数控插补教学系统-数据采样算法设计论文.doc

数控插补教学系统-数据采样算法设计【带插补程序+毕业论文+开题报告+外文翻译+任务书】

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数控插补 教学系统 数据 采样算法 设计 带插补 程序 毕业论文 开题报告 数控插补教学系统-数据采样算法 数控插补教学系统 外文翻译 任务书
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内容简介:
任务书填写要求 1毕业设计(论文)任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写,经学生所在专业的负责人审查、系部领导签字后生效。此任务书应在第七学期结束前填好并发给学生; 2 任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式(可从教务处网页上下载)打印,不得随便涂改或潦草书写,禁止打印在其它纸上后剪贴; 3 任务书内填写的内容,必须和学生毕业设计(论文)完成的情况相一致,若有变更,应当经过所在专业及系部主管领导审批后方可重新填写; 4 任务书内有关“系部”、“专业”等名称的填写,应写中 文全称,不能写数字代码。学生的“学号”要写全号; 5 任务书内“主要参考文献”的填写,应按照国标 714 2005文后参考文献著录规则的要求书写,不能有随意性; 6 有关年月日等日期的填写,应当按照国标 7408 2005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求,一律用阿拉伯数字书写。如“ 2009 年 3 月 15 日”或“ 2009 毕 业 设 计(论 文)任 务 书 1本毕业设计(论文)课题应达到的目的: 该课题是配合教学改革服务的,主要是设计与开 发数控技术课程配套的数控插补原理数据采样法实验教学系统。该课题主要完成对数据采样法中直接函数法、数字增量式 弧插补算法的设计,并使之达到实用标准。 2本毕业设计(论文)课题任务的内容和要求(包括原始数据、技术要求、工作要求等): 1) 查阅文献,收集资料 , 撰写开题报告、文献综述及外文翻译 ; 2) 设计数控插补数据采样法实验教学系统的功能 ; 3) 系统的界面设计 ; 4) 完成直接函数法、数字增量式 弧插补算法的设计,使之达到正确、实用 ; 5) 用 言实现该系统各功能 ; 6) 完成相应的设计,编写和调试程序 ; 7) 提交规 范的设计文档。 条件: 1) 计算机软硬件环境( 作平台) 2) 支撑软件 言 毕 业 设 计(论 文)任 务 书 3对本毕业设计(论文)课题成果的要求包括毕业设计论文、图表、实物样品等: 1. 提交系统使用说明 2. 提交控制系统软件 3. 提交毕业设计论文 4主要参考文献: 1 黄新燕机床数控技术及编程 M南京理工大学出版社, 2000. 2 张志龙 0 实用数据库编程 M中国科技大学出版社, 1997. 3 胡占齐等机床数控技术 M 机械工业出版社, 4 曲家骐等伺服控制系统中的传感器 M 机械工业出版社, 1998 5. 5 张新义经济型数控机床系统设计 M 机械工业出版社, 1993 10. 6 王晓明等电动机的单片机控制 M北京航空航天大学出版社, 2002 . 7 余英良机床数控改造设计与实例 M机械工业出版社, 1998 4. 8 杨叔子,李培根数控机床课程设计 M华中科技大学出版社, 2006 11. 9 尹志强机电一体化系统设计课程设计指导书 M机械工 业出版社 2007 5. 毕 业 设 计(论 文)任 务 书 5本毕业设计(论文)课题工作进度计划: 起 迄 日 期 工 作 内 容 2009 年 3 月 9 日 3 月 31 日 4 月 1 日 4 月 16 日 4 月 17 日 4 月 27 日 4 月 28 日 5 月 20 日 5 月 20 日 5 月 30 日 5 月 31 日 6 月 10 日 6 月 11 日 6 月 13 日 6 月 14 日 外文资料翻译,文献综述,开题报告 学习脉冲分配法各种算法的插补过程 总体方案设计 详细方案设计 系统联调 完成 毕业论文 准备毕业答辩 毕业答辩 所在专业审查意见: 负责人: 年 月 日 系 部 意见: 系 部主任 : 年 月 日 毕业设计 (论文 )外文资料翻译 系 部: 机械系 专 业: 机械制造及自动化 姓 名: 学 号: 外文出处: 附 件: 指导教师评语: 用词准确,内容精确,语言流畅。 等级: A 签名: 年 月 日 注: 请将该封面与附件装订成册。 附件 1:外文资料翻译译文 计算机集成制造中机器人离线编程的后期处理方法 摘要 机器人仿真系统不仅是作为一个设计和模拟工具,它也可以作为工业机器人以及其他机器和计算机集成制造(统一规则)系统的离线编程系统。虚拟制造和敏捷制 造为机器人仿真系统的基本要素之一。后置处理器是离线编程机器人系统一个重要组成,因为它允许商用机器人仿真系统被用来作为离线机器人的编程工具。一个机器人模拟器将后置处理器输出的指令转换成目标机器人语言。通常情况下,可以通过离线计算机和机器人控制器,使用串行或并行数据连接来传送动作顺序和所需数据驱动机器人。一般后处理器的设计能将多个机器人模拟器输出的数据转换成多个机器人编程语言,这是一个极其复杂的问题。 在机器人控制系统中有两种基本的方式来描述机器人的运动;一种描述了机器人运动的机械手末端的位置(在合成改造或绝对 );另一种描述机械臂关节角度的运动。前一种方法适合于目前以及将来的下一代机器人与安装在控制器上的语言处理器,而后者是专门连接上一代机器人语言。机器人模拟系统和一个被认为是后置处理器部分的真正的机器人系统之间的区别在于分析。对后置处理器的普遍性已经进行研究。本文对后期处理的离线编程程序和下载离线程序机器人控制器的方法进行了讨论。 1 引言 后置处理器是离线编程机器人系统中一个重要组成,因为它允许商用机器人(设计工具)仿真系统被用来作为离线机器人的编程工具。一个机器人模拟器将后置处理器输出的指令转换成目标机器 人语言。通常情况下,可以通过使用离线计算机和机器人控制器(通常用作设计和模拟)的串行或并行数据连接来传送动作顺序和所需数据驱动机器人。当使用当代系统时后置处理器将模型的输出量转换成供应商的特殊的机器人语言,并提取仿真模型的位置信息。一般后处理器的设计能将多个机器人模拟器输出的数据转换成多个机器人编程语言,这是一个极其复杂的问题,需要进一步研究。如图 1 所描述的一般机器人离线编程系统。 在机器人控制系统中有两种基本的方式来描述机器人的运动;一种描述了机器人运动的机械手末端的位置(在合成改造或绝对);另一种描 述机械臂关节角度的运动。前一种方法适合于目前以及将来的下一代机器人与安装在控制器上的语言处理器,而后者是专门连接上一代机器人语言。使用在线与离线编程机器人的优点和缺点已经广泛的讨论 1。 最近的一些研究工作包括 V +操作系统和 术公司的应用信息管理( 件 8,9 ,并且是一个机器人纵向一体化制造的例子。 V+操作系统继续作为 统的基础,然而 统是由先前的编程语言 逐渐发展而来的, 供了一个易用的图形用户界面。虽然 V +和 集成系统为离线机 器人编程和实时控制提供了一个强大的编程环境,但此功能是需要依赖系统。数字工厂侧重于详细的模拟制造工艺与基于数控编程的机器人一样 10 。这里出现了一些工业组织针对不同的机器人和应用而使用的机器人仿真系统。很多例子是广泛应用的机器人离线编程的典型事例。 2 在机器人模拟器中有一些现有设施,是不具备真正的机器人语言,反之亦然(例如,实际运行的传感器和视觉系统不能轻易模拟和取代在机器人模拟器控制条件下使用的模拟传感器和视觉系统)。鉴于坐标系的概念是用来在大多数模拟器中 ,大多数机器人模拟器使用欧拉角确定 22 任何运动(直接正,逆)计算。然而,在 器人的情况下,虽然使用欧拉角,坐标系用右手来确定,但它的参照系是关于 Y 轴旋转 180 度和关于 Z 轴旋转 90 度,如图 2 所示 。 为了克服这种差异,在机器人仿真模型中机器人的工具附件点关于 Y 轴旋转180 度。这导致 器人的编程(在构成运动轨迹的 统中特定使用的名称),包括关于 Y 轴旋转 1800 度(除所有找到的声明)。在模拟实验中,机器人最终效应的坐标系被认为是任何工具或依附在机器人边缘对象的坐标系。 但是,在真正的机器人系统,机器人的最终效应始终是被认为在机器人边缘。这两个框架的差别通过使用 中的辅助指令来纠正 。然而,一个机器人模拟器的输出数据和机器人语言可以变成一对一的转换。 机器人 早期一代机器人,如东盟 包括机器人编程语言,但使用非常简单的命令指令和条件循环。这种机器人只能使自己的关节角度与个人机器人关节相吻合,而后置处理器必须能够将笛卡尔坐标的模拟输出数据转换成个人机器人关节角度。该机器人控制器是不足以处理高级语言和数据通信能力,因为 监督 系统只能进行简单的数据传输,虽然微机可作为外部监督器能够进行高级别到较低级别的机器人语言的转换。 现代机器人控制器大多都具备处理器,驱动机器人运动可以通过语言命令指令和位置数据。这使得开发后的处理器更简单。这种类型的后期处理 涉及运动模拟轨迹转换成相应的机器人语言指令。这种方法已被用于开发后处理器,这将在稍后进行讨论。 3 后期处理装置需要依赖系统,应用或其他。系统后置处理器是最常用的,它的功能是将一个机器人模拟器的程序指令解释和翻译成一个具体的机器人语言。换句话说,一个机器人模拟器和一个机器人语言是系统后置处理器所特有的。系统后期处理装置被认为是应用后置处理器的设计模块,而该应用后置处理器是专门为“宏观”序列制作的。通用后置处理器,在理论上是能够把多个机器人模拟器的输出数据转换成不同机器人控制器的 机器人语言,因为机器人语言彼此各不相同,建立一个通用后置处理器被认为是个不可能完成的任务。未来此任务最有可能的解决方案是期望依赖标准的数据格式,如工业机器人资料( 23 和制造信息服务(彩信) 24 或其他有利的技术,如制造自动化协议 /技术办公书(地图 /顶) 25,26 。 假设访问一个机器人模拟器的源代码,在特定机器人中,后期处理软件模块可以通过机器人模拟器提供所需要的新的数据结构来书面修改某些数据结构。这将是下面要讨论的:后置处理器的编程人员可以通过模拟器限制访问各种 内部数据结构。 这最终可能会限制后置处理器的部分功能。例如,在某些情况下,厂商的机器人模拟器提供有限的存取数据结构通过一个所谓的 标准 界面。在 况下,经过模拟演习,内部建立的数据结构在后期处理加工成机器人独立的数据格式,众所周知 参照机器人轨迹在 统基础上建立的后置处理功能,并使用逻辑、序列程序和爪或其他工具。这是快速有效的后期处理,因为它并不需要后期处理仿真模型中的每一个实体。这种机器人独立的数据格式(如 据) 然后转化为使用特定语言翻译器翻译的机器人语言( 在本中)。这种后期处理方法的优点是更有效地利用数据,减少了处理时间,更重要的是,减少在处理过程中的错误的机会(计算误差)。 一般来说,用户无法获得供应商提供的任何仿真系统的源代码,因为他们非常安全谨慎。如果没有供应商的源代码,系统后置处理器只能建立在一个模块化的方式(参见图 3 )。通过仿真模型的输出数据访问模拟器的数据结构。第一个模块提取物的空间与仿真模型工作表面的实体像关联。这类资料是储存在一个数据文件并且是准备用来作为参考的数据文件。后置处理器的第二个模块将运动轨迹( 变成一个具体 的机器人语言( )。后期处理装置已加强两个主要阶段:(一)分层后处理,“自上而下”的方式和( b )分层后处理,“自下而上”的办法。这两种同时被设计,一种是在 型结构中采用的传统方法,另一种是相对于实体描述和存储空间的方式。 这些做法也代表在任何 统中合理和有效利用数据捕获。讨论上述两个办法将参照以往在拉夫堡大学,英国的研究 21 。 毕业设计 (论文 )开题报告 学 生 姓 名: 学 号: 专 业 : 机械工程及自动化 设计 (论文 )题目 : 数控插补教学系统 指 导 教 师 : 2009 年 3 月 22 日 开题报告填写要求 1开题报告(含“文献综述”)作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下,由学生在毕业设计(论文)工作前期内完成,经指导教师签署意见及所在专业审查后生效; 2开题报告内容必须用 黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式(可从教务处网页上下载)打印,禁止打印在其它纸上后剪贴,完成后应及时交给指导教师签署意见; 3“文献综述”应按论文的格式成文,并直接书写(或打印)在本开题报告第一栏目内,学生写文献综述的参考文献应不少于 15篇科技论文的信息量,一般一本参考书最多相当于三篇科技论文的信息量(不包括辞典、手册); 4 有关年月日等日期的填写,应当按照国标 7408 94数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求,一律用阿拉伯数字书写。如“ 2009 年 3 月 15 日”或“ 2009 毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告 1结合毕业设计(论文)课题情况,根据所查阅的文献资料,每人撰写 2000 字左右的文献综述: 文 献 综 述 摘要 本文首先阐述了数控插补技术的现状、意义和应用。然后以基于 数控插补仿真教学系统和基于 数控插补系统为事例,进行了分析和研究 ,对其插补的控制和过程进行了详细的描述。 关键词 数控 插补 教学 仿真 系统 1 现代数控插补和意义 在实际加工中,被加工工件的轮 廓形状千差万别,严格说来,为了满足几何尺寸精度的要求,刀具中心轨迹应该准确地依照工件的轮廓形状来生成,对于简单的曲线数控系统可以比较容易实现,但对于较复杂的形状,若直接生成会使算法变得很复杂,计算机的工作量也相应地大大增加,因此,实际应用中,常采用一小段直线或圆弧去进行拟合就可满足精度要求 (也有需要抛物线和高次曲线拟合的情况 ),这种拟合方法就是“插补”,实质上插补就是数据密化的过程 15。插补的任务是根据进给速度的要求,在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值,每个中间点计算所需时间直接影响系统的控 制速度,而插补中间点坐标值的计算精度又影响到数控系统的控制精度,因此数控技术成为了先进制造技术中的一项核心技术 1,而插补算法是整个数控系统控制的核心。 现代科学技术的突飞猛进 ,工业制造大都使用数控机床和自动化装置 ,而数控插补直接影响到数控系统的精度 ,数控控制系统是数控化生产的核心 ,换句话说就 是数控插补直接影响数控化生产 ,因此我们要提高数控插补技术 ,即要简化和完善数控插补算法。这对我国工业生产十分重要 ,有着重大的意义。 2 数控插补的现状和应用 随着现代科技的发展,数控技术得到了很大的提高与发展,现在 数控插补主要应用在模拟与仿真 14。在教学中经常利用各种编程语言模拟和仿真数控插补,可以轻松看出插补的过程,这样更加直观。在数控系统中,可以通过编程将插补模拟在显示屏上,可以清楚的观察插补过程,更好地进行数控生产。在数控机床中,通过插补算法加工各种零件的外形(如利用数控插补完成球轴承球面磨削)。 基于 数控插补仿真教学系统 针对数控技术教学中实验设备和实验课时的局限性,为了便于学生对数控插补原理更好地理解和满足教学的需要,设计开发了基于 数控插补仿 真系统,依据逐点比较法和数字积分法,可以实现对直线和圆弧的插补计算和插补轨迹仿真动态显示 5。 插补仿真系统的实现 系统以 言进行设计,系统主要包括参数输入、坐标平移、过象限判断、插补类型判断和插补计算及仿真等主要模块,如图 1 所示为系统流程图 10。 图 1 直线和圆弧插补仿真流程图 ( 1)参数输入 用于输入直线或者圆弧的有关参数,如直线的起点及终点坐标,圆弧的起点、终点、圆心或者半径等数据,另外还有插补方向(如逆圆或者顺圆插补)、插补方式(如手动插补或者连续 插补)、插补方法(逐点比较法或者数字积分法)、插补精度、插补时间间隔(即对插补仿真的速度进行设置)等参数6。由于本系统中圆弧的圆心不一定在坐标原点,因此,在给出圆弧的起点、终点、圆心或者半径等数据后,还需要给出圆弧为优弧或者劣弧的判断,从而唯一确定需要进行插补计算的圆弧对象。 ( 2)坐标平移 一般的数控插补计算中,直线的起点或者圆弧的圆心均在坐标原点,为了使所设计的系统具有一定的通用性,本系统中直线的起点和圆弧的圆心是任意给定的,并非一定与坐标原点重合,因此为了方便计算,本系统采用坐标平移的方法,即在 判断直线起点和圆弧的圆心为非坐标原点后,在插补计算前将坐标原点移到需要进行插补计算的直线的起点或者圆弧的圆心处,这也为下一步的插补类型判断和圆弧的过象限判断提供了方便 7。 ( 3)过象限判断 当插补对象为圆弧时,存在过象限问题,而不同象限圆弧的插补计算方法也不同,因此需要对圆弧进行过象限判断。 ( 4)插补类型判断 无论插补对象是直线还是圆弧,不同象限的插补对象存在不同的插补计算方法,直线存在四个象限的不同插补情况,而圆弧存在四个象限八种不同插补情况。在系统中将直线或者圆弧的不同插补计算方法设置为不同的 子模块,对插补类型进行判断后,直接调用相应的插补子模块进行计算 8。 ( 5)插补计算及仿真 该模块除完成相应的插补计算外,还完成对插补轨迹的仿真显示 9。 ( 6)插补仿真结果显示 系统插补仿真如图 2, 3, 4 所示,图 2 为逐点比较法直线插补仿真结果,图 3 为数字积分法过象限圆弧插补仿真结果,图 4 为两种插补方法圆弧插补仿真结果的比较。 基于 数控插补系统 一种数控插补模拟实现的控制系统。主机将数控代码转换成串口通信数据 ,再利用 件将编码数据从串口发送至下位机 ;从机 控制系统使用教学中常用的 片机 ,在主机的控制下 ,完成了直线和圆弧插补 ,实现了纵向和横向步进电机的两轴联动。叙述了步进电机驱动电路及其控制系统、从机与 串行接口等。研究结果表明 ,本系统适合教学演示、算法验证以及科学研究等场合的使用 3。 补控制 插补技术是数控系统的核心技术 ,插补运算具有实时性 ,其运算速度和精度直接影响数控系统的性能指标。由前面已知 ,控制系统使用 位 主控芯片 ,使用 口与上位机通信 ,采用单电源方式驱动两台四相步进电机运动 2。单片机通过串口从上位机获取插补数据 ,采用数字积分法完成两台步进电机的协同运动。插补实现的具体方案 ,如图 5 所示。程序初始化完成后 ,与上位机握手 ,等待上位机发送数据。当串口程序接收到 1 帧正确数据后 ,将数据从缓冲区 1 更新到缓冲区 2。首先更新 F、 S、 T 的数据并点亮 段时间示意 ,然 后开始运行插补程序。首先初始化积分器 ,将数据转换成积分器使用的数据 ,使用定时器中定时中断完成插补运算。对缓冲区的访问采用扫描方式 ,插补采用定时中断提供步进电机脉冲来实现。中断服务程序 ,如图 6 所示。为了更好地观察实际效果 ,将中断时间加长 ,可设置多次中断进行一次插补 ,每次中断到来先判断是否达到插补周期时间 ,再判断 X 轴或 Y 轴插补否 ,运行积分器产生运行标志 ,设置步进电机控制字 ,供下一次驱动步进电动机。此时每次中断运行电机的图 2 逐点比较法直线插补 图 3 数字积分法圆弧插补 图 4 两种不同插补方法的比较 控制字是由上次中断运算设定的 ,这样可以提高插补精度。 1 帧数据插补完成后置插补完成标志位 ,当主程 序扫描到这一标志位时 ,返回 补完成 ,从缓冲 1 更新数据到缓冲区 2,进行下一次插补 4。 3 未来数控插补技术发展方向 插补方式多样化 多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补 12、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、 螺旋插补、 插补、 插补 (非均匀有理 样条插补)、样条插补(、 样条)、多项式插补等。通过简化插补算法 ,对于计算机系统这是提高了运算速度,使控制系统较快且均匀地输出进给脉冲 13。 高精度化 随着现代 技术(如计算机技术)的迅速发展,插补算法也在不断地完善。提图 5 主控流程图 图 6 中断服务程序流程图 高插补计算的精度至关重要,因为每个插补计算的中间点精度影响整个数控系统的精度 11。所以提高插补精度很关键 ,是提高数控化生产精度的重要手段。 参 考 文 献 1 张建钢 ,胡大泽 M华中科技大学出版社 , 2000. 2 孙志永 M机械工业出版社 ,2004. 3 李 华 列单片机实用接口技术 M北京航空航天大学出版社 , 1993. 4 王哓明 M北京航空航天大学出版社 ,2002. 5 高峰霞,廖彬山 文版提高与应用 M华大学出版社, 1999. 6 任玉田,焦振学,王宏甫,机床计算机数控技术 M北京理工大学出版社 1999. 7 王永章,机床的数字控制技术 M2000. 8 朱巧荣,雷良育,施晓芳,数字积分法插补轨迹仿真软件开发 J2001( 6) . 9 蒲志新 ,熊永超 ,李 霞 ,李 赢 J ,2003,(3):1. 10 , + 6. 0 教程 M董方鹏 ,译 清华大学出版社 ,2000. 11 李恩林 . 数控技术应用 M12 袁宗杰,邓爱国主编 M. 北京 :清华大学出版社, 13 富大伟,刘瑞素主编 M. 北京 :化学工业出版社, 14 赵萍主编 M. 北京 :国防工业出版社,15 刘武发,刘德平主编 M. 北京 :化学工业出版社, 毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段(途径): 本课题要研究的问题: 1) 设计数控插补数据采样法实验教学系统的功能; 2) 系统的界面设计; 3) 完成直接函数法、数字增量式 弧插补算法的设计,使之达到正确、实用; 4) 用 言实现该系统各功能; 5) 完成相应的设计,编写和调试程序; 条件: 1) 计算机软硬件环境( 作平台) 2) 支撑软件 言 研究手段:利用 程软件编写数据采样算法(直接函数法、数字增量式 弧插补算法)的 序,并在 面下显示出数据采样插补的过程图象。 毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告 指导教师意见 : 1对“文献综述”的评语: 该生在文献综述中论述了开发数控插补教学系统的意义及作用 ,并 基于 平台开发讨论了如何进行 数控插补仿真教学系统 的开发 ,说明了数控插补的基本原理;并结合教学的特点,提出了自己的开发思路及开发功能, 这为以后工作奠定了一定的基础。 该生拟采用的研究途径较可行,所作开题报告符合毕业设计的要求。 2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计(论文)结果的预测: 本课题的深度、广度及工作量适中,符合毕业设计的要求。设计结果可设计出能够使用的数据采样法的数控插补实验教学系统。 指导教师: 年 月 日 所在专业审查意见: 负责人: 年 月 日 本科毕业设计说明书(论文) 第 1 页 共 93 页 目 录 1 绪论 . 1 控技术的概念 . 1 数控插补技术发展现状 . 2 课题提出的背景和任务 . 4 2 插补原理和算法的分析 . 5 插补概述 . 5 数据采样插补 . 6 3 数控插补仿真系统的设计 . 22 编程软件简介 . 22 数控插补的 现关键技术分析 . 22 系统总体设计 . 22 系统详细设计 . 22 结束语 . 31 致谢 . 32 参考文献 . 33 附录 A . 34 本科毕业设计说明书(论文) 第 2 页 共 93 页 毕业设计说明书(论文)中文摘要 本文首先阐 述了数控技术的概念和其发展趋势,然后介绍了插补算法中的数据采样法。对 弧插补、直接函数法和割线法三种插补算法的插补过程和插补公式进行了研究,最后详细叙述了数控插补教学系统的设计,具体介绍了插补系统的各种功能。 关键字 插补技术 数据采样法 数控插补教学系统 毕业设计说明书(论文)外文摘要 本科毕业设计说明书(论文) 第 3 页 共 93 页 n we of of DA At we of C in of NC 本科毕业设计说明书(论文) 第 4 页 共 93 页 1 绪论 数控技术是机械制造业中新兴的综合性技术,它集微电子和计算机技术、信息处理技术、精密检测技术、自动控制技术、光机电技术、网络通讯技术、等高新技术于一体,随着微电子和计算机技术的迅速发展,大大加快数控技术的发展和运用,使传统的制造业不断发生着巨大的变化。我国当前使用的数控系统为传统的封闭式体系结构, 能作为非智能的机床运动控 制器 1。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定,加工程序在实际加工前用手工方式或通过 间没有反馈控制环节,整个制造过程中 是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下,加工过程中的主轴转速、进给速率、刀具轨迹、刀具组合、工件材料、切削深度、步长、加工余量等加工参数,无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整,更无法通过反馈控制环节随机修正的设定量,因而影响 工作效率和产品加工质量。目前我 国的数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期,也是由封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式过渡的关键时期 2。对数控系统的发展趋势进行讨论,具有促进我国数控技术发展的重要意义。 数控技术的概念 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,采用数控技术后能由数字、字符和符号等进行加工控制。这些数字、字符和符号等编码成按一定格式定义的指令程序用于一个特定的加工或工件,这些指令可以采用两种二进制编码的数字系统中的任意一种进行定义,这两种二进制编码数字系统分别 为电工协会代码和美国标准信息交换代码,是一种先进控制技术 3。 数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品,即所谓的数字化装备,其技术范围覆盖很多领域: (1)机械制造技术; (2)信息处理、加工、传输技术;(3)自动控制技术; (4)伺服驱动技术; (5)传感器技术; (6)软件技术等 。 数控技术的发展趋势 速度和精度是数控系统的 2个重要技术指标,它直接关系到加工效率和产品质量。采用高速度、高精度数控技术可极大的提高现代制造业的效率,提高产品的质量和档次,缩 短生产周期和提高市场竞争能力。采用了高速 片、 片、多 制系统以及带高分辨率检测元件的交流数字伺服系统(日本交流伺服电机已有装上每 本科毕业设计说明书(论文) 第 5 页 共 93 页 转可生产 100 万个脉冲的内藏式位置检测器,其位置检测精度可达 m/脉冲),可以使机床的加工速度、加工精度和加工效率、质量大大提高。高效率和高质量是现代制造技术的发展关键,为此国际生产工程学会( 其确定为 21 世纪的中心研究方向之一 4。 柔性化包含两方面:数控系统本身的柔性,数控系统采用模块化设计,功能覆盖面大,可裁剪性强,便于满足 不同用户的需求;群控系统的柔性,同一群控系统能依据不同生产流程的要求,使物料流和信息流自动进行动态调整,从而最大限度地发挥群控系统的效能。在航空和宇航工业领域,其加工的零部件多为薄壁和薄筋,刚度很差,材料为铝和铝合金,只有在高切削速度和切削力很小的情况下,才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金配料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装,使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求 5。 数控系统正朝着多轴 、多系列控制功能方向发展。一机多能的数控系统可以最大限度地提高设备地利用率,数控加工中心( 使一种能实现多工序加工的加工机床。工件在一台机床上一次装夹后,通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施,完成多工序、多表面的复合加工;减少工序和辅助时间,大大提高了加工效率、质量数控机床的工艺复合化是指数控技术轴。 智能化成为当代数控系统发展的主要趋势。主要有自适应控制技术、人工智能专家诊断控制系统、引进模式识别控制技术。 网络化数控装备是近几年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装 备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。 由于传统的数控系统是专用封闭性数控系统 ,存在兼容性差、技术升级困难等弊端;越来越不适应现代生产系统日益开放的特点。目前许多国家对开放式数控系统进行研究,如美国的 划、欧共体的 日本的 划等。数控系统开放化已经成为数控系统的发展趋势。 数控插补技术发展现状 随着现代科技的发展,数控技术得到了很大的提高与发展,现在数控插补主要应 本科毕业设计说明书(论文) 第 6 页 共 93 页 用在模拟与仿真。在教学中经常利用各种编程语言模拟和仿真数控插补,可以轻松看出插补的过程,这样更加直观 6。在数控系统中,可以通过编程将插补模拟在显示屏上,可以清楚的观察插补过程,更好地进行数控生产。在数控机床中,通过插补算法加工 各种零件的外形(如利用数控插补完成球轴承球面磨削)。 复杂曲面的超精密加工中的插补应用 近年来,随着武器装备、航空航天、生物医学等领域的迅猛发展,各关键设备对超精密零件的加工精度提出了更高的要求,而复杂曲面的超精密加工则是其难度极大的关键技术之一,如航天发动机叶轮、螺旋桨,都是复杂曲面加工的例子。如基于 法递归复杂曲面的插补算法,其数控插补精度很高,完全能满足复杂曲面超精密加工的要求 7。 ( 1) 采用了一种基于 法递归复杂曲面的数控插补技术,该方法的核心是 以新节点形成的数个三角形去代替原有的三角形,从而实现复杂曲面的数控插补。对于本算法而言,递归逼近分割的极限曲面在规则节点处具有 续性,在不规则节点处具有 续性。 ( 2) 采用基于 法进行复杂曲面数控插补,其数控插补误差可控,并且插补精度非常的高,而且步长变化量非常小,在零件加工上则表现为加工速度均匀。因此新插补算法对提高零件加工质量是非常有利的。 ( 3) 采用该插补算法插补后的误差很小,通过对复杂自由曲面的数控插补分析和数控仿真,其结果表明:完全适用于各种复杂自由曲面的超 精密数控加工系统。 ( 4) 通过仿真加工,对加工表面质量进行了分析,并提出了通过步距控制保证表面质量的方法,并对参数进行了相应的优化选择 8。 在教学演示中的应用 如基于 数控插补教学仿真系统,目前数控系统上使用的插补算法较多 , 常用算法有逐点比较法、数字积分法、数据采样法等 9。 针对数控技术教学中实验设备和实验课时的局限性,为了便于学生对数控插补原理更好地理解和满足教学的需要。利用 弧插补过程的动态仿真 , 模拟直线、圆弧插补过程 , 从而有助于增强对数控插补 原理的理解和认识。 在科研研究场合的应用 如基于 数控插补系统。一种数控插补模拟实现的控制系统。主机将数控代码转换成串口通信数据 ,再利用 件将编码数据从串口发送至下位机 ;从 本科毕业设计说明书(论文) 第 7 页 共 93 页 机控制系统使用教学中常用的 片机 ,在主机的控制下 ,完成了直线和圆弧插补 ,实现了纵向和横向步进电机的两轴联动。叙述了步进电机驱动电路及其控制系统、从机与 10。研究结果表明 ,本系统适合教学演示、算法验证以及科学研究等场合的使用。 用数控外圆磨床数控插补的方法实 现高精度球轴承磨削 精密球轴承在军、民产品中都有广泛的运用。由于技术封锁等原因 ,国内精密球轴承市场处于供不应求的局面 ,在一些高端精密球轴承领域甚至处于空白状态。如何制造出精度高、经久耐用的球轴承一直是国内、国际广大轴承厂家乃至科研机构努力解决的难题之一 11。 通过数控外圆磨床 ,控制影响球轴承尺寸精度的关键因素 ,采取数控插补的加工方法所制造出来的球轴承基本满足图纸的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度要求 ,满足使用要求。但是要使球轴承在使用过程中能够保持较长的使用寿命以及很好的精度保持性 ,所涉及到的不仅仅是球轴承的磨削 ,同时还涉及适当的轴承材料、锻造工艺、热处理工艺以及表面强化工艺等等 12。 本课题提出的背景和任务 因为针对数控技术教学中实验设备和实验课时的局限性,有时书中讲的数据采样插补算法的插补过程,过于抽象,对于刀具走向不是很明确,所以为了便于学生对数控插补原理更好地理解和满足教学的需要。本课题是配合教学改革服务的,主要是设计与开发数控技术课程配套的数控插补原理数据采样法实验教学系统。 本课题主要实现在 境下插补算法的仿真,能够清楚地仿真出数据采样算法中插补的过 程,能够更好的理解插补算法。 本科毕业设计说明书(论文) 第 8 页 共 93 页 2 插补原理和算法的分析 实际加工中,被加工工件的轮廓形状千差万别,严格说来,为了满足几何尺寸精度的要求,刀具中心轨迹应该准确地依照工件的轮廓形状来生成,对于简单的曲线数控系统可以比较容易实现,但对于较复杂的形状,若直接生成会使算法变得很复杂,计算机的工作量也相应地大大增加,因此,实际应用中,常采用一小段直线或圆弧去进行拟合就可满足精度要求 (也有需要抛物线和高次曲线拟合的情况 ),这种拟合方法就是“插补”,实质上插补就是数据密化的过程 13。插补的任务是根据 进给速度的要求,在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值,每个中间点计算所需时间直接影响系统的控制速度,而插补中间点坐标值的计算精度又影响到数控系统的控制精度,因此数控技术成为了先进制造技术中的一项核心技术,而插补算法是整个数控系统控制的核心。 插补概述 插补技术是数控系统的核心技术 ,插补运算具有实时性 ,其运算速度和精度直接影响数控系统的性能指标。 插补模块是整个数控系统中一个极其重要的功能模块之一,插补算法的选择将直接影响到系统的精度、速度和加工能力范围。为此,本章将对各种插补原理进行剖析和 实验 14。 插补算法很多,可以归纳为两大类:脉冲增量插补算法和数据采样插补算法。 脉冲增量插补算法比较简单,比较容易用硬件实现,所以,硬件数控系统较多采用该法,但随着计算机速度的大大提高,也可用软件模拟硬件来实现这类插补。这类插补算法的输出是脉冲形式,并且每次仅产生一个单位的行程增量(即脉冲当量)。脉冲当量一般为 精密的一般取为 然,脉冲当量愈小,加工精度愈高 15。 脉冲增量插补算法的种类很多,如:数字脉冲乘法器、逐点比较法(最初称为区域判别法)、数据积分法(又称微分分析器 比较积分法(包括:单步追踪法、目标点跟踪法即伸雄函数发生器 矢量判别法、最小偏差法等。 数据采样插补算法,又称为时间分割法,它根据程编进给速度将零件轮廓曲线按插补周期分割为一系列微小直线段,然后,将这些微小直线段对应的位置增量数据进行输出,用以控制伺服系统实现坐标轴的进给。显然,这类插补的输出不是单个脉冲,而是一个数字量。这类插补适用于以交、直流伺服电动机作为执行元件的闭环或半闭 本科毕业设计说明书(论文) 第 9 页 共 93 页 环数控系统。为了获得良好的插补精度和插补速度,数控研究人员又研制开发了下 列插补方案: ( 1) 采用软硬结合的两级插补方案。先由计算机插补软件将加工零件的轮廓段按 10为粗插补过程),然后利用附加的硬件插补器进一步对粗插补送来的直线段进行插补,并输出脉冲(称为精插补过程)。这样,就大大缓和了实时插补和多任务控制之间的矛盾。 司生产的 ( 2) 采用多 类系统中,先将数控系统的全部功能划分为几个子功能模块,并分别分配一个独立的 后由系统软件来协调各个 间的工作。如,美国的麦克唐纳道格拉斯公司的 型数控系统就采用了本方案,它用台微处理器分别实现输入输出、轮廓插补和进给速度控制功能、坐标轴伺服功能、数控加工程序编辑和 数据采样插补 在 称为时间分割法。它尤其适合于闭环和半闭环以直流或交流电机为执行机构的位置采样控制系统。这种方法是把加工一段直线或圆弧的整段时间细分为许多相等的时间间隔,称为单位时间间隔(或插补周期)。每经过一个单位时间间隔就进行一次 插补计算,算出在这一时间间隔内各坐标轴的进给量,边计算,边加工,直至加工终点 16。 与基准脉冲插补法不同,采用数据采样法插补时,在加工某一直线段或圆弧段的加工指令中必须给出加工进给速度 v,先通过速度计算,将进给速度分割成单位时间间隔的插补进给量 f (或称为轮廓步长),又称为一次插补进给量。例如,在 插补周期为 8 mm/f 的单位取 m /8 一次插补进给量 可用下列数值方程计算: 152100060 81000 f 按上式计算出一次插补进给量 f 后,根据刀具运动轨迹与各坐标轴的几何关系, 就可求出各轴在一个插补周期内的插补进给量,按时间间隔(如 8 增量形式给各轴送出一个一个插补增量,通过驱动部分使机床完成预定轨迹的加工 17。 本科毕业设计说明书(论文) 第 10 页 共 93 页 由上述分析可知,这类算法的核心问题是如何计算各坐标轴的增长数 x 或 y ( 而不是单个脉冲),有了前一插补周期末的动点位置值和本次插补周期内的坐标增长段,就很容易计算出本插补周期末的动点命令位置坐标值。对于直线插补来讲,插补所形成的轮廓步长子线段(即增长段)与给定的直线重合,不会造成轨迹误差。而在圆弧插补中,因要用切线或弦线来逼近圆弧,因而不可避免地会带来轮廓误差。其中切线近似具有较大的轮廓误差而不大采用,常用的是弦线逼近法。 有时,数据采样插补是分两步完成的,即粗插补和精插补。第一步为粗插补,它是在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点,即用若干条微小直线段来逼近给定曲线,粗插补在 每个插补计算周期中计算一次。第二步为精插补,它是在粗插补计算出的每一条微小直线段上再做 “ 数据点的密化 ” 工作,这一步相当于对直线的脉冲增量插补。 目前常用的数据采样方法有两种,分别出自于 司的 7360系统。在 7补周期为 8 置反馈采样周期为 4 插补周期为位置采样周期的 2倍,它以内接弦进给代替圆弧插补中的弧线进给。在 司的 7300系列中,插补周期与位置反馈采样周期相同,插补算法为扩展 面分别介绍这两种系统的时间分割插补算法 18。 7M 系统中采用的时间分割法 ( 1) 直线插补 设要求刀具在 面中作如图 这一程序段中, x和 插补时,取增量大的作长轴,小的为短轴,要求 x和 同时终点。 设刀具移动方向与长轴夹角为 , 一次插补的进给步长 f 。根据程序段所提供的终点坐标 )y,x(p 可以确定出 图 间分割法直线插补 本科毕业设计说明书(论文) 第 11 页 共 93 页 和 211co 从而求得本次插补周期内长轴的插补进给量为 ( 导出其短轴的进给量为 ( ( 2) 圆弧插补 如图 圆弧 待加工曲线,下面推导其插补公式。在顺圆弧上 的 B 点是继 A 点之后的插补瞬时点,两点的坐标分别为 ),( ),( 所谓插补,在这里是指由点 ),( 出下一点 )11( 实质上是求在一次插补周期的时间内, x 和 y 。图中的弦 是圆弧插补时每个周期的进给步长 f , A 点的圆弧切线, M 是弦的中点。显然, E 是 由此,圆心角具有下列关系: 1i ( 图 式中 为进给步长 f 所对应的角增量,称为角步距。由于 所以 显然 2121 A O 本科毕业设计说明书(论文) 第 12 页 共 93 页 21 P 在 2 将 ; ; C s i 代入上式,则有 s i o ( 因为 而 21 ; 21 又可以推出 x 和 y 的关系式: o (上式充分反映了圆弧上任意相邻两点的坐标间的关系。只要找到计算 x 和 y的恰当方法,就可以按下式求出新的插补点坐标: 1 (所以,关键是求解出 x 和 y 。事实上,只要求出 ,根据函数关系便可求得 x , y 值,进而求得 1 1。 本科毕业设计说明书(论文) 第 13 页 共 93 页 由于式( 的 为未知数,要直接算出 困难。 7以 和 来代替 先求出 。45s i o i o ( 再由关系式 211co ( 进而求得 ( 由式( ( ( 出本周期的位移增量 x 后,将其与已知的坐标值 式( 即可求得 y 值。在这种算法中,以弦进给代替弧进给是造成径向误差的主要原因。 7360 系统中采用的时间分割法 美国 360 统的插补周期与位置反馈采样周期相同,均为 过 (1) 扩展 假设根据编程的进给速度,要在时间段 E,终 点为E( 起点在原点 O ( 0,0)。图中的 x和 y分别为速度 的 x 和 y 坐标分量。由图中的三角形比例关系,可得 22( 22( 本科毕业设计说明书(论文) 第 14 页 共 93 页 图 扩展 将时间区间 T 用采样周期 t分割为 n 个子区间( 接近的整数),从而在每个采样周期 t内的坐标增量分别为 2222( 2222( 式中 所要求的进给速度; 进给速率数,公式为 22 ee 对于同一条直线来说,由于 和 及 t均为已知常数,因此式中的t均为常数,可以记作 d=t。故同一条直线的每个采样周期内增量 x 和 y 的常数(即步长系数 d )均相同。在每个采样周期算出的 x 和 y 基础之上,就可以得到本采样周期末的刀具位置坐标 1( 1 ( 本科毕业设计说明书(论文) 第 15 页 共 93 页 从式( ( 可看出,直线插补中各坐标轴的进给步长 x 和 y 分别为轮廓步长(即子线段)的轴向分量,其大小仅仅随着进给速率编程值 变化。 由于直线插补中每次迭代形成的子线段的斜率( y / x )等于给定的直线斜率,从而保证了轨迹要求。 (2) 扩展 图 象限顺圆弧段 圆弧方程为 图 扩展 设现时刀具处在 )y,x(在一个采样周期 t内,刀具沿切线方向的轮廓进给步长为 f ,即进给一步后应到达 1然, 1 f 。由图可见,它的径向误差是较大的。 扩展 是将切线逼近圆弧的方法转化为弦线逼近法。 如果我们通过 线段的中点 B 作半径为 圆弧的切线 1通过 1 1在 11f (容易证明 1扩展 是用线段 11扩展 一个采样周期内计算的结果,应是刀具从 1不是沿切线走到 1显然,这样进给使径向误差减小了。 本科毕业设计说明书(论文) 第 16 页 共 93 页 现在我们就来计算在采样周期 t内的轮廓进给步长 f 之坐标分量 1 1,得到了此两值,就很容易得到本次采样周期 后应达到的坐标位置 1 由图 直角 ( ( 设刀具以恒速进给,即在每个采样周期 y内的进给速度均为 ,显然, 1f = t 。过 B 点作 x 轴的平行线 y 轴于 S 点,交 段于 S 点。可以看出,直角 与直角1似,从而有比例关系: i 1( 式中11 ii ; 1在直角 中 1因此 1在直角 2222 21 )f(R)B 将以上各式代入式( 有 2212121R)f( 将式( 入上式并整理,得 本科毕业设计说明书(论文) 第 17 页 共 93 页 2212121R)f()因为 ,故将 2)21( 上式为 )fx 21211 若令 则 )xy(x 211 ( 在上述两相似三角形的关系中,还有下式成立: A !即 A ii i 1已知 122)21( 由直角 得 1 而 ,因此 22112121R)f() 本科毕业设计说明书(论文) 第 18 页 共 93 页 同理,因 故略去 221 f 不计,则 )fy 1 仍记 则 )yx(y 211 ( 由于 )y,x(为已知,故利用式( ( 容易求得 1 !值。有了此两值,就可算出本次采样周期刀具应达到的坐标位置 11 11 11 直接函数运算法( 直接函数运算法属于最小偏差法的一种。它与逐点比较法类似,是一种代数运算方法。但它的进给方式不像逐点比较法那样或 x 方向或 y 方向急剧变化,这对机械部分是有利的,特别是可以改善步进 电机的谐振现象。另外,直接函数法可以比较并选择误差较小的一个进给方向,这也是它的一个优点。因为直接函数法每插补一步要试算两个方向并作比较。 (1) 直线插补 ( a) 卦限的划分。直接函数法将直角坐标的每个象限都用 45 斜线分成 2个区域,如图 个象限共分为 8个区域,称为 8个卦限,用0 7表示。对某一卦限内的直线进行插补时,只有 和 , 两种可能的进给方向。对于第 象限的右下区域即 “0” 卦限来讲,直线插补时或是 x 方向走一步,或是 x 与 y 方向同时走一步。对于 “1” 卦限的直线插补,或是 y 方向走一步,或是 x 与 y 方向同时走一步。引入 和 坐标系的目的是将 8个卦限的进给都统一用 “0” 卦限内的 u和 简化插补程序,缩短运算时间。对 8个卦限中的直线,这种坐标变换关系如表 本科毕业设计说明书(论文) 第 19 页 共 93 页 图 比较积分法直线插补轨迹 表 线插补的坐标变换 卦 限 U v 0 +x +x, +y 1 +y +x, +y 2 +y +y 3 x, +y 4 x, x, x, +x +x, b) 误差函数与进给方向。图 所示 “0” 卦限的直线终点为 e和 e,直线方程为 0” 卦限的直线 本科毕业设计说明书(论文) 第 20 页 共 93 页 引入误差函数 (F ,显然,对于直线上的所有点均满足下式: 0 (F 对直线上方的点 0),( F 对直线下方的点 0),( F 当 0),( F 时,往 方向进给一步,误差函数的变化为 ),(),1(),1( ( )()1( e当 0),(F 时,往 和 方向同时进给一步,误差函数的变化),()1,1()1,1( ( )()1()1( 在插补过程中,引入进给循环变量 i 可得 F)i(F)i(F 1 因插补是从坐标原点开始的,故 0)0( F 。在 方向进行终点判别,当 e)i( 1时,直线到达终点,插补工作完成。 图 e=30, e=4的 “0” 卦限直线进行 插补的例子。为了直观,图中的脉冲当量取得很大。从图中可以看出,进给方向的变化不是 90 而是 45 。 图 0” 卦限的直线插补轨迹 本科毕业设计说明书(论文) 第 21 页 共 93 页 为了小插补误差,实际的 选择一个误差最小的方向进给。 若往 方向进给一步,误差函数将为 ),(F)i(F)i(F 11 若 和 方向同时都进给一步,误差函数将为 )1,1()()1( 将式( 式( 别代入上两式中,可得到两个试算结果,将它们的绝对值进行比较,以决定应向哪个方向进给。 当 )1()1( 时, 1i 次进给应为 方向; 当 )1()1( 时, 1i 次进给应为 和 方向(即各进给一步)。 (2) 圆弧插补 图 象限的逆
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本文标题:数控插补教学系统-数据采样算法设计【带插补程序+毕业论文+开题报告+外文翻译+任务书】
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