鄭伶俐

摘要：數(shù)控加工是機(jī)械制造行業(yè)非常重要的加工方式，適合加工一些形狀不規(guī)則、精度要求高的工件，特別是曲面形狀的零部件，傳統(tǒng)的數(shù)控加工方式主要采用直線圓弧插補(bǔ)的方式進(jìn)行，但是這種方式存在程序復(fù)雜、增降速頻繁、表面粗糙等問題，為此，提出了采用NURBS曲線插補(bǔ)方法進(jìn)行曲面零件的加工，并通過實(shí)踐驗(yàn)證有效證明了NURBS曲線插補(bǔ)方法能夠有效的提高零件加工精度與表面質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：NURBS;曲線插補(bǔ);數(shù)控

0? 引言

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國的汽車、輪船以及航天等領(lǐng)域獲得了飛速發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多形狀不規(guī)則、十分復(fù)雜的曲面型零件，對曲面加工尺寸精度以及表面處理標(biāo)準(zhǔn)要求更加苛刻，目前要加工曲面形狀的機(jī)械部件主要采用插補(bǔ)的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)較快的加工速度以及良好的加工精度。在很早的時候數(shù)控機(jī)械主要是將圓弧曲線等效為若干個微小的線段，通過這種方式完成插補(bǔ)加工，但是這種方式存在一定的問題，突出表現(xiàn)為程序十分復(fù)雜、機(jī)器增降速過多、限制進(jìn)給速度與加工品質(zhì)一般等[1]。NURBS曲線是一個自由型參數(shù)曲線，利用NURBS插補(bǔ)技術(shù)對曲線加工零件數(shù)控程序進(jìn)行改善，選擇科學(xué)的擬合精度參數(shù)，提高車床進(jìn)給速度，通過NURBS曲線插補(bǔ)方法能夠獲得很好的加工精度，降低數(shù)控加工程序的復(fù)雜性，并很好保證了設(shè)備的運(yùn)行平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了零部件加工速度與精度的共同提升。

1? NURBS曲線插補(bǔ)定義及程序設(shè)計

1.1 NURBS曲線插補(bǔ)定義

NURBS中文名稱為非均勻有理B樣條。一個p階NURBS曲線的定義為[2]：

上述公式中，Pi表示為控制點(diǎn);ωi表示為權(quán)值;Ni，p（u）表示為p階B樣條基函數(shù)，其節(jié)點(diǎn)向量可以表示為[3]：

1.2 NURBS曲線插補(bǔ)程序設(shè)計

在數(shù)控加工中使用NURBS曲線插補(bǔ)方法時，必須要同時和計算機(jī)輔助軟件CAD/CAM共同應(yīng)用，通過計算機(jī)輔助軟件輔助NURBS完成加工零件模型的創(chuàng)建以及程序的生成，另外還要保證NURBS曲線插補(bǔ)處理的數(shù)控程序能夠與數(shù)控設(shè)備CNC系統(tǒng)相兼容[4]?，F(xiàn)階段不同類型的數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)所能夠識別的NURBS程序格式也不一樣，所以為了確保NURBS曲線插補(bǔ)技術(shù)能夠順利的應(yīng)用到數(shù)控加工制造中，必須要建立穩(wěn)定、有效的程序傳輸通道，保證數(shù)控程序能夠順利的從CAD系統(tǒng)，經(jīng)過CAM系統(tǒng)，最終到達(dá)CNC系統(tǒng)，如圖1所示為數(shù)控加工NURBS曲線數(shù)據(jù)輸送路徑。

2? 基于NURBS曲線插補(bǔ)方法的數(shù)控加工品質(zhì)分析

在進(jìn)行曲線型零件加工時，通常是將零件曲線部分劃分成無數(shù)個微小的線段或者采用擬合曲線方法進(jìn)行加工，但是存在加工精度不高、程序復(fù)雜以及加工不穩(wěn)定等問題，而NURBS曲線插補(bǔ)技術(shù)在傳統(tǒng)的插補(bǔ)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化與升級，提高了曲線擬合計算的精度，改善了數(shù)控加工零部件的尺寸精度與表面質(zhì)量，也能夠更好的加工曲面形狀復(fù)雜，并保證優(yōu)異的加工精度[5]。為了進(jìn)一步驗(yàn)證NURBS曲線插補(bǔ)加工對數(shù)控加工品質(zhì)的影響，本文采用了實(shí)踐驗(yàn)證的方式探索了NURBS曲線插補(bǔ)與直線圓弧插補(bǔ)兩種加工方法，分別進(jìn)行橢圓曲線以及花瓣曲線的數(shù)控切削加工，最后對兩個產(chǎn)品的加工品質(zhì)進(jìn)行判定[6]。在使用NURBS曲線插補(bǔ)方法進(jìn)行曲線零部件數(shù)控加工時，需要事先準(zhǔn)備好加工的配件，保證加工過程的真實(shí)性，如表1所示為NURBS曲線插補(bǔ)加工試驗(yàn)參數(shù)。

采用NURBS曲線插補(bǔ)方法與直線圓弧插補(bǔ)方法進(jìn)行曲面零件的加工，前者完成花瓣曲面的加工用時8min17s，而后者加工時間為19min49s，由此可以看出加工相同的花瓣曲面NURBS曲線插補(bǔ)方法比直線圓弧插補(bǔ)方法節(jié)省了58.2%的時間，如圖2所示。

對比NURBS曲線插補(bǔ)方法與直線圓弧插補(bǔ)方法加工完成的工件質(zhì)量，從中可以看出采用NURBS曲線插補(bǔ)方法得到的零件加工精準(zhǔn)性好，與三維建模的圖形相似度較高，而采用直線圓弧插補(bǔ)方法加工的零件尺寸偏差較大且加工表面粗糙度較差。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是由于在利用傳統(tǒng)直線圓弧插補(bǔ)方式進(jìn)行曲面零件加工時，通常是將曲面線條劃分為許許多多微小的線段或者若干個小圓弧段，從而產(chǎn)生一定的擬合偏差，在高速機(jī)床設(shè)備加工過程中需要往復(fù)的增減速度，無法很好的保證機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)速度的連續(xù)性，導(dǎo)致機(jī)床加工中產(chǎn)生較大的振動，最終導(dǎo)致直線圓弧插補(bǔ)方法加工的圓弧曲面表面粗糙度較差。采用NURBS曲線插補(bǔ)方法進(jìn)行零件曲面加工時，由于自身擁有優(yōu)異的曲面擬合性能以及高階連續(xù)加工特征，從而保證曲面加工的精度和表面粗糙度，保障了機(jī)車設(shè)備運(yùn)行過程中的平穩(wěn)性，實(shí)現(xiàn)機(jī)床高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下還能夠保證較高的加工精度[7]。

3? 結(jié)語

綜上所述，提高數(shù)控加工品質(zhì)對于促進(jìn)我國機(jī)械制造行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展具有重要的作用，利用NURBS曲線插補(bǔ)方法能夠有效的解決程序發(fā)展、速度增減頻繁、車床設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定等問題，實(shí)現(xiàn)曲面零件加工速度與品質(zhì)的共同提升。

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