随着样条插补在数控系统中的广泛应用,高速高精加工已经成为当今制造业领域的新要求。一些高档的商用数控系统已经实现了多种样条曲线的插补功能。相比传统的微小线段和圆弧段插补,样条插补可以减小CAD/CAM与CNC系统之间的通信负担,而且避免高速加工中加速度和加加速度的频繁变化,提高加工质量。但是,西方发达国家一直在高档数控系统出口方面,对我国进行限制。因而,研究基于样条插补的高质量加工的关键技术对于我国自主研发高档数控系统具有重要的理论和现实意义。本文根据样条曲线插补和速度规划的基本理论,针对复杂工件的高速、高精、高质量加工问题,围绕样条插补的三个关键技术:曲线拟合、实时插补和速度规划,开展了以下的研究工作:(1)样条曲线拟合条件和拟合方法。为了提高列表曲线的加工速度和加工质量,提出了用Akima曲线将连续数据点拟合成光滑的样条曲线进行加工的方法。课题重点研究了Akima曲线的拟合准则和拟合方法,即首先用双弦高误差准则和切线误差准则来来识别出可以拟合成Akima曲线的连续加工区域,然后用五点Akima算法将连续的微小线段拟合成光滑的样条曲线进行插补。仿真和实验结果表明,本文提出的Akima曲线插补算法可以平滑加工路径,提高加工精度。而且Akima曲线的数学计算比较简单,所以Akima样条拟合插补算法可以提高列表曲线的加工效率和质量。(2)逼近弦长的实时样条曲线插补技术。针对目前常用的Taylor系列展开法在实时样条曲线插补时,进给速度波动难以避免的问题,提出了用实际进给弦长逼近理论进给弦长的策略进行实时插补的方法,并分别采用牛顿迭代法、弦截法和抛物线插值结合牛顿法来实时计算插补参数。实验证明,本课题提出的实时插补算法稳定性好,运算精度高,能够满足实时插补的要求,且能够将实时插补产生的进给速度波动控制在理想的水平。(3)柔性加减速控制算法。针对数控系统高速加工中,由于速度、加速度和加加速度不平滑引起数控机床振动,影响数控系统加工速度、加工精度和加工质量的问题,提出了能够实现加加速度连续变化的四次多项式速度规划算法和线性三角函数速度规划算法,并对目前常用的五段S曲线加减速算法、三次多项式算法和三角函数算法进行了简化。仿真插补和实验表明了四次多项式速度规划算法和线性三角函数速度规划算法能实现柔性加减速控制,适用于高质量加工。(4)基于前瞻的样条曲线插补方法。为了在速度规划时,提高插补的实时性,本课题提出两种基于前瞻的样条曲线插补方法。针对列表曲线,提出了基于前瞻的Akima曲线拟合插补算法,通过前瞻来保证加工精度;针对NURBS曲线、B样条等参数曲线的加工,则提出了基于两次前瞻的速度规划算法,同时考虑了加工精度、加速度和加加速度的约束。仿真和实验结果证明了这两种方法可以减小机床振动,提高加工质量。本文围绕基于样条插补的高质量加工关键技术展开。对于列表曲线的加工,提出了Akima样条曲线的拟合准则和拟合方法,并实现了基于前瞻的Akima曲线拟合插补算法;独立提出了用实际进给弦长逼近理论进给弦长的策略进行实时插补的方法,实现了用牛顿迭代法、弦截法和抛物线插值结合牛顿法来实时计算插补参数的方法,并介绍了应用领域;简化了常用的加减速控制方法,然后提出了能够实现速度、加速度和加加速度平滑变化的四次多项式加减速控制算法和线性三角函数速度规划算法,实现了基于两次前瞻的速度规划方法。仿真和实验结果证明了上述算法的有效性。