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《广东工业大学》 2017年
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复杂曲面网格模型的直接数控加工刀具轨迹生成与实验

文豪  
【摘要】:近年来,随着航空航天、汽车、模具及消费产品等行业的快速发展,复杂曲面零件得到了越来越多的应用。三角网格模型可用于曲面零件的外观表达,具有快速灵活及拓扑适应能力强的优点,在增材制造、质量检测、再设计与再制造工程等相关技术领域得到了广泛应用。基于三角网格模型的直接数控加工可避免反求曲面模型的繁琐操作、误差控制及曲面质量等问题,是实现快速制造的一个重要途径。然而,三角网格模型仅由网格面片组成,在数控代码生成、加工精度及加工质量等方面仍存在问题,并有待于进一步的研究。本论文针对三角网格模型直接数控加工中的刀具轨迹生成方法,开展较为深入的研究。基于CL路径法的三角网格模型实验加工与缺陷分析,提出一种面向复杂曲面网格模型的刀具轨迹生成新方法,其中包括网格模型的顶点偏置方法、离散误差补偿的刀位点生成算法及双向插值的刀具轨迹生成算法,开发复杂曲面网格模型的直接数控加工系统,生成复杂曲面网格模型的刀具轨迹,实现三角网格模型的直接数控加工。本论文的主要研究内容包括以下几个方面:(1)深入调研复杂曲面网格模型的直接数控加工方法,了解该领域的国内外研究现状,分析目前三角网格模型刀具轨迹生成的CL路径法,指明当前三角网格模型刀具轨迹生成中存在的关键技术问题,确定本论文的研究内容与实施方案。(2)基于模型文件的格式描述,分析网格模型的质量问题对刀具轨迹生成的影响,提出模型数据的拓扑重构方法,为网格模型的刀具轨迹生成提供有效的模型数据。基于网格模型的CL路径法,实现粗细两种网格模型的实际加工,分析加工零件的表面质量,发现网格模型加工表面出现的凸面凹坑、凹面凹槽及区域三角化缺陷问题,明确目前网格模型CL路径法的关键技术问题。(3)研究网格模型的顶点偏置方法,提出基于边界顶点相邻网格面片补齐的边界顶点法矢修正算法及基于相邻面片偏置误差加权的顶点偏置距离补偿算法,有效改善三角网格模型的偏置效果。针对边界顶点法矢计算偏差所引起的加工过切问题,通过边界顶点相邻网格面片补齐的边界顶点法矢修正计算,消除边界区域的实际加工问题。基于偏置模型的实际偏置距离,分析模型偏置距离不足造成加工过切问题,通过基于相邻面片偏置误差加权的顶点偏置距离补偿,减小偏置模型的偏置误差。(4)研究偏置模型的刀位点生成方法,提出基于近似曲面轮廓曲线截平面求交的离散误差补偿刀位点生成算法,避免三角网格模型离散误差造成的刀位点计算精度问题。在走刀方式选择及残留高度计算的基础上,详细研究偏置模型刀位点生成的截平面求交法,探讨截平面与网格面片的位置关系,给出截面交点的计算方法。详细分析三角网格模型离散误差对截面交点计算精度的影响,重点研究网格模型加工零件表面的缺陷机理,通过刀位点的离散误差补偿,改善刀位点的计算精度。(5)研究刀位点的刀具轨迹生成方法及刀具轨迹的插补算法,提出双向插值的刀具轨迹生成算法,实现刀具轨迹的光滑处理。采用三次非均匀B样条曲线插值的方法,实现截平面方向的刀具轨迹生成及光顺处理。通过刀位点的双向插值,解决垂直于截平面方向的刀具轨迹连接问题。基于走刀步长与逼近误差的几何关系,分析样条曲线的插补方法,通过等参数直线逼近的方法,实现刀具轨迹的插补点坐标计算。(6)基于三角网格模型的刀具轨迹生成方法,开发了复杂曲面网格模型的直接数控加工系统,实现了本论文提出的面向复杂曲面网格模型刀具轨迹生成新方法。通过多个实例模型的加工实验与结果分析,对刀具轨迹生成新方法的有效性进行了验证,为复杂曲面网格模型的直接数控加工提供了有效的理论依据。最后,进行全文的总结,并总结展望在复杂曲面网格模型的直接数控加工方法研究中存在和需进一步解决的若干问题。
【学位授予单位】:广东工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TG659

【参考文献】
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