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1、自由曲面高效加工方法与建模技术研究摘要当今的工业产品，呈现出越来越个性化和复杂化的特点，许多符合美学和物理学需求的实体表面模型很难用特定的函数来表达，以样条基函数插值为特征的自由曲面以其良好的造型特点而成为产品外形设计的首选，象飞机,汽车,船舶等行业就广泛采用了自由曲面。伴随着产品外形愈来愈复杂，零件的加工也变得越来越困难和耗时。为了提高产品的加工质量和效率，自由曲面的高效高精加工已成为当前加工制造业的研究热点。而空间自由曲面的加工技术中,由于自由曲面本身的复杂性,很难建立其CAD模型,所以对于此类零件的加工,一般都要先制作产品的物理模型,再通过反求方法建立产品的C
2、AD模型。在这种技术路径下,存在着物理模型测量数据的处理、模型重建等几何模型处理问题，以及如何产生高精度加工表面的刀具加工路径等高效工艺方法问题。为解决这些难题，本文在综述国内外关于自由曲面零件的数控测量方法、测量数据预处理技术、曲面模型重建、加工一体化技术研究现状及发展趋势的基础上，从数字化测量、表面建模到数控加工集成化产品制造的观点出发,围绕下述问题进行了深入的研究。1)针对仿形测量数据包含了测量头的数据需要进行处理的问题,本文分别提出了基于空间曲线二维处理方法和三维空间处理算法,在二维算法中通过折线集求等距线方法，然后通过等距线来求得测量对象实际数据，并通过算
3、法成功的解决了等距线干涉问题。在三维补偿算法中，通过建立测头数学模型，并通过测量数据的三角片建模和法矢求解来获得测头中心点坐标，成功的解决了鞋楦测量的三维测头半径补偿问题。并针对加工建模对数据的光滑要求,采用了奇异值分解的方法进行数据的光滑处理。解决了用常规方法难以解决的特征点保留问题。提出采用抛物方法对鞋楦仿型测量数据进行插值和数据精简处理。2)针对船模自由曲面的加工建模问题,本文从加工的角度探讨了NURBS和B-spline样条曲线曲面建模的方法，实现了船体曲线曲面建模表达。由于船体曲面的复杂和多样性，本文提出了一种有效的多片曲面拼接和程序设计算法，提高1PDF
4、文件使用"pdfFactory"试用版本创建www.fineprint.com.cn了船模曲面建模的效率。并通过实例对算法进行了验证。3)基于离散数据的闭曲面的三维重建是建模领域的一个难题,但在鞋楦加工中,鞋模放样,刀具轨迹规划都必须要进行三维曲面模型重建,否则,只能进行同步仿形加工,意义不大,本文针对闭曲面的三维重建问题,从加工的角度出发,提出了根据离散数据进行三角网格剖分和Bezier三角曲面数学建模算法.应用本算法成功的进行了鞋楦的三维重建。4)在数控加工中，一个重要的任务是刀具路径规划，其任务是将一个几何模型转化为数控机床所规定的NC代码,本文研究了圆环面刀
5、具在自由曲面高速加工中的路径规划问题,为适应高速高精加工要求,本文提出了等残留高度和变步长的路径生成方法,并研究了参数曲面的CC点求解方法和基于参数曲面的刀具干涉检查方法。作为高效加工的主要工艺因素之一,刀具在数控加工中具有不可代替的作用,文中对一种新的刀具－园环面刀具的特性进行了研究,建立了其刀位计算模型,行距计算模型,为刀具轨迹的精确计算提供了理论依据。5）对复杂区域组合曲面加工的路径规划问题进行了探讨，研究了基于平行截平面行切加工和边界轮廓环切加工的路径规划算法，可处理复杂的区域形状和岛屿加工问题。6）针对不能用常规的方法进行鞋楦模型的数控编程这一难题，本文分
6、别提出了基于极坐标的空间曲线无干涉刀位轨迹的算法和三维刀补模型和算法,算法包括初始刀位生成,法矢干涉处理,欠切削区域的处理以及CL数据点的光滑等,较好的解决了鞋楦模型的数控程序生成问题.该算法成功的应用于鞋楦我们开发的鞋楦加工机上。7)上述算法与研究成果都在我们开发的数字化鞋楦测量机,加工机以及船模加工机进行了实际应用.因此,上述加工算法的有效性都进行了实际加工的验证.关键词:自由曲面数控加工曲面建模直接集成加工路径规划极坐标2PDF文件使用"pdfFactory"试用版本创建www.fineprint.com.cnRESEARCHONFREEFORMSURFACE
7、MODELINGANDNCMACHININGFORHIGH-EFFICIENCYAbstractNowadays,customersrequiremorespecialandcomplicatedproductsthatmayincludenumerousfreeformsurfacesforfinefeaturesandfunctionalrequirements.Suchfreeformsurfacesareusedinshipbuilding,automotive,andaerospaceindustries.Sincetheseproductdesign
