面向STL数控加工的刀具轨迹规划及系统实现

摘要

STL（Stereo Lithography）即为三维实体模型文件经过三角化处理后得到的模型文件，是为快速原型制造（RPM）服务的文件格式。UGNX，Pro/E，CATIA等大多数的CAD/CAM系统都能导出STL文件，但没有处理STL模型的能力；针对参数模型的自动刀轨生成算法已经成熟，但是针对STL离散三角网格模型的算法较少，无法实现异构CAD/CAM系统之间的数据共享，导致设计部分与制造部门之间难以做到数据的顺利交流。因此，研究面向STL文件的数控加工方法就成为学术界和企业界亟待解决的问题。
　　针对面向STL数控加工的刀具轨迹规划及系统实现，本文对以下四方面进行了研究：（1）面向STL的数控加工系统框架及STL分层分析；（2）平面闭合曲线的偏置算法分析；（3）刀具轨迹连接接算法及后置处理分析；（4）对刀具轨迹规划进行了研究，并给出了实例，验证了其轨迹规划的可行性。
　　首先就面向STL的数控加工系统分析了国内外研究现状，对面向STL的刀具轨迹规划的相关理论及方法进行了研讨，对面向STL的数控加工系统框架做详细阐述，分析系统组成，给出刀具轨迹规划子系统构架，对STL文件的分层进行讨论。通过对各自刀具轨迹生成方法的对比，选用等距偏置法获得刀具轨迹，实现高效的无退刀加工的刀具轨迹生成方法。
　　其次，对平面闭合曲线的偏置算法进行了分析研究，为了获得偏置曲线，提出了一种基于原始环的平面闭合曲线偏置算法，以STL的轮廓线以及毛坯的轮廓线为基础，采用顶点偏置法，对毛坯轮廓和STL轮廓进行偏置处理，获得初步偏置曲线，通过对无效偏置曲线的去除，实现了等距刀具轨迹线的自动生成。
　　再次，对刀具轨迹连接算法及后置处理进行了分析研究，提出了无退刀刀具轨迹连接算法，避免了刀具在每层加工时反复退刀，提高了加工效率。获得刀位文件后，结合后置处理，得到可用于数控机床的数控程序。
　　最后在上述理论和方法的研究基础上开发了一个应用系统——面向STL的数控加工系统，通过案例验证了系统的正确性。系统使用Visual C++作为平台开发，使用Open GL实现STL的显示，使用Open Mesh实现STL数据的存储，其它代码使用C++编写完成。通过调用Open GL库，可以实现图形的几种变换，同时系统既可以通过菜单栏进行操作，又能通过图形按钮实现同样的操作，增加了系统的可操作性。同时将各功能模块化，使之易于扩充与修改，从而使得系统具有不断完善的能力。
　　本文的主要创新点主要体现在：（1）提出了等距偏置法生成刀具轨迹，既能保证加工精度，又能实现高效加工，同时完成了面向STL的数控加工系统的开发。（2）提出以原始环为基准的平面闭合曲线偏置算法，改进了算法的缺陷，减少了曲线偏置的误差，便于获得精确的等距刀具轨迹。（3）设计了无退刀刀具轨迹连接算法，使得刀具在加工每一层时无需退刀，提高了数控机床的工作效率。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在问题

1.4 研究目标和内容

第二章 面向STL的数控加工系统框架及STL分层

2.1 面向STL的数控加工系统框架及组成

2.2 刀具轨迹规划子系统架构

2.3 加工方式的选择

2.4 STL的分层处理

2.5 本章小结

第三章 平面闭合曲线的偏置算法

3.1 点的偏置方式

3.2 线段方向的判定

3.3 获得初步偏置曲线

3.4 去除无效曲线

3.5 终止条件

3.6 偏置算法的实现流程

3.7 本章小结

第四章 刀具轨迹连接及后置处理

4.1 无退刀刀具轨迹连接

4.2 后置处理

4.3 本章小结

第五章 面向STL的数控加工系统实现及验证

5.1 系统实现特点

5.2 系统实现及实例

5.3 本章小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢