基于渐进聚类的复杂曲面分割及高效高精五轴数控加工方法研究

Complex surface components are widely used in the aerospace, national defense, energy, transportation and other fields. The characteristics of multi-geometry feature may result in uncontinuous machining, long processing cycle, difficult to ensure accuracy and so on. Taking advantages of efficiency and accuracy for high-speed machining, we present new principles and new methods based on the method of intelligent segmentation for complex surfaces, and plan tool-path according to the geometric feature of sub-region. By analyzing the combination of geometric features for both scallop height and smoothness of tool-path, we study the Progressive Clustering segmentation method for effective integration of five-axis CNC machining requirements and clustering primitive and further study the global optimize tool-path generation method; By analyzing the matching discipline of continuous machining tool-paths, we study the intelligent position-arching position method of starting and ending point and tool-paths automatic connection method and further study the tool posture optimization method and influence discipline for the cutting force in the kinematics and geometry aspects. Based on these above-mentioned researches, we study the combined effects of surface segmentation, machining parameters and tool-path planning methods according to comprehensive action of the geometry, kinematics and dynamics. The research can improve the capacity and efficiency of high-efficient and high-precision CNC machining for complex surface, and provide theoretical support for high-performance machining.

复杂曲面零件广泛应用在航空航天、国防、能源、交通等领域，针对该类零件存在的多几何特征，导致不能连续加工，加工周期长，精度难以保证等困难，利用高速加工在效率和精度方面具有的独特优势，提出先对复杂曲面进行智能分割，再根据子区域几何特征自适应生成刀具路径的新原理与新方法。通过分析兼顾等残留行距及光顺性的刀具路径的几何特征，研究有效融合五轴数控加工要求与聚类图元的逐步聚类的曲面分割方法，并进一步研究全局最优化的路径生成方法；分析连续加工的区域间路径匹配规律，研究起止点自寻位的定位和轨迹自动连接方法；在运动几何学层面研究刀具位姿的优化方法及其对切削力的影响规律，据此研究几何学、运动学及动力学综合作用下的曲面分割、加工工艺参数制定与路径规划设计的融合方法。本研究可提升复杂曲面类零件的高效高精密数控加工能力和效率，为高性能机械产品加工提供理论支持。

复杂曲面类零件广泛应用于航空航天、国防装备、能源、交通等各个领域，是国家极端制造能力和制造水平的体现，国民经济和国防安全的重要保障。基于此，本项目以解决复杂曲面类零件精密高速加工中所涉及的关键科学问题为核心，研究适用于高精高速加工的高性能运动与几何规划协调生成的新原理和新方法。本项目对复杂曲面以随机抽样一致算法或聚类的方法进行分割；对路径规划主要采用几何结合动力学的方式，并采用最短路径进行加工，缩短加工时间提高加工效率；对轨迹连接采用双螺旋路径；对加工工具的矢量方向进行运动学优化，以提高光顺性。申请人及项目组成员在以往相关研究经验的基础上，有针对性地进行高速数控加工及机器人磨抛加工中的轨迹规划问题进行研究。基于区域自适应路径规划方法，是为了实现多几何特征的复杂曲面高速高精加工而提出的，针对各个加工区域的几何特征抽象为几类简化的几何模型，并根据这些几何模型与所对应的几种刀具路径的各种组合的路径特征，研究实现连续加工路径的匹配规律，并研究各个区域轨迹的起点及终点的自定位方法，实现轨迹自动连接。以期在高速高精刀具轨迹设计方面获得几何学、运动学以及动力学全局最优的整体效应，揭示在高速、高精数控加工运动中运动几何学规划的影响规律。