点云模型的数控加工刀轨生成关键技术研究

摘要

逆向工程中,对点云模型生成数控加工刀轨,通常要先构造曲面或者网格模型,再对曲面或网格生成加工刀轨。但构造曲面或网格模型是一个复杂、费时的过程,直接对点云生成数控加工刀轨,可以省去重构的过程,大幅缩短数控加工刀轨的计算时间,因此该方法已经成为国际上的研究热点之一。
　　论文回顾了国内外点云刀轨生成技术的研究成果,并对点云模型直接生成加工刀轨的关键技术进行了深入研究,提出了点云模型的层切法粗加工刀轨生成算法、等残留高度法精加工刀轨生成算法、截面线等误差法精加工刀轨生成算法和点云模型局部修改后的刀轨重新生成算法。论文的主要研究成果与创新点概括如下:
　　提出了一种点云模型的层切法粗加工刀轨生成算法。算法采用分层切削法规划刀轨,为了高效地求出点云刀位面,将点云划分到立方体栅格中,利用反置刀具法计算出由栅格组成的刀位面,以此规划平底铣刀在切削层上的等间距行切刀轨。给出了一种根据刀轨之间的投影和距离连接刀轨的方法,该方法无需获取加工区域边界和刀轨之间关系,只需计算刀轨端点切削区域是否相连,在相连处直接连接刀轨端点,形成连续的刀轨,使平底铣刀在抬刀前走过所有可走的刀轨。为了减少平底铣刀切削后的台阶状余料,规划了球头刀行切刀轨并给出了刀轨优化的方法。
　　提出了一种点云模型的等残留高度法精加工刀轨生成算法。算法对球头刀生成三坐标加工刀轨,首先对当前行的刀位点建立局部坐标系,计算刀具投影范围内的点云与刀位点切矢平面的交点点集,以点集中每个点为圆心、残留高度值为半径创建圆,等价地表示残留高度面,与切矢平面上的刀具圆求交,具有坐标极值的交点即为要求的残留高度点;再对残留高度点建立局部坐标系,计算出位于残留高度点的刀具圆上无干涉的刀位点,即相邻行刀位点。依此类推,连接刀位点形成刀轨。该算法不需要将点云转化为曲面,也不需要计算点云的等距面,解决了一直以来因离散点云难以生成等距面而无法对其直接生成等残留高度刀轨的问题。
　　提出了一种点云模型的截面线等误差法精加工刀轨生成算法。算法对截面线法获得的刀具路径上密集的刀位点逐点建立以弓高误差为半径的圆,以首个刀位点作为首个等误差刀位点,计算到后续刀位点弓高误差圆切线之间区域的交集,直至交集为空,获取最小非空交集区域,在此交集区域内规划的刀轨与遍历过的刀位点弓高误差圆相交或相切,满足了误差要求。以此区域边界与遍历过的刀位点连成的折线求交,距离该等误差刀位点最远的交点即为下一个等误差刀位点。依此类推,可求出所有等误差刀位点。算法解决了现有算法无法对刀位点点集计算等误差刀位点的问题。为了提高刀轨光顺性,给出了圆弧插值算法,可对等误差刀位点生成了G1连续的圆弧刀轨。
　　提出了一种点云模型局部修改后的刀轨重新生成算法。算法将点云划分到立方体栅格中,对比修改前后的点云,运用栅格表示修改区域,只识别出修改区域内外受修改影响的刀轨并重新生成,继续沿用未修改区域的刀轨,从而最大限度地重用已有成熟刀轨。算法先识别出受修改影响的粗加工刀轨,运用提出的粗加工刀轨生成算法重新计算,再识别出精加工刀轨,逐行重新计算刀位点的坐标,通过新增刀位点使其满足步长方向上的误差,然后计算新生成的刀位点与邻行刀轨的残留高度,通过新增若干行刀轨使其满足残留高度要求。
　　论文研究提出的方法和算法均已在OpenCASCADE几何平台和Visual C++6.0平台下实现,并通过例子进行了验证。

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图清单

表清单

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 逆向工程概述

1.3 数控加工技术概述

1.4 点云模型生成数控加工刀轨技术简介

1.5 论文的选题依据与研究内容

第二章 点云模型的层切法粗加工刀轨生成算法

2.1 引言

2.2 点云模型的栅格化

2.3 点云刀位面的计算

2.4 基于栅格刀位面计算粗加工刀轨

2.5 算例

2.6 本章小结

第三章 点云模型的等残留高度法精加工刀轨生成算法

3.1 引言

3.2 残留高度点的计算

3.3 相邻刀具路径的刀位点计算

3.4 满足弓高误差的刀位点计算

3.5 算例

3.6 本章小结

第四章 点云模型的截面线等误差法精加工刀轨生成算法

4.1 引言

4.2 截面线等误差法生成刀轨

4.3 算例

4.5 本章小结

第五章 点云模型局部修改后的刀轨重新生成算法

5.1 引言

5.2 点云模型局部修改后的粗加工刀轨重新生成算法

5.3 点云模型局部修改后的精加工刀轨重新生成算法

5.4 算例

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文