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面向STEP-NC的NURBS曲面加工刀具轨迹算法的研究

易慧敏  
【摘要】:随着IT及制造全球化的发展,加工智能化和网络传输效率的要求越来越高。以用于定义刀具的运动和低层次简单切换编程的ISO6983接口带来的系统之间不兼容、编程困难、智能化程度低等诸多问题大大限制了现代化生产中CNC的发展,完全体现不出IT(信息)技术与MT(制造)技术的结合。因此,一种新的数据模型和新的数控编程方法STEP-NC被提出来。它是数据转换标准STEP向CNC领域的延伸的结果,重新制定了CAD/CAM与CNC之间的接口。与此同时,NURBS (Non-uniform Rational B-Spline)方法以其既能描述自由型曲线曲面,又能精确表示二次曲线弧与二次曲面等良好的数学特点,被规定为STEP标准中表述曲线与曲面的唯一形式。STEP-NC数控系统的一个显著的特点就是支持复杂曲面的加工,支持样条曲线插补,使得STEP-NC数控系统对曲面加工刀具轨迹技术也有了新的要求。另外,随着曲面类零件的广泛应用,急切地需要一种新的轨迹表达方法来改善曲面零件的加工质量和加工效率,以适应现代化的发展。NURBS刀具轨迹不仅可以提高表面光顺性和加工效率,而且大大增添了系统平稳性。因此,本文以NURBS曲面为例,来研究面向STEP-NC的加工刀具轨迹生成技术,由于NURBS有良好的数学特性,本文提出对NURBS曲线刀具轨迹生成算法并进行实例分析。 本文首先在深入分析了STEP标准中NURBS曲线曲面的数据模型的基础上,将文件中相应的EXPRESS实体映射为C++类,在VC++开发了一个小系统进行NURBS曲线曲面几何信息的提取;通过曲面重现的环节验证信息是否提取正确;然后将提取出的数据进行几何信息处理,计算出曲面表达式,为后续的刀具轨迹规划做准备。 在NURBS曲线的刀具轨迹技术研究中,本文在参数线算法的基础上提出了一种以控制u、v方向同时变动的刀具轨迹生成算法,求得曲面上的刀触点轨迹表达式;由于NURBS表达形式的几何属性决定了以NURBS形式表示的自由曲线曲面在等距偏移后生成的新的曲线曲面不再具有与原曲线相同的NURBS表示形式。因此,无法直接得到刀位点轨迹线。于是将曲面导入MASTECAM软件中输出小直线段表示的刀位文件,然后提取出刀位点进行NURBS曲线插值拟合,即轨迹反求,以获得NURBS表达的刀具轨迹。 因此,研究NURBS曲线的刀具轨迹技术不仅能够为现有数控系统加工复杂曲面提供扩展功能,而且还可为下一代数控系统STEP-NC的开发提供核心技术支持,从而为实现网路化制造提供了坚实的基础。不难想象,在基于网络化制造的考上,大量的数字化产品模型数据库将会出现,数字制造更趋多元化。


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