三角网格曲面上高效加工轨迹规划的黎曼测地推进方法

以复杂三角网格曲面五轴高效加工轨迹规划为研究目标，提出基于离散曲面上曲线黎曼测地推进的高效曲面加工理论和方法，引入加工过程约束，获取三角网格曲面的内蕴几何信息，规划出高效加工轨迹，为"测量-数控加工"一体化、薄壁曲面零件的闭环自适应加工、有限元优化设计与数控加工的直接集成等领域提供理论和技术基础。.研究内容：1）定义反映刀具有效切削宽度的黎曼度量，研究三角网格曲面上黎曼度量意义下曲线的测地推进算法，获得曲面上与数控加工相关的内蕴几何信息，突破传统方法中把三角网格曲面问题简化为平面问题处理的局限性；2）研究刀具轨迹对加工过程动态特性和物理因素的影响机理和仿真模型，把相关约束引入黎曼测地推进过程中，使刀具轨迹同时满足几何约束和加工过程约束；3）在测地推进基础上，将平面域高效轨迹规划方法推广到曲面，以提高平均进给率、稳定切削力和减少刀具磨损为目标，研究面向五轴高效加工的轨迹规划方法。

本项目于2010年8月批准立项，2011年1月开始实施，计划2013年12月结题。项目研究内容包括四个方面：三角网格曲面上曲线黎曼测地推进的数值算法、面向高效加工特征的曲面分割方法、加工过程约束建模和高效加工刀具轨迹规划方法、软件开发和工程应用。项目研究按原计划实施，主要完成了以下几项研究工作：(1)提出了三角网格曲面上直纹线多权重度量的测地推进数值算法，应用于有限元优化后输出的整体叶轮曲面模型和飞机结构件细碎曲面模型的直纹化，将原有的点铣加工改进为线接触的侧铣加工，提升了加工效率和表面质量；(2)提出考虑加工过程中刀具光顺性和刀具刚度因素的线接触加工刀具轨迹多目标优化模型，突破了现有线接触轨迹规划方法仅仅考虑减少逼近误差而忽略加工过程约束的局限，CIRP Fellow、法国Bernard A教授发表综述性论文总结了30年来线接触加工领域的创新性工作，其中引用了我们的工作；(3)提出了离散位置连续小线段向曲率连续轨迹转化的刀具轨迹双样条实时平滑方法，解决了二阶连续、误差约束、参数化同步等难题，突破了现有实时平滑方法仅做到一阶连续的局限；(4)研究了反求出的离散三角网格曲面上的螺旋轨迹规划方法，减少了加工轨迹中的拐角和机床振动，应用于火箭贮箱箱底曲面的整体铣削；(5)提出了五轴机床旋转轴精度和整体叶轮叶片曲面加工精度的原位测量方法，实现了叶轮曲面加工误差的原位补偿；(6)开发了整体叶轮线接触加工和插铣加工的专用软件，克服了现有叶轮加工CAM软件仅能处理直纹面叶片五轴侧铣加工的局限，提供了商用插铣软件没有的快速退刀和切宽控制功能，应用于航空发动机整体叶轮和火箭发动机变螺距诱导轮的五轴加工，提升加工效率3-4倍，成套已经应用于发动机研制和生产。(7) 在项目的资助下，已发表论文8篇，其中SCI收录4篇，EI收录4篇，递交SCI论文2篇、国际会议论文1篇，正在撰写SCI论文1篇；申请发明专利5项，已授权2项；申请软件著作权2项，其中1项通过上海市软件评测中心的成果鉴定。