复杂三角网格模型分治加工刀具轨迹生成研究

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近年来,三角网格模型的应用范围越来越广泛,其中关于三角网格模型数控加工的研究也倍受人们关注。目前,针对三角网格模型数控加工轨迹生成的研究还不充分,且大部分是采用单一轨迹生成方法对整个模型进行轨迹规划,无法满足复杂模型加工要求。因此,本文提出分治加工方法对复杂三角网格模型进行分区域加工,以解决其加工效率与精度之间的矛盾。该方法主要包括模型的分割以及子区域的轨迹规划。围绕该研究内容,本文开展了以下研究工作。首先,对STL文件格式的三角网格模型建立基于半边数据结构的拓扑关系,以便于网格元素(顶点、边和面片)邻接关系的快速查找及模型表面微分几何信息的计算。同时,介绍了网格表面各位置处法矢、曲率和面片间二面角的计算方法,并提出了R半径范围邻域点的选取方法。其次,将三角网格模型区域分割成具有加工意义的区域。先将复杂三角网格模型分类为边界明确三角网格模型与边界不明确三角网格模型;针对边界明确三角网格模型提出基于二面角的区域生长原则,并针对边界不明确三角网格模型提出基于加工区域特征表述的区域生长原则对其进行区域生长分割。为避免在子区域中生成过多的短刀具轨迹,对分割后的子区域进行区域优化合并与边界光顺处理。最后,采用不同的刀具轨迹生成方法生成各特征子区域的刀具轨迹。采用截面线法生成平缓加工表面的刀具轨迹,而对于曲率变化较大的曲面采用等残留高度法生成加工刀具轨迹。为了解决边界不规则特征子区域的等残留高度轨迹生成问题,对投影偏置法进行改进拓展,包括如下3方面:初始轨迹生成、刀具轨迹的投影偏置扩展过程、特征子区域边界处刀具轨迹的处理。文中采用C++语言编写程序实现各算法,运行实例表明了各算法的有效性。文中创新点主要在于:(1)将刀轴矢量并入区域生长原则的考虑因素,使分割所得子区域具有某种加工特性;(2)以加工表面的加工特征作为区域生长原则,将三角网格模型分割成不同加工特征区域;(3)改进拓展了等残留高度轨迹生成中的投影偏置法,使其适用于边界不规则的加工区域。
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