自由曲面高效加工方法與建模技術(shù)研究

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1、自由曲面高效加工方法與建模技術(shù)研究摘要當(dāng)今的工業(yè)產(chǎn)品，呈現(xiàn)出越來越個性化和復(fù)雜化的特點，許多符合美學(xué)和物理學(xué)需求的實體表面模型很難用特定的函數(shù)來表達(dá)，以樣條基函數(shù)插值為特征的自由曲面以其良好的造型特點而成為產(chǎn)品外形設(shè)計的首選，象飛機,汽車,船舶等行業(yè)就廣泛采用了自由曲面。伴隨著產(chǎn)品外形愈來愈復(fù)雜，零件的加工也變得越來越困難和耗時。為了提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量和效率，自由曲面的高效高精加工已成為當(dāng)前加工制造業(yè)的研究熱點。而空間自由曲面的加工技術(shù)中,由于自由曲面本身的復(fù)雜性,很難建立其CAD模型,所以對于此類零件的加工,一般都要先制作產(chǎn)品的物理模型,再通過反求方法建立產(chǎn)品的C

2、AD模型。在這種技術(shù)路徑下,存在著物理模型測量數(shù)據(jù)的處理、模型重建等幾何模型處理問題，以及如何產(chǎn)生高精度加工表面的刀具加工路徑等高效工藝方法問題。為解決這些難題，本文在綜述國內(nèi)外關(guān)于自由曲面零件的數(shù)控測量方法、測量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)、曲面模型重建、加工一體化技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，從數(shù)字化測量、表面建模到數(shù)控加工集成化產(chǎn)品制造的觀點出發(fā),圍繞下述問題進(jìn)行了深入的研究。1)針對仿形測量數(shù)據(jù)包含了測量頭的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理的問題,本文分別提出了基于空間曲線二維處理方法和三維空間處理算法,在二維算法中通過折線集求等距線方法，然后通過等距線來求得測量對象實際數(shù)據(jù)，并通過算

3、法成功的解決了等距線干涉問題。在三維補償算法中，通過建立測頭數(shù)學(xué)模型，并通過測量數(shù)據(jù)的三角片建模和法矢求解來獲得測頭中心點坐標(biāo)，成功的解決了鞋楦測量的三維測頭半徑補償問題。并針對加工建模對數(shù)據(jù)的光滑要求,采用了奇異值分解的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的光滑處理。解決了用常規(guī)方法難以解決的特征點保留問題。提出采用拋物方法對鞋楦仿型測量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值和數(shù)據(jù)精簡處理。2)針對船模自由曲面的加工建模問題,本文從加工的角度探討了NURBS和B-spline樣條曲線曲面建模的方法，實現(xiàn)了船體曲線曲面建模表達(dá)。由于船體曲面的復(fù)雜和多樣性，本文提出了一種有效的多片曲面拼接和程序設(shè)計算法，提高1PDF

4、文件使用"pdfFactory"試用版本創(chuàng)建www.fineprint.com.cn了船模曲面建模的效率。并通過實例對算法進(jìn)行了驗證。3)基于離散數(shù)據(jù)的閉曲面的三維重建是建模領(lǐng)域的一個難題,但在鞋楦加工中,鞋模放樣,刀具軌跡規(guī)劃都必須要進(jìn)行三維曲面模型重建,否則,只能進(jìn)行同步仿形加工,意義不大,本文針對閉曲面的三維重建問題,從加工的角度出發(fā),提出了根據(jù)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行三角網(wǎng)格剖分和Bezier三角曲面數(shù)學(xué)建模算法.應(yīng)用本算法成功的進(jìn)行了鞋楦的三維重建。4)在數(shù)控加工中，一個重要的任務(wù)是刀具路徑規(guī)劃，其任務(wù)是將一個幾何模型轉(zhuǎn)化為數(shù)控機床所規(guī)定的NC代碼,本文研究了圓環(huán)面刀

5、具在自由曲面高速加工中的路徑規(guī)劃問題,為適應(yīng)高速高精加工要求,本文提出了等殘留高度和變步長的路徑生成方法,并研究了參數(shù)曲面的CC點求解方法和基于參數(shù)曲面的刀具干涉檢查方法。作為高效加工的主要工藝因素之一,刀具在數(shù)控加工中具有不可代替的作用,文中對一種新的刀具－園環(huán)面刀具的特性進(jìn)行了研究,建立了其刀位計算模型,行距計算模型,為刀具軌跡的精確計算提供了理論依據(jù)。5）對復(fù)雜區(qū)域組合曲面加工的路徑規(guī)劃問題進(jìn)行了探討，研究了基于平行截平面行切加工和邊界輪廓環(huán)切加工的路徑規(guī)劃算法，可處理復(fù)雜的區(qū)域形狀和島嶼加工問題。6）針對不能用常規(guī)的方法進(jìn)行鞋楦模型的數(shù)控編程這一難題，本文分

6、別提出了基于極坐標(biāo)的空間曲線無干涉刀位軌跡的算法和三維刀補模型和算法,算法包括初始刀位生成,法矢干涉處理,欠切削區(qū)域的處理以及CL數(shù)據(jù)點的光滑等,較好的解決了鞋楦模型的數(shù)控程序生成問題.該算法成功的應(yīng)用于鞋楦我們開發(fā)的鞋楦加工機上。7)上述算法與研究成果都在我們開發(fā)的數(shù)字化鞋楦測量機,加工機以及船模加工機進(jìn)行了實際應(yīng)用.因此,上述加工算法的有效性都進(jìn)行了實際加工的驗證.關(guān)鍵詞:自由曲面數(shù)控加工曲面建模直接集成加工路徑規(guī)劃極坐標(biāo)2PDF文件使用"pdfFactory"試用版本創(chuàng)建www.fineprint.com.cnRESEARCHONFREEFORMSURFACE

7、MODELINGANDNCMACHININGFORHIGH-EFFICIENCYAbstractNowadays,customersrequiremorespecialandcomplicatedproductsthatmayincludenumerousfreeformsurfacesforfinefeaturesandfunctionalrequirements.Suchfreeformsurfacesareusedinshipbuilding,automotive,andaerospaceindustries.Sincetheseproductdesign