NURBS直接插补技术中快速求值求导算法

为了提高NURBS直接插补算法的实时性,研究了NURBS曲线和曲面的快速求值与求导计算算法.根据de Boor-Cox的非均匀B样条求导的递推公式,提出了一种快速递推算法.该算法基于NURBS曲线、曲面的矩阵表示形式,推导了非均匀B样条基函数的系数矩阵快速计算方法.与传统de Boor-Cox等算法相比,该算法推导简单,计算快速,有利于提高计算速度,缩短插补周期,提高插补的实时性.另外,该算法还可用于计算非均匀B样条曲线、曲面,并且可用于计算机辅助几何设计的相关研究.     

关于NURBS曲线插补算法的研究与改进

在分析NURBS曲线现有插补算法的基础上,着重研究了三次NURBS曲线实时插补技术。针对部分算法的不完整或效率低,提出了一种简单快捷的插补算法。采用NURBS曲线的矩阵表达式,将整个插补过程分解为插补预处理和实时插补。在插补预处理中完成了大量的计算,预处理的计算结果直接应用于实时插补,使插补算法满足了NURBS曲线插补的实时性要求,再辅以必要的轮廓误差控制,实现了加工速度自适应于加工路径的NURBS曲线直接插补。     

基于Runge-Kutta的NURBS曲线实时前瞻插补算法

针对传统的NURBS曲线加工过程中插补算法插补参数计算精度低、实时性不高以及加速度过大对机床造成的冲击大的问题,提出了基于Runge-Kutta的NURBS曲线实时前瞻插补算法.该算法采用经典Runge-Kutta方法计算插补参数,基于弓高误差和法向加速度约束条件自动调整进给速度,根据进给步长预期值与实际值的偏差进行参数校正.由粗插补得到的离线数据寻找进给速度极值点,并对曲线进行前瞻分段,找到各前瞻插补区间上的首末速度敏感点.根据敏感速度与插补距离之间的关系重新进行加减速控制,避免速度急剧变化,从而满足机床的加减速性能要求.最后,通过Matlab仿真验证了算法的有效性.     

NURBS曲线插补的离散比例积分器速度规划算法

传统NURBS(Non-uniform rational B-spline,NURBS)曲线插补算法忽略了弧长与曲线的参数关系,造成无法在线对速度进行实时调节,针对这个问题,该文提出一种NURBS曲线插补的离散比例积分器速度规划算法.该方法分2个步骤实现速度规划:①使用数值方法计算NURBS曲线弧长及给定速度的运行时间;二、使用具有加减速的对称性和信号转换功能的离散比例积分器,完成对NURBS曲线插补的在线速度规划.在离散比例积分器的速度规划方法中,起始段、结束段的轨迹速度能够得到实时控制,系统以不超过机床要求的加速度运行.实验结果表明,该文速度规划算法能有效地满足系统约束,保证机床平稳运行.另外,相较于其他算法,该文算法在插补精度、插补实时性及速度波动率性能方面优于现有方法,说明该文方法的有效性和先进性.     

一种实时前瞻的自适应NURBS插补算法

在考虑速度稳定性和加工误差精度的基础上,设计了一个非均匀有理B样条曲线(Non-Uniform Rational B-Spline,NURBS)的实时自适应插补系统.开发的插补系统能够在大部分的插补过程中保持进给速度稳定,并且根据曲线的形状,自适应地调整进给速度,通过一个实时的前瞻加减速处理模块,在速度变化敏感区对加减速进行处理,同时满足了机床加减速能力的要求.通过NURBS曲线插补仿真计算的例子,显示了开发的实时自适应插补系统能够满足高速高精度插补的要求,验证了所设计的实时前瞻自适应NURBS插补算法的可行性.     

面向五轴加工的双NURBS曲线插补算法

采用双NURBS曲线进行五轴联动直接插补来基本消除非线性误差的方法,给出以双NURBS曲线模型进行恒定进给速度插补的算法.将该算法与传统的线性插补方法产生的非线性误差进行了仿真分析,结果表明,该算法能有效控制非线性误差,使五轴数控系统具有高速复杂轨迹运动控制能力.     

改进的预估校正NURBS实时插补算法

现行的NURBS插补二阶预估公式不能保证插补过程中参数u的单调性,可能会出现插补方向反转,且其迭代过程在NURBS曲线尖角拐角处不一定收敛.为此,文中提出了一阶预估校正算法:采用一阶预估公式计算NURBS参数u的估计值,再迭代计算NURBS曲线的坐标点,直到满足插补精度为止.测试结果表明,文中算法可以保证插补过程中参数u的单调性,消除插补方向反转的现象,其速度精度与二阶预估公式相同,但迭代次数有所增加.     

S型速度规划下NURBS曲线双向插补算法

为了避免NURBS曲线单向插补算法中加速度突变过大、减速点定位不准确、低速拖尾补偿等弊端,提出一种S型速度规划下的双向插补算法.基于曲线预插补点自适应速度集合筛选出减速终点;利用正反插补的互逆性简化了S型速度规划计算;详细论述了实时插补流程;在双向插补交叉区域,设计一种基于加速度微小突变的简易迭代方法修正预插补参数.通过MATLAB仿真实验表明该算法计算量小,插补点速度和加速度平稳,插补曲线满足加工误差要求.     

泰勒展开NURBS曲线插补算法

分别利用一阶、二阶泰勒展开公式逼近NURBS样条参数,对NURBS曲线插补算法进行了研究.算例证明该算法可以获得与指令速度几乎完全一致的插补结果.给出了一阶、二阶泰勒展开方法的速度波动与曲率的关系,弦误差与插补周期的关系.指出泰勒方法NURBS曲线插补对于误差控制是一种开环方法,但是它忽略了机械系统的输出能力,当机械系统的输出能力不足时将会出现较大的加工误差.     

五轴联动刀具路径非均匀有理B样条曲线插补技术

针对复杂曲面五轴加工直线圆弧插补的不足,对五轴加工非均匀有理B样条曲线(non uniform rational B spline,NURBS)插补算法进行相关研究,同时对NURBS插补过程中插补点的曲率分析计算,推导出插补误差与进给速度的关系,实现用进给速度对插补误差自适应地调整。最后,针对双转台五轴数控机床,基于IMSPOST开发了具有NURBS插补的专用后置处理器,实现了NC程序的输出。实验结果表明:该技术方法提高了刀具运动平稳性和加工精度,优化了加工精度与加工效率,为五轴NURBS插补加工提供了理论指导。     

三维曲线轨迹插补的研究

为了实现数控机床空间三维曲线轨迹插补,提出了两种高效准确的插补算法.隐式方程曲面交线采用进给选择原理的插补算法;参数方程空间曲线采用小直线段逼近的插补算法.仿真实验表明,这两种方法对插补空间曲线具有高效的优点.     

连续时间周期化的NURBS曲线插补及其速度规划

根据机床动力学性能,提前预测NURBS曲线插补时的速度极小值点,以这些点为基准将曲线分段,同时估算每条子曲线的长度.利用捷度阶跃式7段S型加减速规律对每条子曲线进行连续时间域下的速度规划,以插补总时间周期化为原则对连续时间域下的加减速各阶段运行时间做周期化离散处理.为了减小子曲线间衔接速度的波动,提出连续时间域运行时间重新规划的方法.为了减小NURBS曲线实时插补时的速度波动率,提出利用反向二次插补法进行实时插补计算,该方法不需要迭代计算且计算精度较高.仿真实验结果表明,连续时间域重新规划和周期化离散处理方法能够实现捷度满足机床性能要求的S型加减速速度规划,且实时插补阶段的速度波动率能够达到10-6级.     

复杂空间参数曲线加工的插补算法

以一阶泰勒展开式插补算法和平面参数曲线插补算法为基础，提出引入误差补偿值的复杂空间参数曲线插补算法（IAIECCS）．该算法是在粗确定插补点参数后，引入误差补偿值，通过求解矩阵方程提高插补点的计算精度．根据IAIECCS算法与一、二阶泰勒展开式算法在对插补点参数值计算时产生误差的原因，给出3种算法的插补点参数值误差表达式．Nurbs曲线仿真实例表明该算法所计算的插补点参数值误差小，实时性好．     

NURBS曲线机床动力学特性自适应直接插补

提出了一种具有机床动力学自适应能力与曲线前瞻控制能力的NURBS曲线插补算法．算法通过分析加工曲线的几何特征与机床的动态特性,获取曲线插补的前瞻控制信息;并用于指导实时插补．整个插补分两个阶段,首先通过曲线性态与机床特性,运用遗传算法,获取曲线中特殊点的信息,作为曲线插补的前瞻控制信息;然后依据此信息,在实时插补中对插补速度进行校验调整,实现高速曲线插补．该算法较目前同类算法有三个优点：具有机床适应性,能在不同的机床上均可加工出高质量的工件;加工轮廓精度高,进给速度可随曲线曲率自适应调整,保证了插补的轮廓精度;速度波动小,既保证了加工件的表面质量,又避免对机床造成过量冲击．     

五轴联动刀具路径NURBS插补技术

针对复杂曲面五轴加工直线圆弧插补的不足,对五轴加工NURBS插补算法进行相关研究,同时对NURBS插补过程中插补点的曲率分析计算,推导出插补误差与进给速度的关系,实现用进给速度对插补误差自适应地调整。最后,针对双转台五轴数控机床,基于IMSPOST开发了具有NURBS插补的专用后置处理器,实现了NC 程序的输出。实验结果表明：该技术方法提高了刀具运动平稳性和加工精度,优化了加工精度与加工效率,为五轴NURBS插补加工提供了理论指导。     

插补方式对自由曲面精加工质量的影响

各种复杂的自由型曲线和曲面被广泛应用在矿山设备、汽车、航空航天等多个领域,自由曲面一般采用数控方式进行加工。针对曲面数控精加工表面质量不易满足要求的问题,文中对比研究了不同的插补方式对自由曲面表面加工质量的影响。应用3次NURBS曲线反求的方法,对一组已知的离散型值点进行拟合,计算出该拟合曲线的节点矢量和控制顶点,并在MATLAB中生成相应的NURBS曲线;按照FANUC数控系统的格式要求编写直线插补、直线-圆弧插补和NURBS插补3种不同插补方式的数控加工程序;调用3种不同的数控加工程序在数控机床上对经过预处理的工件进行精加工,然后使用表面粗糙度仪对精加工完成的曲面轮廓进行测量,获得相应的粗糙度值。对比分析直线插补、直线-圆弧插补和NURBS插补等3种不同插补方式刀具路径实际加工完成的曲面轮廓粗糙度值,结果表明NURBS插补刀具路径可以明显改善曲面精加工轮廓的光顺性,改善表面加工质量。NURBS插补能够适应数控高速加工的要求,很好地满足自由曲面高速高性能数控加工的需求。     

基于Gauss-Legendre求积的参数曲线实时插补

提出一种基于Gauss-Legendre求积和多项式插值的复杂参数曲线（包括高次多项式曲线、Bezier曲线、B样条曲线、NURBS曲线等）实时插补算法。该算法分插补预处理和实时插补两大部分，首先通过auss-Legendre求积公式计算曲线的弧长，然后将曲线按参数范围等分成若干区间，建立等分点参数值与弧长的对应表，再按多项式插值的方法计算各插补周期末的曲线参数值。文中还对曲线插补中进给速度平滑控制和减速点参数值的预测作了详细分析。对扩充数控系统的轨迹控制功能，简化零件程序，提高加工精度具有重要的意义。     

多约束条件的NURBS曲线自适应前瞻插补算法

针对数控系统加工过程中的刀具抖动和机床震荡等问题,提出多约束条件的NURBS曲线自适应前瞻插补算法.在预处理阶段,根据曲率变化对NURBS曲线进行分段,速度规划采用改进正弦三角函数加减速算法,获取连续和平滑的加加速度曲线;综合NURBS曲线弓高误差、最大法向加速度和加加速度以及机床动力学等多约束条件对进给速度进行自适应...     

基于微粒群算法的NURBS曲线降阶

从最优化思想出发,把NURBS曲线的降阶问题转化为求解优化问题,并基于微粒群算法,给出NURBS曲线降阶的一种新方法.该方法可以实现多次降阶,且降阶后的NURBS曲线直接以显式给出.     

预估校正NURBS实时插补算法的改进

预估校正算法是一类典型的NURBS插补算法,稳定的预估公式和明确的迭代收敛条件是该算法的关键;数学推导证明,现行的二阶预估公式不能保证插补过程中参数u的单调性,插补时将出现方向反转现象;该方法的迭代收敛条件不可能总是成立,在NURBS曲线尖角拐角处可能造成迭代过程发散。本文提出的一阶预估公式可以保证插补过程参数u的单调性,消除插补方向反转现象,和二阶预估公式比较,迭代次数有所增加,速度精度不变。