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《西北工业大学》 2003年
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五次样条在数控加工中的全过程应用技术

田锡天  
【摘要】: 样条函数是应用非常广泛的数学工具,在计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数控(CNC)以及逆向工程(RE)等技术领域中更是必不可少的非常有用的工具,具有特别重要的工程意义。随着高速加工技术的发展,样条函数在自由曲面高速加工中的应用越来越受到重视,样条处理技术得到越来越多的研究、开发与应用,并已成为数控加工技术的主要发展趋势之一。论文重点对五次样条插值算法及其在RE、NC编程和CNC技术等方面的应用进行了系统深入的研究,建立了一套完整的五次样条处理理论、方法及应用技术体系。此外,对基于STEP-NC的新一代开放式CNC系统进行了初步探索。主要内容包括: (1)概要分析了样条函数在数控加工技术领域中的应用研究及发展状况,并着重分析了自由曲面高速加工中存在的问题以及CNC系统的研究与发展趋势。由于与三次样条函数相比,五次样条函数具有更大的优越性,所以基于五次样条的NC指令生成与处理技术已成为CAM技术和CNC技术的主要发展趋势之一。 (2)虽然样条曲线具有广泛的应用,但对五次样条插值算法的研究却很少。因此,完善、推导和开发了多种五次样条插值算法,并对其进行了测试和评价,认为:五次多项式样条局部插值算法QA3和五次B样条插值算法QA4非常适合于离散数据的曲线拟合和曲线曲面的NC编程。从实时性方面考虑,因为算法QA3更简单、计算速度更快、局部性更好,所以更加适合于CNC的几何数据处理和实时插补运算。五次样条插值算法及其配套算法的系统深入研究,为五次样条曲线在数控加工技术领域中的应用奠定了坚实的算法基础。 (3)针对大量稠密数字化数据五次样条插值的需要,开发了两种插值节点自动选择算法:五次曲线法和六次曲线法。在遵守给定容差下,采用这两种算法总是能取得令人满意的结果,即较少的插值节点数和合理的分布。此外,针对三次样条插值也开发了相应的插值节点选择算法:三次曲线法和四次曲线法。这些算法的开发对于数字化数据处理具有重要意义,也填补了样条插值技术方面的一个空白。 (4)解决自由曲面高速加工中所存在问题的根本途径就是研究开发基于样条的新型曲线实时插补技术,以适应高速加工的特别需求。通过分析认为,五次多项式样条是最能满足自由曲面高速加工需求的样条函数。因此,对基于五次多项式样条的CNC系统通用的NC指令生成与处理技术进行了系统研究,包括基于五次样条的指令生成过程、几何数据处理、速度控制和实时插补技术等,系统地建立了一套比较完整的基于五次样条的CNC理论与方法体系。 (5)开发面向逆向工程的CNC系统是非常必要的,它比传统的逆向工程软件与CNC系统相独立的处理模式相比,具有更大优势。系统研究了逆向工程技术及面向逆向工程的CNC系统,简要介绍了所开发的实用系统的体系结构和功能组成。在此基础上,对五次样条技术在数字化数据处理、曲面NC编程中的应用进行了深入 摘要 探讨,并建立了一种面向自由曲面数控加工的基于五次样条的通用的 NC指令处理 模型,提供了一套有效的全过程应用方法和技术。 (6)STEP-NC(Data model for Computerized Numerical Controllers)是一个新的 CNC数据模型国际标准(ISO 14649),而基于 STEP-NC的 CNC系统(STEP-CNC) 毫无疑问将成为下一代 CNC系统,它必将取代基于 ISO 6983的传统 CNC系统。系 统深入研究了STEPCNC的体系结构及其功能组成,提出了与目前所采用的三种系 统结构不同的更加完善的开放式STEP-CNC系统的结构,即基于SFPS的体系结构。 所提出的体系结构具有以下优点: @更紧密地实现***/***N**M J*NC的功能集成和信息: .应用样条插补技术,从根本上解决自由曲面高速加工中存在的问题; .基于CORBA的组件技术使CNC系统具有良好的开放性; .支持基于internet的网络化协同设计与制造。
【学位授予单位】:西北工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:V261

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