用Visual Basic语言来实现非圆曲线的逼近.pdf
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1、目录一.概述.31.1.数控机床课程设计的目的.31.2.课程设计的任务与要求.31.3.课程设计的步骤.31.4非 圆弧曲线逼近应用及国内外发展现状.4二非圆弧逼近设计思路.42.1.概述.42.2.用直线段逼近非圆曲线.42.2.1等间距法直线段逼近的节点计算.52.2.2等弦长法直线段逼近的节点计算.62.2.3等误差法直线段逼近的节点计算.82.3.流程图.9三.软件的介绍.103.1开发工具与语言.103.2 人机界面的确定.113.3 软件设计原则及进度规划.113.4.主界面的介绍.113.5.输出结果.12四.课程总结.14五.参考文献.15六.主要程序附录.16摘要非圆曲线是
2、数控加工中经常遇到的问题,在编制加工程序过程中,经常要转换成用直线 或圆弧逼近的曲线后方能加工。转换的一般类型有直线逼近和圆弧逼近两种。直线逼近又 有等间距法、等弦长法、等误差法等。本文介绍了一个以Visual B asic6.0为开发工具,进 行数控编程中非圆曲线的节点坐标运算的软件。以抛物线、椭圆、双曲线为例讨论了等间 距法直线逼近的原理、程序流程以及将计算所得的节点坐标数据在Visual B asic6.0中绘制 成非圆曲线的方法。关键字:非圆曲线节点逼近1.课程设计的任务:用计算机高级编程语言(如VB,VC+等)来实现非圆曲线的逼近,可任选(1)直线逼近(如等间距法、等弦长法、等误差法
3、等)、或(2)圆弧逼近。要求在满足允许误差的前提 下,使得逼近的直线段或圆弧段的数量最少(即最优解)。具体的要求如下:(1)列出一般的直线或圆弧逼近的算法(流程图)。(2)列出改进的直线或圆弧逼近的算法(流程图)即优化算法。比较改进前与改进后 的两种算法结果。(3)针对任意给定的某一由非圆曲线所构成的平面轮廓,根据指定的走刀方向、起刀点,自动生成CNC代码的生成。(4)在屏幕上显示该非圆曲线所构成的平面轮廓。第一章概述1.1、数控机床课程设计的目的数控机床课程设计是机电专业教学活动的一个重要的实践性环节,是对学生所学数控 机床课程和其它有关课程知识和技能的一次综合性练习,旨在使之巩固、充实、系
4、统 化,并得到进一步扩展。课程设计是培养学生理论联系实际、解决生产实际问题的机会。通过对数控铳床典型部件的结构设计和零件编程的具体问题的解决,使学生对数控机床 的结构原理、设计方法以及用编程方法处理实际问题的一般步骤和具体技巧得到训练,提高运用所学专业知识分析问题和解决问题的能力。1.2、课程设计的内容和要求每个学生应该在规定的时间内,独立完成所选的题目,对于做机械结构设计的学生,要求用计算机绘图方式绘制有关的总装图(A0或A1图纸一张)和不少与三张的零件图。设计说明书5000字以上,要求装备图充分表明整机或部件的工作原理及结构,装备关系 明确,画面整洁,布局合理。线条粗细均匀,圆弧连接光滑,
5、尺寸标注规范,文字注释 必须使用工整字体书写,符合国家标准。选择仿真的学生,用VB编程语言,编写计算机软件在WINDOWS实现数控装置的计算机 仿真。要求清楚地分析问题,提出算法,确定人机界面,列出流程图,最后用程序验证,并且提交程序说明书。对选择典型零件编程题目的学生,要求用编写计算机软件的方法解决数控过程的一个问 题。可以任用本人熟悉的一种变成语言,要求清楚的分析问题,提出算法,列出流程图,最后用程序验证,并且提交程序说明书1.3、课程设计的步骤课程设计的步骤大致包括:调查研究,收集资料,查阅文献;论证及确定设计方案,进 行机械结构设计和软件设计,编写程序和编制设计说明书,最后参加课程设计
6、的答辩。1.4非 圆弧曲线逼近应用及国内外发展现状目前在国内外金属加工业中广泛使用的数控机床中,半闭环位置伺服系统是 一种比较普遍采用的技术方案。半闭环位置伺服系统将机床本身的机械传动链排 除在位置闭环之外,伺服系统的电气控制部分和执行机械相对独立,由于闭环中 非线性因素少,因此系统容易整定,可以方便地实现间隙补偿等,以提高位置控 制精度。对于加工形状简单的零件,计算比较简单,程序不多,采用手工编程较容易 完成,因此在点定位加工及由直线与圆弧组成的轮廓加工中,手工编程仍广泛应 用。但对于形状复杂的零件,特别是具有非圆曲线、列表曲线及曲面的零件,用 一般的手工编程就有一定的困难,且出错机率大,有
7、的甚至无法编出程序。而采 用“R”参数编程则可很好地解决这一问题。非圆曲线轮廓零件的种类很多,但不管是哪一种类型的非圆曲线零件,编程 时所做的数学处理是相同的。一是选择插补方式,即首先应决定是采用直线段逼 近非圆曲线,还是采用圆弧段逼近非圆曲线;二是插补节点坐标计算。采用直线 段逼近零件轮廓曲线,一般数学处理较简单,但计算的坐标数据较多。数控机床是按照零件加工程序对工件进行加工的。一个好的加工程序不仅能 保证加工出符合要求的工件,还应能充分发挥数控机床的功能,使其安全、可靠、高效地运行。零件加工程序是数控系统的一个重要组成部分,据国外统计,数控 机床停机的原因中,有20%30%是由于编不出加工
8、程序。为了提高数控机床的 利用率,编程员应努力提高编程能力,迅速编制出优良的零件加工程序。因此,非圆曲线的逼近对于数控机床的编程极其重要。非圆曲线的逼近在国 内外不断得发展。机械制造业中,具有抛物线形外形的零件是二维轮廓工件,比较常见也是比 较难以加工的。目前抛物线形零件的加工方法主要有:在普通机床上进行近似加 工;根据抛物线的形成定理,设计专用加工装置进行加工。由于一般数控机床的 编程代码只具有直线插补和圆弧插补功能,因此对于抛物线这类非圆形曲线的数 控加工大多采用小段直线或小段圆弧去逼近轮廓曲线,完成数控编程。由于必须 按照允许的精度要求计算各小段直线或圆弧的起点和终点,当工件轮廓较长而精
9、 度要求很高时,逼近段直线或圆弧必须分得很细,因而计算量大,给手工编程带 来很多的不便,同时这种按逼近曲线或近似画法进行编程的方法从原理上讲就已 经带来了误差,因而无法加工出高精度的抛物线形零件。二章 非圆弧逼近设计思路2.1概述数控加工中把除直线与圆之外可以用数学方程式表达的片面廓形曲线,称为非圆曲线,其数学表达式的形式可以是以y=f(x)的直角坐标的形式给出,也可以是以p=p(0)的极坐标形式给出。通过坐标变换,后面两种形式的数学表达式,可以转换为直角坐标 表达式。这类零件的加工,以平面凸轮类零件为主,其他如样板曲线,圆柱凸轮以及数 控车床上加工的各种以非圆曲线为母线的回转体零件等等。其数
10、值计算过程,一般可按 一下步骤进行。(1)选择插补方式 即应首先决定是采用直线段逼近非圆曲线,还是采用圆弧段或抛 物线等二次曲线逼近非圆曲线。2采用直线段逼近非圆曲线,一般数学处理较简单,但计算的数据较多,且各直线段间连 接处存在尖角,由于尖角处,刀具不能连续地对零件进行切削,零件表面会出现硬点或 切痕,使加工表面质量变差。采用圆弧段逼近地方式,可以大大减小程序段的数目,其 数值计算又分为两种情况,一种为相邻两圆弧段间彼此相交;另外一种则采用彼此相切 的圆弧段来逼近非圆曲线,后一种方法由于相邻圆弧彼此相切,一阶导数连续,工件表 面整体光滑,从而有利于加工表面质量的提高。采用圆弧段逼近,其数学处
11、理过程比直 线段逼近要复杂一些。(2)确定编程允许误差 即应使G w 5允。(3)选择数学模型,确定计算方法非圆曲线节点计算过程一般比较复杂。目前生产 中采用的算法也较多。在决定采用什么算法时,主要应考虑的因素有两条,其一 时尽可能按等误差的条件,确定节点坐标位置,以便最大程度地减少程序段的数 目;其二是尽可能寻找一种简单的计算方法,以便计算机处理流程图。(4)根据算法,画出计算机处理流程图。(5)用高级语言编写程序,上机调试程序,并获得节点坐标数据。2.2.用直线段逼近非圆曲线用直线段逼近非圆曲线,目前常用的计算方法有等间距法,等弦长法和等误 差法即钟。2.2.1等间距法直线段逼近的节点计算
12、1)基本原理等间距法就是将某一坐标轴划分成相等的间距。如图1所示,沿X轴方向取4X 为等间距长,根据已知曲线的方程、=X),可由Xi求得Yi,X尸x,+AX,A.+1=f(x.+Ax)o如此求得一系列点就是节点。由于要求曲线y=/(X)与相邻两节点连线间的法向距离小于允许的程序编制误差晨,AX值不能任意设定。一般先取X=0.1进行试算。实际处理时,并非任意相邻两点间的误差都要验算,对于曲 线曲率半径变化较少处,只需验算两节点间距离最长处的误差,而对曲线曲率半 径变化较大处,应验算曲率半径较少处的误差,通常由轮廓图形直接观察确定校 验的位置2)误差校验的方法下面以抛物线为例说明计算误差的方法:其
13、曲线方程为:yaxx2+bxx+c,根据给定的和X、y的初始值X。、yO,求出相应线段的终点X1和yl,这样就可以求出直线mn的方程:alx+bly+c=0al=yl-yO bl=xO-xl cl=ylxO-yOxl它的斜率k为:左=上把xl=xO而过曲线上与逼近直线mn的误差最大的点的切线mn,其斜率即为曲线方程的导3数,所以有:y=2ax+b=k解方程得:x2=(k-b)/(2a)2y2=a x x2+b x x2+c这样就可以求得切点N(x2,y2),从而求得直线逼近曲线的误差:a x x2+/?x y 2 cb=-,-士 a2+b?然后让其与允许的误差b作比较,如果Ab Wb,则输出直
14、线,如果46 6,则把 减半再从新计算,这样就可以在误差允许的范围内用直线逼近非圆曲线了.图(1)等间距逼近双曲线和椭圆的算法跟这个基本一样,只是椭圆的方程是参数式方程 x=acos(i),y=bsin(i),所以等间距的时候,不是x等间距,而是i等间距,这样算起 来就方便多了,还有双曲线和椭圆都要分象限计算,双曲线是以y轴分开两侧的,x 不能等于零,在一个椭圆上,可找到与其一条直线平行的两条切线,所以要分开象限 来计算。2.2.2等弦长法直线段逼近的节点计算1)基本原理等程序段法就是使每个程序段的段长度相等。如图2所示,由于零件轮廓曲线 y=/(X)的曲率各处不等,因此首先求出该曲线的最少曲
15、率半径火皿n,由4n及鼠 确定允许的步长/,然后从曲线起点a开始,按等步长/一次截取曲线,得b,c,d.点,则ab=be=/即为所求各直线段。2)计算步骤(1)求最少曲率半径及脸。设曲线为歹=/,(x),则其曲率半径为4y=Kx)Y图2等弦长逼近(1+yH口 dR取-二odX(1-1)R=y o o y 一(i 十 y)y=。(22)根据歹=/(x)依次求出y/,代入(2-2)求x,再将x代入式(1-1)即得Rmin(2)确定允许长/。以及总为半径作的圆弧,由几何关系可知2 Jr2._(R _ 5 力)2 工l m in、m in 允/、/min 3 允(3)求出曲线起点a的坐标(x.,几),
16、并以该点为圆心,以/为半径,所得圆方程与曲线方程y=/(x)联立求解,可求得下一点b的坐标(乙,乙),再以点b为圆心进一步求得出c点,直到求出所有点。求解方法f(x x)2+(y y)2=/、“可求出(xI y-/(x)b,九)5可求出(x C,y C)所示,首先求出曲线起点a的坐标与该圆和已知曲线公切的直线,切点/(X-Xb)_+(y _ yt I y=.f(x)2.2.3等误差法直线段逼近的节点计算1)基本原理设所求零件的轮廓方程为y=x),如图3(乙,九),以点a为圆心,以心为半径作圆,分别为P(3,L),T(x,匕),求出此切线的斜率;过点a作PT的平行线交曲线于b 点,再以b点为起点
17、用上法求出c点,依次进行,这样即可求出曲线上的所有节 点。由于平行线间距离恒为般,因此,任意相邻两节点间的逼近误差为等误差。2)计算步骤(1)以起点a(x,几)为圆心,黑为半径作圆:(2)求圆与曲线公切线PT的斜率,用以下方程联立求号,力,仁一-=-上(圆切线方程)巴-xp y p-y a_j、尸=J _ xj+九(圆方程)匕一=/(%).(曲线切线方程)Xt-XP y=f(H)(曲线方程)(3)过a点与直线PT平行的方程为y-=k(x-Xa)(4)与曲线联立求解b点(x”,乙)y-ya=左(一%)I y=/(x)(5)按以上步骤顺次求的c,d.各节点坐标 3)特点6各程序段误差S均相等,程序
18、段数目最少。但计算过程比较复杂,必须由计算机 辅助才能完成计算。在采用直线段逼近非圆曲线的方法中,是一种较好的方法。72.3.流程图以等间距法直线逼近抛物线为例,列出流程图,如图4图4抛物线流程图83.软件的介绍3.1开发工具与语言:以Visual B asic6.0(VB 6.0)作为开发平台。VB具有友好的用户界面,是面向对象的可视化设计工具,在解决加工仿真方面VB提供了直接有效的可视化途径,因此选用VB为开发工具3.2 人机界面的确定:Visual B asic6.0(VB 6.0)3.3软件设计原则及进度规划:1.软件要求使用方便,操作灵活,界面美观。另外要求接口明确,可拓展性强.2.
19、划分模块并行进行,分阶段串行实施计划。尽量把软件做好,做3.4.1.使用说明首先选择要逼近的非圆曲线,然后按要求填输入各参数,点击输出曲线按钮,即可输出 9用点构成的曲线图形,用黑线表达,点击直线逼近曲线按钮即可输出用直线逼近的曲线 图形,用红线表示。输出CNC代码的窗口隐藏了,当点击输出CNC代码按钮时,其就会 弹出来,当点清空按钮时,就会清空输出的曲线和NC代码,并且隐藏NC代码窗口,有 时候输入的误差比较小时,运行的速度比较慢,要耐心等候,运行过程中不要胡乱点那 些按钮,因为这样会造成死机。3.5.输出结果3.5.1.如图6所示输入参数,然后输出直线逼近的抛物线,输出的CNC代码如图7所
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