基于弹塑性展平的网格曲面高效数控加工变距刀轨设计方法

本项目瞄准数控加工最新发展趋势，着重解决限制网格曲面加工效率提高的走刀路径重叠问题。运用现代微分几何学中的活动标架方法及网格曲面的线性描述优势，快速构建各种约束作用下的刀具运动几何可行空间，进而实现对刀具姿态调整中最大可行走刀行距的精确控制，并以此驱动刀具轨迹曲线拓扑形状的排布设计。引入弹塑性变形理论，建立能够真实模拟金属薄板冲压成形逆过程的网格曲面物理展平模型，解决轨迹曲线推进过程中产生的复杂空间干涉自交，突破限制网格曲面上轨迹曲线变距排布的瓶颈问题。在上述工作基础上，提出面向网格曲面高效数控加工的变距刀轨设计方法，实现增大轨迹间走刀行距、减少路径重叠，提高网格曲面加工效率的目的，为复杂曲面的高效加工提供新的思路和技术支持。

将网格曲面作为复杂曲面加工阶段的描述模型是数控加工领域中新的研究热点，也是越过从测量数据到参数曲面的繁琐构造过程，直接基于点云或点云三角化网格模型实现复杂曲面高效加工的迫切需求。本项目瞄准这一数控加工领域中的最新发展趋势，重点围绕复杂网格曲面上各种高效刀具路径设计方法进行了深入研究，也对相关刀轨设计理论在复杂模具型腔高速铣削、拼接裁剪曲面边界一致性加工、复杂曲面上三维图案雕刻和喷绘中的应用进行了探索。在实现复杂网格曲面展平的几何处理算法和模拟车身冲压成型逆过程的弹塑性展平算法的基础上，发展出了能够实现网格曲面高效数控加工的变行距刀轨设计方法，实现了复杂网格曲面上加工路径生成操作的降维处理，并进一步提出了偏置刀轨曲线局部环的新概念，给出了消除复杂曲面上偏置刀轨自交干涉问题的旋向规则，突破了目前直接投影法或参数域法的局限性，实现了复杂零件曲面上开、闭加工路径复杂局部、全局自交干涉的统一处理；以网格曲面为导引曲面，利用复杂网格曲面到二维简单拓扑域的约束边界展平，提出了拼接裁剪曲面上边界一致性加工轨迹的生成方法和能够实现复杂模具型腔高速加工的螺旋抑振刀轨设计方法，与传统模具型腔加工方法相比，型腔加工效率可提高20-30%；以上述工作的基本原理为基础，进一步提出了复杂曲面上三维复杂图案自动喷绘或雕刻路径设计方法，突破了目前传统雕刻路径设计方法对曲面参数域的依赖，可应用于实际生产中常用的组合裁剪曲面、网格曲面甚至点云曲面。在《Computer-Aided Design》、《International Journal of Advanced Manufacturing Technology》、《International Journal of Computer Integrated Manufacturing》、《Proceedings of the IMechEs, Part B: Journal of Engineering Manufacture》、《机械工程学报》等国内外制造领域著名学术期刊和国际会议上发表学术论文12篇，其中SCI检索7篇，EI检索9篇；授权发明专利1项，软件著作权2项，培养硕士研究生4人。