基于有限元补偿模型的曲面刀具路径生成理论与方法研究

申报项目以金属薄板冲压成形工艺与模具为研究对象，以成形曲面的CAE和CAM高效集成为目标，研究基于有限元分析补偿模型的高精度刀具路径计算与生成方法。项目从有限元分析补偿模型的预处理、重构和刀触点、刀位点的计算三个关键方面进行研究。作为基础工作，模型预处理将采用基于曲率流的方法来研究消除畸变并进行模型的光顺处理理论与算法。其次，对重构模型创建新型数据结构，并利用工程反问题技术来研究模型的重构算法，以快速精确生成满足不同加工要求的重构模型。在重构模型的基础上，通过研究采用公差和光顺性联合控制机制来自适应创建高精度的刀触点，并研究面向网格曲面的法矢量快速计算方法来完成刀位点的计算和刀具路径生成。项目的研究成果将创建以有限元分析补偿模型为基础精确计算刀具路径的新方法、理论和高效算法，并为冲压成形工艺与模具CAE/CAM一体化技术的高效集成提供重要的理论依据。

本基金项目以成形曲面的CAE和CAM高效集成为目标，以金属薄板冲压成形工艺与模具为研究对象，研究了基于有限元分析补偿模型的高精度刀具路径计算与生成方法。项目从有限元分析补偿模型的预处理、重构和刀触点、刀位点的计算三个关键方面进行研究，主要取得的研究成果有: . (1) 考虑到使用冲压成形CAE分析后的网格曲面的曲率估算精度对数控加工刀具路径设计和加工质量具有重要的影响，提出了一种网格节点曲率的精确估算方法，该方法能够有效提高三角网格节点曲率估算的精确度，从而提高了三角网格曲面刀具路径设计中的刀位点计算精度和数控加工精度。. (2) 面向三角形网格曲面数控加工刀位点的计算方法，提出了一种用于精确计算网格曲面上刀触点法矢量的方法，有效地提高了网格曲面上刀触点处法矢量的计算精度。. (3) 针对三角形网格曲面加工中刀具轨迹的误差均匀性问题，提出了一种等误差步长规划的刀具路径生成算法。该方法在生成完整三角网格曲面刀具路径时充分利用了网格曲面的边界特性，保证了边界一致性。. (4) 提出了一种基于刀具包络面的等残留高度刀具路径生成算法，该算法生成的刀具路径残留高度均匀，刀轨长度较短，无加工干涉，在保证加工精度的前提下，能够有效地提高加工效率。. (5) 通过分析NURBS刀具路径的特点，对由刀位点表示的刀具路径之间的连接方式和边界点进行分类，提出了通过层次聚类法将刀具路径进行分段的算法。该算法分段可靠、快捷，对不同曲线曲面轮廓刀具轨迹点进行分段的适应性强。. (6) 针对五轴数控加工中旋转轴的运动，研究了不同加工情况下在垂直于走刀方向的平面内的非线性误差，提出了通过限制相邻两刀位点间刀轴夹角来控制此非线性误差的方法。. 项目的研究成果创建了以有限元分析补偿模型为基础精确计算刀具路径的新方法、理论和高效算法，为冲压成形工艺与模具CAE/CAM一体化技术的高效集成提供了新的理论依据。