基于STEP标准的自由曲线曲面插补技术研究

摘要

随着机械制造、自动控制、微电子、数据处理等技术的发展，传统的数控技术即将被新的、开放式的数控技术所取代。在数控系统中，插补功能的优劣直接影响着对CNC控制系统整体性能的评价。由于在现代制造业中，对曲面加工的需求和质量要求不断提高，而传统的以直线、圆弧为代表的插补技术，已经远远不能满足这一需求。因此，需要研究新的自由型曲线曲面插补技术，来改善零件的加工效率和加工质量，以适应现代数控技术的发展要求。 STEP标准是适用于用计算机对产品数据进行表达和交换的一个国际标准系列。标准的目标是建立一种完整的，明确无歧义的，中性的，计算机可处理的标准来表示产品全生命周期的产品数据，并且独立于任何特定的系统。而由于NURBS良好的数学特点，被规定为STEP标准中表述曲线与曲面的性一形式，且在CAD领域，NURBS已得到较好的应用。因此，本文主要基于STEP标准，利用NURBS表述曲线与曲面，在此基础上研究曲线与曲面的插补技术。 本文首先深入分析了STEP标准，着重从STEP标准的组成、结构与内容、EXPRESS描述语言等方面对STEP标准进行研究；同时为了后续工作的开展，从文件的交换形式、文件的结构以及文件中数据段内容分析等方面对STEP标准中关键的STEP中性交换文件进行了研究；采用合并的方式获得STEP标准中NURBS曲线与曲面的数据模型，进而将EXPRESS中的相应实体类映射到C++中的类，在此基础上，利用VC++开发出提取NURBS曲线与曲面相关几何信息的系统。 在NURBS曲线插补技术研究中，首先对提取出的有关NURBS曲线的几何数据进行了插补前的预处理。在等弧长插补思想的基础上提出了一种新的NURBS曲线插补算法，该算法能够综合考虑精度要求，根据曲线曲率的变化自动调节进给速度，从而实现对曲线的均匀插补。同时对插补过程中的实时加减速控制方法进行了研究，采用一种适用于NURBS曲线高速加工的新型柔性加减速算法，保证了加速度和加加速度的平稳变化。 在NURBS曲面插补技术研究中，首先介绍并比较了目前曲面加工中几种常见的刀具轨迹生成算法。在等参数线算法的基础上引出自调节等参数线算法。对算法中确定两条相邻子等参数线间距离的方法进行了简化，并对该算法的整个流程进行了总结。该算法能够将两条刀具轨迹间的距离实时控制在一定范围内，并且能够均匀地布满整个曲面，具有较小的误差。

目录

文摘

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声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2数控技术的发展历程

1.2.1硬件数控(NC)阶段

1.2.2计算机数控(CNC)阶段

1.2.3新一代计算机数控阶段

1.2.4国内数控技术的发展状况

1.3数控机床和数控系统的发展趋势

1.3.1性能发展趋势

1.3.2功能发展趋势

1.3.3体系结构发展趋势

1.4数控插补原理

1.4.1脉冲增量插补

1.4.2数据采样插补

1.5曲面加工概述

1.5.1传统曲面加工

1.5.2 NURBS插补的提出

1.5.3曲面直接插补技术的研究现状

1.6本研究课题主要内容及意义

1.6.1课题研究内容

1.6.2课题研究意义

第2章 STEP标准与STEP中性交换文件

2.1 STEP标准概念

2.1.1 STEP标准组成部分与结构

2.1.2 STEP标准的内容

2.1.3 STEP描述语言EXPRESS

2.2 STEP中性交换文件

2.2.1文件交换的实现形式

2.2.2 STEP中性文件结构

2.2.3 STEP中性交换文件数据段分析

2.3本章总结

第3章 NURBS曲线曲面几何信息提取

3.1 STEP标准中NURBS曲线与曲面的数据模型

3.1.1 STEP标准中NURBS曲线数据模型

3.1.2 STEP标准中NURBS曲面数据模型

3.2 STEP中性交换文件中NURBS曲线与曲面信息提取

3.2.1 STEP标准中实体到C++类映射的实现

3.2.2信息提取过程的实现

3.3本章总结

第4章 NURBS曲线插补技术研究

4.1 NURBS曲线数学定义

4.2NURBS曲线几何数据插补前预处理

4.3 NURBS曲线插补算法提出

4.3.1等弧长插补算法思想

4.3.2等弧长插补步长计算

4.3.3插补精度考虑

4.3.4实时进给加减速控制

4.3.5算法流程图

4.4实例验证

4.5本章总结

第5章NURBS曲面插补技术研究

5.1目前常见的刀具轨迹生成方法

5.1.1参数线法

5.1.2 CC路径截面线法

5.1.3 CL路径截面线法

5.2 NURBS曲面数学定义

5.3 NURBS曲面插补算法

5.3.1算法基本思想

5.3.2算法流程图

5.4实例验证

5.5本章总结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢