T样条曲面计算机辅助制造方法与关键技术研究

【摘要】为了在计算机辅助制造过程中更方便地表达形状复杂的零件,尤其是便于对自由曲面生成多轴加工刀路,学术界和工业界一直在寻求合适的数学表达方法。多面体模型和多片张量积曲面复合模型是当前最流行的两种数学模型,但是它们在表达复杂工件和刀具路径生成方面各自有不足之处。而在另一方面,T样条曲面突破了张量积结构的桎梏,发展了局部控制域的概念,减少了曲面控制顶点数量并使其自由地排列。由于其出色的曲面表达能力,T样条已经在计算机辅助设计、造型、有限元分析等领域得到了广泛应用。针对上述CAM业界由来已久的问题,本文提出了一整套解决方案。将T样条引入CAM过程中,用于表达自由曲面。利用T样条曲面参数域原像特殊的拓扑结构,直接对其完成刀具路径规划。该项工作为解决自由曲面的计算机辅助制造提供了新思路,同时也拓展了新型曲面的应用,增强了CAD/CAM领域的交叉发展。本文完成了以下几项工作：一、经过比较和总结CAM系统自由曲面的常见数学表达方法,提出使用T样条曲面作为计算机辅助制造的数学模型。建立了T样条节点／控制顶点一体化数据结构,发展了局部控制域的概念,完善了T样条曲面点求值与局部几何性质的计算方法。在此基础上,结合刀具路径参数与误差标准,直接在T样条曲面上生成加工刀路。连通了复杂形状零件的CAD造型设计与CAM加工规划之间的鸿沟。二、针对传统等高度分层加工的加工余量不均匀、引发刀具颤振、损害成形表面等缺点,提出一种渐进型分层加工方法(Morphingmachiningstrategy,MMS)。利用了T样条曲面自由的参数域拓扑结构,将复杂的工件和毛坯形状表达于单一曲面。以切削深度和工序余量等加工参数作为约束条件,基于能量最小化方法调整控制顶点,使T样条曲面从设计形状向毛坯形状整体变形,生成一系列变形曲面。然后,将按逆序把这些曲面作为加工层,从毛坯开始逐层加工,最终得到工件的设计形状。三、提出了一种基于改进型空间填充曲线(Improvedspace-fillingcurve,ISFC)的精加工刀路生成方法。为了克服传统空间填充曲线无法在非矩形域上生成刀具路径的缺点,针对T样条曲面不规则的参数原像以及带孔洞的拓扑结构,调整网格点安排策略,保证形成合法胞腔,防止边界附近区域出现欠切削材料。另外,针对刀具路径拐角容易引起切削不足的问题,添加Hermite补偿曲线,使刀具在拐角平滑过渡并且清除多余材料。四、整合上述T样条曲面点及几何性质计算方法,渐进型分层加工方法,ISFC精加工刀路生成算法,开发了一套针对T样条曲面的CAM原型系统。该系统能够读取和查看T样条曲面,结合用户输入的加工参数,生成加工分层,并在各曲面层内规划单连通刀具路径。对于生成的刀路,系统可以进行线框走刀仿真。然后根据五轴机床配置,进行刀路后处理,输出用于实际切削加工的数控NC代码。为了验证刀路算法和软件性能,在实验章节选用了包括鼠标凸模、变速箱端盖、人造指骨模型等传统机械零件以及生物医疗器件,进行了刀路生成、软件仿真以及实际机床加工。实验成果表明了本文算法的可行性,高效性,以及软件系统的可靠性。进一步说明了T样条曲面在表达复杂零件和刀路规划方面具有优秀的性质,适合应用于自由曲面的计算机辅助制造。
【作者】甘文峰；
【导师】傅建中；贺永；沈洪垚；
【作者基本信息】浙江大学，机械制造及其自动化，2014，博士
【关键词】T样条曲面；计算机辅助制造；曲面变形；渐进型加工；改进型空间填充曲线；刀具路径生成；

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