基于STL模型的数控加工仿真关键技术研究

摘要

精度和速度的权衡是数控加工仿真不可回避的矛盾问题。基于STL模型的数控加工仿真方法具有仿真精度高且模型数据便于交换的优点，但是由于STL模型之间的布尔运算计算复杂且计算量大，因此也存在着仿真速度慢的不足。为了在保证仿真精度的前提下提高仿真速度，本文提出并实现了基于STL模型的数控加工仿真方法，重点研究了仿真效率的优化方法。
　　本研究主要内容包括：⑴以包络理论为基础，根据刀具的几何特点和运动特点，提出了一种结合插值法、离散法和二分查找法计算包络点位置的方法，实现了对刀具扫描体的快速准确建模。同时，对刀具扫描体建模过程中可能出现的自相交问题，提出了预判与解决的方法。本文提出的刀具扫描体建模方法适用于任意形状的回转刀具，并且适用于多轴数控加工仿真。⑵实现了一种STL模型的精确布尔运算算法，研究了算法中出现的三角面片共面、共边和无效交线等几何奇异性问题，提高了算法的可靠性。该算法由三角面片的相交性测试、相交三角形的区域剖分、相对位置关系测试等步骤组成。⑶综合实体分割法和空间网格法的优点将两者结合使用。首先使用实体分割法将一个完整的工件分割为若干个子工件，通过包围盒算法快速排除不可能与刀具扫描体相交的子工件。对于可能与刀具扫描体相交的子工件，采用空间网格法将相交三角面片的搜索范围缩小到空间单元格内部，从而减少了相交性测试的计算量并提高了数控加工仿真的效率。最后以注塑模具型芯件的加工仿真为例对这两种方法的优化效果做了测试，结果表明STL模型越复杂优化效果越显著。⑷在研究刀具扫描体快速造型算法、STL模型布尔运算算法以及相交性测试优化算法的基础上，实现了动态切削仿真并对仿真结果进行了几何精度验证。几何精度验证算法主要由采样点计算和有向距离计算两个步骤组成。通过几何精度验证算法可以将仿真结果与设计模型进行定量分析比较，从而检验数控编程是否满足精度要求。

目录

声明

致谢

1绪论

1.1研究背景

1.2研究现状

1.3研究目的

1.4研究内容

2.1引言

2.2刀具建模

2.3刀具扫描体建模

2.4自相交的预判与处理

2.5本章小结

3.1引言

3.2三角面片相交性测试

3.3相交三角形的剖分

3.4位置关系测试

3.5生成新的实体

3.6本章小结

4.1引言

4.2实体分割法

4.3空间网格法

4.4算法性能测试

4.5本章小结

5.1引言

5.2数控加工仿真的实现

5.3仿真结果的几何精度验证

5.4本章小结

6.1总结

6.2展望

参考文献

作者简历