数控系统连续微段重构与插补算法

针对目前微段加工所采用的非重构微段加工方法中存在的因加工轨迹与设计曲线轮廓误差较大而产生的轮廓加工精度较低的问题,及因微段节点处速度方向不连续而导致的加工表面质量不高、加工过程机床振动较大的问题,在计算机数控(computerized numerical control,CNC)中采用实时曲线重构与插补算法进行连续微段加工以实现对复杂曲面的高速高精度加工.微段插补技术包括样条曲线的实时重构及递推插补算法,及建立满足插补过程中加减速要求的且可以直接递推的插补样条曲线的重构条件.应用微段曲线重构技术进行的样件数控加工实验中,在保证曲线轮廓加工精度达到微米级精度的同时,加工速度提高了2～2.4倍.实验结果表明,实时曲线重构微段加工不仅可以实现在重构曲线的范围内只进行一次整体加减速的速度规划,提高加工效率,而且加工轨迹的进给速率的衔接平滑、轨迹光滑、表面质量好,并且利用重构的可以直接递推插补的样条曲线,有效解决了复杂算法加工过程中精度与运算速度的矛盾,提高了加工精度.     

数控系统连续微段重构与插补算法研究

针对目前微段加工研究中采用的非重构微段加工方法存在的加工轨迹与设计曲线轮廓误差较大,轮廓加工精度较低,及微段节点处速度方向不连续,因此加工表面质量不高,加工过程机床振动较大的问题。在计算机数控（Computerized Numerical Control,CNC）中采用实时曲线重构与插补算法进行连续微段加工以实现对曲面的高速高精度加工。微段插补技术包括样条曲线的实时重构及递推插补算法,及建立满足加减速要求的可以直接递推的插补样条曲线的重构条件。应用微段曲线重构技术进行的样件数控加工实验中,在保证曲线轮廓加工精度达到um级精度的同时,加工速度提高了2~2.4倍。实验结果表明,实时曲线重构微段加工不仅可以实现在重构曲线的范围内进行整体加减速速度规划,提高加工效率,而且加工轨迹的进给速度的衔接平滑,轨迹光滑,表面质量好,并且利用重构的可以直接递推插补的样条曲线,有效解决了平衡了复杂算法加工过程中精度与运算速度的矛盾,提高了加工精度。     

数控系统新参数域样条曲线加工算法

针对样条曲线参数域与时间域不一致,导致在数控系统的连续微段加工中,重构样条曲线无法快速递推插补,计算效率低;而直接等参数增量递推,又会带来节点速度突变、位置精度差的问题.故提出了实现参数域和插补周期数统一的域变换算法,建立了新参数域下的五次样条曲线,并且给出了基于该曲线的柔性加减速条件下节点切矢量及二阶导矢预计算,及曲线快速递推的算法.应用新算法的微段加工实验表明,加工效率提高了约3.3倍,而递推插补运算时间的减少到直接利用曲线公式插补的1/3.因此算法通过新型样条重构及快速递推提高了插补计算的速度,同时,在保证精度的条件下,基于新样条的速度规划减少了微段加工频繁加减速,提高了加工效率,提升了数控系统的性能.     

基于节点矢量优化的复合材料序列轮廓逼近及重构

针对采用边缘检测方法获得的复合材料第二相颗粒轮廓不规则且光顺性差的特点,利用周期非均匀三次B样条曲线逼近颗粒轮廓.将节点作为变量,提出了一种基于群体增量学习算法的节点矢量优化算法,得到预定控制点条件下误差最小的颗粒轮廓曲线;基于逼近的序列轮廓,采用柔性间距插入节点的方法定义公共节点矢量,根据公共节点矢量对序列轮廓进行相容性处理,利用三次B样条蒙皮算法生成了一张C2连续的张量积B样条曲面来描述复合材料的第二相颗粒.实验结果表明,与遗传算法相比,文中算法在轮廓逼近方面具有更好的鲁棒性和更高的精度,重构出的第二相颗粒光顺性好,效果理想.     

面向高质量加工的NURBS曲线插补算法

通过分析数控系统加工时常用的插补算法的特点,提出一种基于NURBS曲线的插补算法.该算法包括速度规划和实时插补两部分:速度规划部分考虑了工件加工时允许的最大轮廓误差,以保证高速运行过程中加速度的连续,使机床运行平稳,避免产生大的冲击;实时插补部分应用弦截法计算插补参数,能将实时插补产生的速度波动控制到理想水平,进一步减小了机床震颤.仿真实验结果表明,文中算法能够减小机床振动,实现高质量加工.     

数控加工中线性进给率控制研究

首先针对不同加减速架构的混合速度曲线做探讨并模拟其轮廓误差的关系,其次在两个连续路径的加减速规划方面.提出针对CNC伺服系统设计一套以轮廓误差为基础的多种混合速度曲线,不同的混合速度曲线可通过比较转角误差来看到效果,并发展出调整两连续路径的加减速曲线以控制转角误差;最后利用实验来验证本方法的有效性.     

基于Z-map模型的加工区域边界抽取算法研究

为了快速精确地进行加工区域边界抽取,给出了一种Z-map加工模型的加工区域边界抽取算法,该算法首先把Z-map模型下规则网格点阵转化为二元图进行边界抽取;然后以基于段长的方式,逐行扫描步长段,并利用上下行段之间的关系确定段左右节点的连接,以形成有向环,从而确定边界为外轮廓或为内轮廓,该算法时间复杂度为O(n),n为步长段的数量;接着通过对环中段间的连接关系分析,恢复了加工区域完整的边界信息;最后给出了该算法时间与段、行、列数之间的关系,同时与以前的算法进行了比较。结果表明,该算在效率和实施难度上都较以前算法有了一定的提高。     

四元数样条插值的人体运动数据重构

为了得到平滑的人体动画,提出一种基于四元数的样条插值算法,利用提取的关键帧实现人体运动序列的有效重构。为减少重构误差、加快收敛速度,将已知关键帧集合作为初始条件,通过迭代算法求出样条曲线的控制点集合。利用样条曲线控制点计算贝塞尔曲线控制点,构造贝塞尔样条曲线段,将各段贝塞尔样条曲线段组合,构造一条基于四元数的样条曲线。根据德卡斯特里奥（de Casteljau）算法插值重构人体运动。实验结果表明,该算法在保证执行效率的同时,可得到光滑的插值结果,实现满足视觉要求的人体运动重构。     

基于Freeman链码的B样条曲线轮廓拟合

提出了一种Freeman链码与B样条曲线误差控制相结合实现轮廓拟合的算法,首先利用Freeman链码法进行边界跟踪,根据相邻像素点间的不同的链码变化关系,排除伪特征点,提取出轮廓中绝大多数特征点,然后结合基于误差控制的B样条曲线法,取得能够精确表示轮廓信息的特征点。本文算法即避免了使用曲率来进行求取特征点的复杂计算,提高了特征点检测速度,又提取出能够精确拟合轮廓的局部支撑点,实现了基于误差控制的轮廓曲线拟合。实验结果证明了本文算法的正确性。     

基于NURBS曲线直接插补算法的嵌入式数控系统设计与实现

提出了一种结合486SX级别的X86微处理器和可编程逻辑器件CPLD两级控制的嵌入式数控系统设计方案,阐述了该系统的硬件接口电路设计;提出了基于改进S形加减速的NURBS曲线直接插补算法,在满足最大弦高误差、最大法向加速度以及最大进给速度要求的情况下,对插补曲线的加速段和减速段进行速度规划;最后采用基于该插补算法的嵌入式数控系统,在半圆形毛坯上进行了五角星NURBS曲线的实际加工,验证了所设计嵌入式数控系统的可行性和有效性,具有一定的工程应用价值。