基于STEP-NC的NURBS曲面刀具轨迹规划

【摘要】：传统的数控系统是以G、M代码为基础,将曲线＼曲面离散为小直线段＼圆弧段,因为其程序段数多、程序长、频繁的加减速处理,引起机床震动,导致加工效率低下、刀具以及机床寿命降低。采用这种传统的加工方式已经不能适应高速高精度的要求,也不能满足集成化、智能化和网络化发展的需要。以STEP-NC为基础的新一代数控系统被提出并成为必然。这种数控系统在理论上研究较多,离在实践中真正的应用尚有较长的距离。具体表现在：标准的制订仍不够完善；不同应用协议之间的协调；STEP-NC解释器与控制器方面还有待进一步研发；基于STEP-NC数控系统的网络化以及智能化加工。 为此,本文针对基于STEP-NC的新一代数控智能化加工及其最优轨迹规划这一难题展开研究。首先对STEP-NC的数据模型及全球三大开放式数控系统的体系结构进行了了解分析比较,绘出了STEP-NC数控系统的总体功能需求图,确定了为实现“智能数控加工”必须解决的关键难题以及系统应具备的各个功能模块。本文重点针对其中的两大关键技术进行了研究并实现。 第一、设计基于STEP-NC文件信息提取和存储的数据结构模型。这是STEP-NC数控系统的关键技术之一,是数控系统进行智能加工的基础与前提。本文根据NURBS曲线曲面在STEP-NC标准中的数据模型,通过KMP匹配算法将曲面的几何与拓扑信息进行提取,并建立统一的核心数据结构对信息进行存储。并利用OPENGL技术对所提取的信息进行重现,验证所提取信息的正确性。 第二、设计了智能化加工轨迹的算法。最优刀具轨迹规划一直都是数控系统加工的永恒话题,轨迹生成的合理与否关系到加工的质量与效率。利用前面提取的曲面信息通过等参数线法确定合理的加工行距对曲面进行刀具轨迹生成并优化。 本文通过对STEP-NC数控系统的两大关键技术进行研究,在基于VC++6.0平台上开发了三大模块：NURBS曲面信息提取模块、曲面重现模块以及刀具轨迹生成模块。所开发的模块经过实验验证,所提取的信息、走刀轨迹的正确性。通过实例验证,本文所设计的算法正确和可信。本文所设计的信息提取以及刀具轨迹生成方法对实现数控的智能化加工进行了有益的探索。