自由曲面加工刀具路径轨迹规划算法研究
自由曲面零件以其优良的空气动力学、流体动力学和热力学等特性，广泛应用于航空航天、造船、汽车、模具制造等领域。自由曲面造型技术已经比较成熟，但是相对而言，自由曲面的加工技术发展稍显落后，随着多轴联动加工中心的发展，自由曲面的数控编程，作为自由曲面设计和多轴联动加工自由曲面的桥梁，越来越凸显出其重要性，特别是其刀具路径轨迹规划技术研究成为该领域内的一个研究热点和难点。
论文系统地研究了国内外关于自由曲面加工刀具路径轨迹规划的研究进展，以提高自由曲面的表面加工质量和加工效率为目标，对自由曲面加工的刀具路径轨迹规划的若干关键技术进行了深入研究，提出了自由曲面加工的多刀具组合自动优化算法、等弓高误差变步长算法、基于等残余高度线的刀具路径轨迹规划算法和基于关键刀触点提取的样条曲线插补加工刀具路径轨迹生成算法等。
论文的主要研究成果和创新点总结如下：
提出了一种自由曲面加工多刀具组合自动优化算法。改进了遗传算法，为适应自由曲面的主曲率特性，设计了一种新的非线性自适应度函数，给出了新的复制规则，求取自由曲面上的最大主曲率点，以获取满足无曲率干涉加工自由曲面的最大刀具尺寸；提出了自由曲面加工局部干涉区域边界追踪算法，用于曲面分区域划分，然后分区域规划刀具路径轨迹，建立了刀具路径轨迹总长度和刀具尺寸之间的函数关系式，采用遗传算法求取使得加工效率最高的多刀具组合。
提出了一种等弓高误差变步长算法。算法给出了步长范围内弓高误差的计算方法，然后将黄金分割法应用到最大弓高误差的求取和变步长参数点的求取，给出了基于曲率半径符号判别的弓高误差校核方法，避免了弓高误差中点校核法可能的错误判断，最后给出了完整的等弓高误差变步长算法。
提出了一种基于等残余高度线的刀具路径轨迹规划算法。由当前刀具路径轨迹计算等残余高度线，根据等残余高度线计算相邻刀具路径轨迹，循环下去直到结束；给出了计算投影点的Newton-Raphson迭代法和计算等残余高度点、相邻刀具路径轨迹刀位点的Newton迭代法；给出了根据自由曲面在步距方向的曲率半径和刀具尺寸计算迭代角度初值的方法，与二分法相比提高了计算效率；最后给出了完整的算法流程图。
提出了基于关键刀触点提取的样条曲线插补加工刀具路径轨迹生成算法。首先根据离散曲率极值点提取初始关键刀触点，提出了基于偏差分析的多点调整算法，用于确定每次需要新增关键刀触点的个数，然后基于形状指数分析提取出新增关键刀触点；提出了根据提取的所有关键刀触点建立节点矢量的新方法，采用最小二乘法进行B样条曲线逼近；定义了一种新的五轴联动双NURBS样条曲线插补G代码格式，并给出了根据前述刀具路径轨迹规划结果直接生成五轴联动双NURBS样条曲线插补G代码的方法。
自由曲面;遗传算法;等残余高度线;刀具路径轨迹规划;样条曲线插补;多轴联动加工中心
南京航空航天大学
博士
机械电子工程
赵东标
2011
中文
TG659
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2013-06-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）