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CNC 插补算法项目

这是一个使用 Python 实现的 CNC (计算机数控) 插补算法项目。项目的主要功能包括曲线插补、进给率规划、前瞻算法等，旨在提升数控机床的插补精度与平滑性。

项目介绍

本项目实现了CNC插补相关的各种算法，适用于高精度数控系统。主要的应用包括直线与曲线插补、基于运动学的进给率规划、前瞻算法以及刀具路径的平滑处理。

主要功能

  • 曲线表示与插补: 支持插补多种参数曲线，如直线、B样条曲线、Bezier曲线、NURBS曲线等。
  • 进给率规划: 实现了基于五阶段和七阶段模型的运动学规划。
  • 前瞻算法: 使用双向扫描实现速度限制计算，优化插补过程。
  • 刀具路径平滑: 实现路径转折处的平滑过渡，减少机械抖动。
  • 插补器: 基于运动学规划生成离散的插补点序列。

项目结构

cnc_interpolation/
├── core/                       # 核心算法模块
│   ├── curve.py                # 各种参数曲线的定义与计算
│   ├── feedrate_profiles       # 进给率曲线的实现
│   ├── look_ahead.py           # 前瞻算法实现
│   ├── toolpath.py             # 刀具路径的定义与处理
│   └── interpolator.py         # 插补器实现
├── docs/                       # 原理文档与算法说明
├── examples/                   # 示例代码和Jupyter笔记本
├── experiments/                # 实验与性能测试代码
├── papers/                     # 第三方论文的复现实现
├── tests/                      # 项目测试模块
└── utils/                      # 工具函数模块

安装说明

  1. 克隆项目到本地：

    git clone https://github.com/Theigrams/cnc_interpolation.git
cd cnc_interpolation

  2. 安装依赖：

    pip install -r requirements.txt

  3. 添加项目路径到 Python 环境变量：

    export PYTHONPATH=$PYTHONPATH:$(pwd)

使用说明

  1. 示例程序: 查看 examples/rhombic_interpolation.ipynb 了解基础的插补算法。

  2. 运行测试: 使用 pytest 运行单元测试：

    pytest

  3. 修改进给率规划算法: 可以通过修改 core/feedrate_scheduler.py 来切换不同的进给率规划模型：

    • 使用七阶段模型：

      from core.feedrate_profiles import SevenPhaseProfile as FeedrateProfile

    • 使用五阶段模型：

      from core.feedrate_profiles import FivePhaseProfile as FeedrateProfile

主要模块

  • curve.py: 定义了支持的各种参数曲线，包括 B样条、Bezier 曲线和 NURBS。
  • feedrate_profiles: 实现了不同阶段的进给率曲线模型，包括五阶段和七阶段模型。
  • look_ahead.py: 前瞻算法，优化路径规划中的速度限制。
  • toolpath.py: 定义和处理刀具路径。
  • interpolator.py: 负责生成离散的插补点序列。

参考论文

  • Xu2018: 基于双三次 B 样条的外切圆角方法。
  • Zhao2013: 基于 B 样条过渡的实时前瞻插补方法。