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1、数控机床的插补运算,PPT模板下载：行业PPT模板：节日PPT模板：素材下载：PPT背景图片：图表下载：优秀PPT下载：教程：Word教程：教程：资料下载：课件下载：范文下载：试卷下载：教案下载：,目录,数控技术的发展历程插补的含义NURBS插补曲面插补高速高精度采样插补技术数控技术的发展趋势,数控技术发展历程,从1952年诞生世界上第一台数控铣床开始到现在,数控技术的发展大致经历了两个阶段和六个时代。,1、NC阶段：随着电子器件的发展,NC阶段的数控系统经历了三个时代:第一代数控:1952一1959年采用电子管构成数控系统。第二代数控:从1959年开始采用晶体管构成数控系统。第三代数控:从1
2、965年开始采用小、中规模的集成电路。以上所述的三代数控系统,机床的各项功能控制,都是由硬件逻辑完成的,因此称它们为“硬线”数控(亦即NC)。NC一经设计之后,就无法进行更改,而且电路复杂,难于编程,限制了其进一步的发展和应用。,2、CNC阶段1970年,在美国芝加哥机床的博览会上,展出了由小型计算机为核心的计算机数控系统(CNC),标志着数控系统进入了以计算机为主体的第四代。1974年,出现了以微处理器为基础的CNC,象征着数控系统进入第五代。1977年,美国麦道飞机公司推出了多处理器的分布式CNC系统,使CNC进入第六代。其特征是大规模集成电路,大容量高可靠的磁泡存储器的应用,可编程接口和
3、为FMS用的遥控接口,控制功能更为完备,基本上完成了标准型单机系统的开发。,插补在数控技术中的重大作用,插补控制功能是数控制造系统的一个重要组成部分，是数控技术中的核心技术。它的性能直接代表制造系统的先进程度，它的好坏直接影响着数控加工技术的优劣，是目前数控技术急需提高和完善的环节之一。,插补的含义插补，就是根据零件轮廓的几何形状、几何尺寸以及轮廓加工的精度要求和工艺要求，在零件轮廓的起点和终点之间插入一系列中间点（折线端点）的过程，即所谓“数据点的密化过程”，其对应的算法称为插补算法。,插补分类,NURBS插补,NURBS曲线由以下三个参数定义：l)控制顶点确定曲线的位置，通常不在曲线上。2
4、)权因子w，确定控制点的权值，它相当于控制点的“引力”，其值越大曲线就越接近控制点。3)节点矢量NURBS曲线随着参数的变化而变化，与控制顶点相对应的参数化点，称为节点，节点的集合称为节点矢量。若将定义NURBS曲线的三个参数(控制点、权值、节点矢量)作为NC程序指令的一部分，让CNC在内部计算并生成NURBS曲线，并按照该NURBS曲线醚动机床动作，加工出NURBS曲线的形状，这就是NURBS插补。,NURBS曲线理论,1.NURBS曲线插补的数学模型,一条次NURBS曲线可以表示为一分段有理多项式矢函数:,式中:(=0,1,)为权因子,分别与控制顶点(=1,2,)相联系;是由节点矢量=。按
5、德布尔-考克斯递推公式决定的次规范样条基函数。递推公式为:,10,2.插补的预处理插补就是求出每个周期下一个插补点的坐标,用递推算法最为合理,为避免每步插补的重复递推,以免影响插补的实时性,经典的DeBoor递推算法的显示表示方法最为合适。在不影响精度的情况下,为避免繁琐的计算,采用三次NURBS曲线。其第段曲线用下式表示:,0t1，i=0,1,2,3n-3,其中:是只与节点向量相关的常数距阵,在系数计算中,控制点和权因子都是已知的,所以,vvvvvvvv 与参数无关,在实时插补计算时只需要计算插补变化量t就可以,因此减轻了复杂的计算,加快了计算速度。,3.泰勒展开的NURBS曲线插补及实现N
6、URBS曲线插补算法将定义NURBS曲线的三个参数(控制顶点、权因子、节点矢量)和进给速度等作为NC程序指令,在CNC系统内部生成NURBS曲线,驱动机床动作,加工出NURBS曲线的形状,即为NURBS曲线插补。在参数空间中,曲线轨迹参数的插补计算可由二阶泰勒级数表示:,其中:,插补周期,根据微分几何知识,曲线上第个插补点的瞬时速度为,由于插补周期非常小,每个周期内刀具走过的距离也非常小,可近似认为其与该圆弧段的弧长相等,则瞬时速度 V（t）近似为机床进给速度。,4.算法的实现根据数据采样插补法,实时插补的任务是根据给定的进给速度产生插补直线,用以逼近实际曲线,求得各坐标轴的进给增量。计算公式
7、为:,其中 为进给步长,由于CNC系统的插补周期已知,为实时插补当前的速度为,则当前插补周期的无约束进给步长为:,与直线插补对比NURBS插补的优点,在NURBS插补时，在NC程序指令中，只有三类定义NURBS的数值，没有必要用大童的微小直线段的指令。此外，由于不是直线插补，而NC自身可以进行NURBS曲线插补，可以得到光滑的加工形状，从根本上解决直线插补加工所带来的问题。NURBS插补的优点主要体现在:,3)可以缩短加工时间，直线插补加工时为降低直线端的速度冲击，数控系统的待加工轨迹监控功能(即“前馈”功能)在直线端不断加减速，而NURBS插补在机械允许的速度矢量方向变化的加速度范围内，无需
8、加减速，提高了加工速度。在高速加工时，一般的CNC系统的NC代码块处理能力往往跟不上代码段高速加工速度，要么降低了加工速度，要么为保持高速牺牲精度(增加直线段长度进而提高代码执行时间)，而一段NURBS插补刀轨位移往往包含10-100段线性刀轨的位移，降低了对CNC的NC代码块处理能力的要求，因而往往能满足高速加工的要求。4)改善了表面质量，NURBS插补避免了以直代曲，容易获得光滑的加工形状，因此可以减少手工光整加工时间，提高了工件加工精度。此外.NURBS曲线插补还带来了相关的优良加工特性，如实现无手工打磨的高质量、光滑的精加工。最大地利用高速数控加工机床的CNC特性。刀具切削力稳定，延长
9、刀具寿命，可直接利用CAD/CAM的NURBS曲线生成相应的刀轨文件等。,2)无需向NC进行高速的程序传输,由于数控系统的内存有限，往往要求在加工过程中分批将数控加工代码输人数控系统。DNC是通过串行通信实NC代码传输，传输速度一般在110-38400波特率之间，最常用的4800波特率。若按每段NC代码平均20个字符，DNC传输速度为每秒960个字符，则每秒只能传输48段NC代码，实际传输速度只能达到理论值的一半左右。在这种情况下，若NC代码段定义的位移为0.25mm,DNC能满足的加工进给速度是360mm/min,根本满足不了高速加工的要求，从而影响加工速度使机床的性能难以得到充分发挥。解决
10、这一间题的方法，一是采用NURBS刀轨，二是采用计算机数控系统网络(DCN)，DNC传输速度是DNC传输速度的1000倍左右。,l)程序段变少,在复杂形状零件的高速加工中，采用直线段逼近零件形状，为保证加工精度每段NC代码定义的位移较小，因而NC代码变得非常庞大，三维零件的NC代码一般要比NURBS刀轨长10100倍。,数控技术的发展趋势,1、性能发展方向(1)高速度、高精度、高效率化是机械制造技术的关键性能指标；(2)柔性化；(3)工艺复合性和多轴化；(4)实时智能化；2功能发展方向(l)插补和补偿方式多样化；(2)用户界面图形化；(3)科学计算可视化；(4)内装高性能PLC；（5)多媒体技术应用3、体系结构的发展(l)集成化；(2)模块化；(3)网络化；(4)通用型开放式闭环控制模式,
