• 1.4 自由曲线发展历程
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 网络环境下的数控系统
• 2.1 网络环境下基于PLC的开放式数控系统的硬件平台
• 2.1.1 罗克韦尔自动化的三层网及SERCOS
• 2.1.2 ControlLogix系统
• 2.1.3 三轴精密定位平台
• 2.2 软件环境
• 2.3 本章小结
• 第三章 CNC系统中的插补技术
• 3.1 插补原理概述
• 3.2 插补分类
• 3.3 基本插补算法
• 3.3.1 脉冲增量法
• 3.3.2 数据采样法
• 3.4 计算机数控系统中的NURBS插补
• 3.5 本章小结
• 第四章 NURBS曲线插补技术
• 4.1 NURBS曲线发展
• 4.1.1 Bezier曲线
• 4.1.2 B样条曲线
• 4.1.3 NURBS曲线
• 4.2 NURBS曲线的求值和导矢的计算
• 4.2.1 NURBS的De Boor递推算法
• 4.2.2 NURBS的矩阵定义式法
• 4.2.3 NURBS的导矢计算
• 4.3 NURBS曲线插补算法分析
• 4.3.1 已有算法分析
• 4.3.2 插补点的优化
• 4.3.3 误差分析
• 4.3.4 速度与加速度控制
• 4.3.5 插补流程
• 4.4 算法仿真验证
• 4.5 本章小结
• 第五章 NURBS插补功能的实现
• 5.1 运动控制编程部分
• 5.1.1 PLC在系统中的作用
• 5.1.2 RSLogix 5000的编程
• 5.2 软件通信
• 5.2.1 OPC技术
• 5.2.2 ActiveX技术
• 5.2.3 软件通信的实现
• 5.3 与CAD系统的数据交换
• 5.3.1 DXF文件格式
• 5.3.2 AutoLISP中的ActiveX实现
• 5.3.3 RSView 32与Excel的通信
• 5.4 RSView32组态与监控
• 5.4.1 监控系统通讯的配置
• 5.4.2 监控系统中标记数据库的建立
• 5.4.3 监控系统程序界面设计
• 5.4.4 三维趋势监控功能开发
• 5.5 NURBS曲线插补的实现效果
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文