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金属板材渐进成形CAM技术研究

李敏  
【摘要】:金属板材渐进成形技术是一种具有影响力的先进制造技术。该技术由于不需要专用的模具,是一种柔性的成形工艺,特别适用于汽车、航天航空、医疗等领域的小批量、多品种的产品以及新产品开发。板材渐进成形路径对成形精度、表面质量、厚度分布及成形时间等产生直接影响,是板材渐进成形技术的一个关键问题。板材渐进成形CAM技术的直接目的就是生成面向板材渐进成形工艺的成形路径,但目前尚未见到关于板材渐进成形专用CAM软件研究的报导。为了将金属板材渐进成形技术和相应的专用CAM软件进一步推广应用到各个领域,本文在前人工作的基础上,针对金属板材渐进成形CAM技术中的两个核心方面,即CAM基础几何算法的稳健性问题和板材渐进成形路径的生成问题进行了系统深入的研究,主要研究内容及结论如下: 2D多边形轮廓求交算法是实现多边形轮廓布尔运算、无效环去除算法等的关键基础。本文提出了一种优化的基于热点技术的2D多边形轮廓求交算法。热点技术基于整型数实施,是一种精确几何运算方法,从而实现该算法的稳健性。通过给出基于严格单调链的扫描线算法、及提出基于矢量叉积符号来判断边与热点区域相交性的方法,可充分利用基于整型数运算的优势而实现该算法的高效性。性能测试结果表明,该算法效率高和稳健性强。 在刀位点轮廓计算过程中,多边形轮廓间会频繁实施布尔运算且轮廓中存在大量的退化情况。基于进点出点概念实现的G-H算法是公认最高效的布尔运算,但对于退化情况没有有效解决,存在很严重的稳健性问题。针对该问题,本文提出了一种新的2D多边形轮廓布尔运算方法。所有的退化情况根据交点处边的位置关系可分类为相切情况、重合边情况和重合交点情况。通过给出虚拟交点和虚拟多边形概念,可以将所有退化情况与一般情况实现统一处理,相应的提出了交点换向准则,并实现了布尔算法。评估结果表明,本方法有效地解决了G-H算法针对退化情况存在的稳健性问题;且与KBool算法相比,计算效率可稳定提高6-8倍;此外,该算法适用于处理除自交多边形以外的其它任意类型多边形;因此,该方法是高性能的。 刀触点轮廓和刀位点轮廓是生成成形路径的基础,这些轮廓中存在的2D无效环是影响成形路径生成的一个关键问题。目前还未见到针对一般情况和退化情况下的无效环处理的系统的解决方案,且同时适用于处理刀触点轮廓和刀位点轮廓。本文基于复杂多边形遍历分解策略提出了一种通用的2D无效环去除方法。通过提出虚拟自交多边形概念和最优出点方向判定准则,可以将所有的退化情况集成到一般情况实施统一处理;通过提出分解多边形序列有效走向概念,该方法可以适用于处理刀触点轮廓和刀位点轮廓;并实现了相应的无效环去除算法。测试结果表明,该通用方法同时具备高效和可靠的特点。 已有板材渐进成形路径生成方法未能考虑该工艺独有的特点:能实现正向和反向两种渐进成形方式、及引入了快速原型技术的分层制造思想。本文提出了一种有效的解决方法。该方法基于刀触点直接生成刀位点的思想来实施,通过分析环形成形工具头与模型表面的干涉特点,综合考虑相切情况和相交情况,提出了一种离散模型来计算无干涉刀位点信息,然后,基于计算得到的刀位点轮廓可规划出各种类型的成形路径以满足不同的板材渐进成形工艺需求。该方法解决了正向与反向渐进成形方式的路径生成问题,可以应用于任意形状的成形工具头,且适用于处理带缺陷的STL模型。评估结果及加工试验表明,该路径生成方法是高效的,且生成路径是高精度的。 板材渐进成形时间过长是影响该技术应用的一个重要问题。针对该问题,提出了一种基于单元的成形路径生成方法。首先,分析适用于渐进成形工艺的单元路径规划准则;然后,对数据模型进行分层计算得到一系列等高线刀位点轮廓,建立每层轮廓内的环之间的拓扑关系(C-Net结构),以及每层轮廓之间的拓扑关系(Z-C-Net结构);最后,结合单元路径规划准则,从Z-C-Net结构中提取出单元序列,并对各个单元实施合适的子路径规划,以及子路径之间实施合理的连接,使成形路径最短。试验结果表明,针对多轮廓特征模型,在保证成形质量的基础上,可以显著提高成形效率,有效的解决了板材渐进成形时间过长的问题。 根据与CAM知识的关联程度,提出了一种具有柔性的层次化的软件体系结构,并相应的开发出了板材渐进成形专用CAM软件AFS2。上述研究内容均已实现,并集成至AFS2中。目前该软件已在汽车工业领域获得推广应用。


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