曲面数控加工中面向NURBS刀具路径生成的刀位点分段算法.pdf

曲面数控加工中面向NURBS刀具路径生成的刀位点分段算法

一、引言
-研究背景
-目的与意义
-现有研究问题及不足

二、相关技术和理论
-曲面数学和NURBS基础知识
-数控加工技术与加工路径生成方法
-面向NURBS刀具路径的刀位点生成算法

三、面向NURBS刀具路径的刀位点分段算法
-算法流程设计
-刀位点分布规则分析
-刀位点分段实现方法

四、算法实现与验证
-程序设计与调试
-实验测试与结果分析

五、结论及展望
-研究工作总结
-存在问题及改进方向
-前景与意义

参考文献一、引言

随着现代制造技术的不断发展和进步，数控加工技术越来越广
泛地应用于各种工业制造领域。其中，曲面数控加工技术是一
种常见的高精度零件加工方式，具有加工精度高、加工效率高、
加工自动化程度高等特点。因此，曲面数控加工技术在航空、
机械、模具等制造领域广泛应用。

曲面数控加工的基本任务是将CAD三维模型数据转化为数控
加工机床的G代码，控制刀具轨迹实现加工操作。在曲面数
控加工中，生成高效、准确的刀具路径非常重要，可以直接影
响加工质量和效率。因此，如何将CAD三维模型数据转化为
高效的数控加工机床G代码，逐渐成为曲面数控加工技术中
的研究热点。

NURBS（Non-UniformRationalB-Splines）是一种常用的曲面
表达方法，它在现代制造技术中得到了广泛应用。针对
NURBS接口的刀具路径生成是曲面数控加工的一项重要研究
内容。目前，如何在计算机中精确地表示和绘制NURBS刀具
路径已成为数控技术中需研究的关键。

在曲面数控加工中，如何实现高效的刀位点分段成为研究领域
之一。本论文将针对面向NURBS刀具路径生成的刀位点分段
算法进行研究，为曲面数控加工机床提供高精度的G代码生
成方案。

本文将从以下几个方面展开研究：首先，简要介绍曲面数控加
工技术的发展背景、研究现状及存在问题。随后，探讨本研究
所需要用到的相关技术和理论，包括曲面数学和NURBS基础
知识、数控加工技术与加工路径生成方法、面向NURBS刀具
路径的刀位点生成算法等。再者，提出面向NURBS刀具路径
的刀位点分段算法的原理和实现方法。最后，进行算法实验验
证和分析，总结本研究的结论并展望未来的研究方向。二、相
关技术和理论

2.1曲面数学与NURBS基础知识

曲面数学是曲面数控加工的基础，它研究如何表示、计算和处
理曲面。曲面数学包含了多项式曲面、三角形网格、Bezier曲
面、NURBS曲面等多种曲面表示方法。其中，NURBS是一
种最为常用的曲面表示方法。NURBS是非均匀有理B样条曲
面（Non-UniformRationalB-SplinesSurface）的缩写，它是一
种可控制的曲面表示方法，能够精确表示光滑曲线和曲面。

NURBS曲面的基本元素是控制点、节点矢量和次数。控制点
定义了曲线或曲面的几何形状，节点矢量确定了曲线或曲面的
形状和分段信息，次数定义了曲线或曲面合成的平滑程度。
NURBS曲面的精度可通过调整节点矢量和次数实现。

2.2数控加工技术与加工路径生成方法

数控加工是一种以数图形和数控程序为基础的自动化加工技术。
数控加工过程中，需要将CAD模型转换为数控机床的G代码，
由计算机自动控制机床实现零件加工。加工路径生成是数控加
工的核心部分，它决定了加工效率和加工质量。

加工路径生成方法通常包括两种：一种是离线生成，即先用
CAM软件生成G代码，然后将G代码上传到数控机床执行；
另一种是在线生成，即计算机实时生成G代码，并将G代码
传输到数控机床执行。常用的加工路径生成方法包括先行识别
算法、刀位点算法、曲面切削线算法等。

2.3面向NURBS刀具路径的刀位点生成算法

刀位点是刀具在加工过程中的位置坐标数据。在曲面数控加工
中，NURBS曲面上的刀位点计算是一项重要的技术难题。面
向NURBS刀具路径的刀位点生成算法需要实现以下几个步骤：

（1）通过NURBS曲面的基本元素，推导出切线矢量和法向
单位矢量。

（2）根据机床运动学模型，计算得到NURBS曲面上任意一
点的加工坐标值。

（3）利用二分法等数值计算方法，计算切削刃半径R和刀具
合理进给量。

（4）根据计算所得的坐标值、加工坐标值、刀具半径和进给
量等信息，计算出当前位置的刀位点。

2.4面向NURBS刀具路径的刀位点分段算法

刀位点分段算法是将一个完整的刀具轨迹划分为若干段坐标点
序列的过程。这个算法在面向NURBS刀具路径的切削加工过
程中非常重要。

面向NURBS刀具路径的刀位点分段算法需要实现以下几个步
骤：

（1）将NURBS曲面上的刀位点按照等间距分割的方式，划
分为若干个刀位点。

（2）根据切削力、