T樣條曲面計算機輔助制造方法與關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、為了在計算機輔助制造過程中更方便地表達形狀復雜的零件，尤其是便于對自由曲面生成多軸加工刀路，學術(shù)界和工業(yè)界一直在尋求合適的數(shù)學表達方法。多面體模型和多片張量積曲面復合模型是當前最流行的兩種數(shù)學模型，但是它們在表達復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數(shù)量并使其自由地排列。由于其出色的曲面表達能力，T樣條已經(jīng)在計算機輔助設計、造型、有限元分析等領

2、域得到了廣泛應用。針對上述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，用于表達自由曲面。利用T樣條曲面參數(shù)域原像特殊的拓撲結(jié)構(gòu)，直接對其完成刀具路徑規(guī)劃。該項工作為解決自由曲面的計算機輔助制造提供了新思路，同時也拓展了新型曲面的應用，增強了CAD/CAM領域的交叉發(fā)展。本文完成了以下幾項工作:
　　一、經(jīng)過比較和總結(jié)CAM系統(tǒng)自由曲面的常見數(shù)學表達方法，提出使用T樣條曲面作為計算機輔助制造的數(shù)學模

3、型。建立了T樣條節(jié)點/控制頂點一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，發(fā)展了局部控制域的概念，完善了T樣條曲面點求值與局部幾何性質(zhì)的計算方法。在此基礎上，結(jié)合刀具路徑參數(shù)與誤差標準，直接在T樣條曲面上生成加工刀路。連通了復雜形狀零件的CAD造型設計與CAM加工規(guī)劃之間的鴻溝。
　　二、針對傳統(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，提出一種漸進型分層加工方法（Morphing machining strategy，MMS）。利用

4、了T樣條曲面自由的參數(shù)域拓撲結(jié)構(gòu)，將復雜的工件和毛坯形狀表達于單一曲面。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，使T樣條曲面從設計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，最終得到工件的設計形狀。
　　三、提出了一種基于改進型空間填充曲線(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，針對T樣條曲面不規(guī)則的參數(shù)原像以及帶孔洞的拓撲結(jié)構(gòu)，調(diào)整網(wǎng)格點安排策略，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，針對刀具路徑拐角容易引起切削不足的問題，添加Hermite補償曲線，使刀具在拐角平滑過渡并且清除多余材料。
　　四、整合上述T樣條曲面點及幾何性質(zhì)計算方法，漸進型分層加工方法，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。對于生成的刀路，系統(tǒng)可以進行線框走刀仿真。然后根據(jù)五軸機床配置，進行刀路后處理，輸出用于實際切削加工的數(shù)控NC代碼。
　　為了驗證刀路算法和軟件性能，在實驗章節(jié)選用了包括鼠標凸模、變速箱端蓋、人造指骨模型等傳統(tǒng)機械零件以及生物醫(yī)療器件，進行了刀路生成、軟件仿真以及實際機床加工。實驗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。