T樣條曲面計(jì)算機(jī)輔助制造方法與關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、為了在計(jì)算機(jī)輔助制造過程中更方便地表達(dá)形狀復(fù)雜的零件，尤其是便于對(duì)自由曲面生成多軸加工刀路，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界一直在尋求合適的數(shù)學(xué)表達(dá)方法。多面體模型和多片張量積曲面復(fù)合模型是當(dāng)前最流行的兩種數(shù)學(xué)模型，但是它們?cè)诒磉_(dá)復(fù)雜工件和刀具路徑生成方面各自有不足之處。而在另一方面，T樣條曲面突破了張量積結(jié)構(gòu)的桎梏，發(fā)展了局部控制域的概念，減少了曲面控制頂點(diǎn)數(shù)量并使其自由地排列。由于其出色的曲面表達(dá)能力，T樣條已經(jīng)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、造型、有限元分析等領(lǐng)

2、域得到了廣泛應(yīng)用。針對(duì)上述CAM業(yè)界由來已久的問題，本文提出了一整套解決方案。將T樣條引入CAM過程中，用于表達(dá)自由曲面。利用T樣條曲面參數(shù)域原像特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直接對(duì)其完成刀具路徑規(guī)劃。該項(xiàng)工作為解決自由曲面的計(jì)算機(jī)輔助制造提供了新思路，同時(shí)也拓展了新型曲面的應(yīng)用，增強(qiáng)了CAD/CAM領(lǐng)域的交叉發(fā)展。本文完成了以下幾項(xiàng)工作:
　　一、經(jīng)過比較和總結(jié)CAM系統(tǒng)自由曲面的常見數(shù)學(xué)表達(dá)方法，提出使用T樣條曲面作為計(jì)算機(jī)輔助制造的數(shù)學(xué)模

3、型。建立了T樣條節(jié)點(diǎn)/控制頂點(diǎn)一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，發(fā)展了局部控制域的概念，完善了T樣條曲面點(diǎn)求值與局部幾何性質(zhì)的計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合刀具路徑參數(shù)與誤差標(biāo)準(zhǔn)，直接在T樣條曲面上生成加工刀路。連通了復(fù)雜形狀零件的CAD造型設(shè)計(jì)與CAM加工規(guī)劃之間的鴻溝。
　　二、針對(duì)傳統(tǒng)等高度分層加工的加工余量不均勻、引發(fā)刀具顫振、損害成形表面等缺點(diǎn)，提出一種漸進(jìn)型分層加工方法（Morphing machining strategy，MMS）。利用

4、了T樣條曲面自由的參數(shù)域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將復(fù)雜的工件和毛坯形狀表達(dá)于單一曲面。以切削深度和工序余量等加工參數(shù)作為約束條件，基于能量最小化方法調(diào)整控制頂點(diǎn)，使T樣條曲面從設(shè)計(jì)形狀向毛坯形狀整體變形，生成一系列變形曲面。然后，將按逆序把這些曲面作為加工層，從毛坯開始逐層加工，最終得到工件的設(shè)計(jì)形狀。
　　三、提出了一種基于改進(jìn)型空間填充曲線(Improved space-filling curve，ISFC)的精加工刀路生成方法。為了克服傳

5、統(tǒng)空間填充曲線無法在非矩形域上生成刀具路徑的缺點(diǎn)，針對(duì)T樣條曲面不規(guī)則的參數(shù)原像以及帶孔洞的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，調(diào)整網(wǎng)格點(diǎn)安排策略，保證形成合法胞腔，防止邊界附近區(qū)域出現(xiàn)欠切削材料。另外，針對(duì)刀具路徑拐角容易引起切削不足的問題，添加Hermite補(bǔ)償曲線，使刀具在拐角平滑過渡并且清除多余材料。
　　四、整合上述T樣條曲面點(diǎn)及幾何性質(zhì)計(jì)算方法，漸進(jìn)型分層加工方法，ISFC精加工刀路生成算法，開發(fā)了一套針對(duì)T樣條曲面的CAM原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠

6、讀取和查看T樣條曲面，結(jié)合用戶輸入的加工參數(shù)，生成加工分層，并在各曲面層內(nèi)規(guī)劃單連通刀具路徑。對(duì)于生成的刀路，系統(tǒng)可以進(jìn)行線框走刀仿真。然后根據(jù)五軸機(jī)床配置，進(jìn)行刀路后處理，輸出用于實(shí)際切削加工的數(shù)控NC代碼。
　　為了驗(yàn)證刀路算法和軟件性能，在實(shí)驗(yàn)章節(jié)選用了包括鼠標(biāo)凸模、變速箱端蓋、人造指骨模型等傳統(tǒng)機(jī)械零件以及生物醫(yī)療器件，進(jìn)行了刀路生成、軟件仿真以及實(shí)際機(jī)床加工。實(shí)驗(yàn)成果表明了本文算法的可行性，高效性，以及軟件系統(tǒng)的可靠性。