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程序编制中的数学处理--非圆曲线节点的计算
数控系统一般只有直线和圆弧插补功能,对于非圆曲线轮廓,只能用直线或圆弧去逼近它。节点就是逼近线段与非圆曲线的交点,也是个逼近线段的起点和终点。一个已知曲线方程的节点数与逼近线段的形状(直线还是圆弧)、曲线方程的特性以及允许的逼近误差有关。节点计算,就是利用这三者之间的数学关系,求解出各节点的坐标。
一、等间距的直线逼近的节点计算
已知非圆曲线方程 y=f(x)
从曲线X轴的起点坐标开始,以等间距Δx来划分曲线起点到终点的区间,可得一系列X轴的坐标点的值,设起点的X坐标值为x0=a,则有:x1=a+Δx,x2=a+2Δx,x3=a+3Δx,…. Xi=a+iΔx,..
将这些X坐标值代入方程 y=f(x),则求得一系列Y坐标值:yi=f(xi)(i=1,2,3,…..)
那么(xi,yi)(i=1,2,3……)就是所求得的节点坐标值。相邻两点的直线段就是逼近线段。
等间距法的关键是合理确定Δx,既要满足允许误差的要求,又要使节点尽可能少。通常采用试算和校验的方法确定Δx,方法步骤如下:
1. 取Δx初值,一般取0.1。
2. 计算(xi,yi)(i=1,2,3……)。
3. 误差验算:
设任一逼近直线MN,其方程为:ax+by+c=0,则与MN平行且距离为δ允的直线MˊNˊ的方程为:
求解联立方程:
若: 只有一个解,则逼近误差等于δ允,Δx正好满足误差要求。
没有解,则逼近误差小于δ允,Δx满足误差要求,可适当增大其取值,返回2。
有两个解,则逼近误差大于δ允,Δx太大,应减小其取值。返回2。
等间距法计算简单,但由于必须保证曲线曲率最大处的逼近误差小于允许值,所以程序可能过多。
二、等弦长直线逼近的节点计算
使所有逼近线段的长度相等。计算步骤如下:
(1)确定允许的弦长 。
用等弦长逼近,最大误差δmax一定在曲线的曲率半径最小Rmin处,则
为:
(2)求Rmin。
曲线
任一点的曲率半径为:
取dR/dx=0,即
根据
求得
,并由
式(2-3)求得x后, 将x值代入式(2-2)
求、得Rmin。
(3)以曲线起点A为圆心,做半径为
的圆交
曲线于B点,联立求解:
得节点坐标xB、yB。
(4)顺序以B、C、…..为圆心,重复步骤(3),即可求得其余各节点坐标值。
三、 等误差直线逼近的节点计算
使所有逼近线段的误差相等。计算步骤如下:
(1)以起点A(xa,ya)为圆心,以δ允为半径作圆,称为允差圆,其方程为:
记为:
(2)作圆与曲线的公切线PT,求其斜率k。
K=(yT-yP)/(xT-xP)
为求yT、yP、xT、xP,求解联立方程:
(3)以A为起点,作平行于公切线PT的直线AB,交曲线于B点。AB的方程为:
(4)求B点的坐标值。
联立求解曲线方程和AB的方程:
(5)按上述步骤顺序求得C,D,……各节点的坐标。
四、圆弧逼近的节点计算
曲率圆法,是一种等误差圆弧逼近法。计算步骤如下:
(1)以曲线的起点(xn,yn)开始作曲率圆,其参数为:
圆心:
半径:
(2)以点(δn,ηn)为圆心,(Rn±δ允)为半径作偏差圆,求偏差圆于曲线的交点(xn+1,yn+1)。
解联立方程:
(3)求过(xn,yn)和(xn+1,yn+1)两点,半径为Rn的圆的圆心,即求:
的交点(δm,ηm),该圆即为逼近圆。起点(xn,yn),终点(xn+1,yn+1),半径Rn,圆心(δm,ηm)。
(4)重复上述步骤,依次求得其他逼近圆。
