复杂网格曲面高效加工编程关键技术研究

发布时间：2018-08-24 17:46

【摘要】：随着逆向工程、3D打印等新的设计和制造技术的深入发展,网格曲面的应用越来越广泛。网格曲面在表达复杂曲面方面具有独到的优势,并且在逆向工程领域,测量数据往往直接生成三角网格曲面。所以,对三角网格曲面进行高速精确加工十分重要。本文的主要研究内容和创新成果如下:1、提出了基于骨架线端点定向旋转的自由轮廓排样算法。为了得到较好的排样结果,排样轮廓在排样时往往需要进行旋转。现有的旋转算法没有考虑排样轮廓的特征,每次旋转固定的角度间隔。在排样时通常期望实现已排样轮廓与当前排样轮廓的凹、凸特征组合,而轮廓骨架线的每个端点对应轮廓的凸特征,受此启发,提出了基于骨架线端点定向的排样轮廓旋转算法。本文还提出了基于BL和重心最低原则的坯料离散算法,改进了排样轮廓靠接算法。实验结果表明该算法可以降低排样时间、提高材料利用率。2、提出了基于形态学图像处理的加工区域边界轮廓提取技术。Z-map是一种常用的加工编程、仿真模型。现有的基于Z-map模型的加工区域提取算法提取的加工边界轮廓不够光滑和精确,造成基于加工边界轮廓生成的刀轨不够光滑和精确,影响加工效率和质量。形态学图像处理的膨胀操作可以通过消除空洞、桥接缝隙的方式使图像的边界轮廓更光滑,受此启发,本文提出一种基于形态图像处理的边界轮廓提取算法。该算法通过对加工区域二值图像进行膨胀处理,然后提取、编码膨胀后的二值图像边界的方法得到加工边界轮廓。实验结果表明该算法提取的边界轮廓比传统算法提取的边界轮廓更加光滑和精确。3、提出了基于启发式搜索策略的三角网格模型分型线提取算法。切片法是一种常见的分型线提取算法,这种算法忽略相邻切片之间的模型特点,直接连接相邻切片确定的分型点,从而造成提取的分型线不精确。针对现有切片分型线提取算法的不足,提出通过切片获得初始的分型节点,然后根据规范化启发式搜索代价函数,启发式搜索连接相邻的分型节点得到三角网格模型分型线。这种算法得到的分型线由三角网格边组成,与三角网格模型分型线特点相符。实验结果表明该算法可以更加精确地提取三角网格模型分型线。4、提出了加工起始位置可控调和映射空间刀轨生成算法。空间刀轨可以提高加工效率及曲面的最终加工质量。调和映射方法是生成空间刀轨的重要方法,但由于参数曲面中心与原始曲面加工中心拓扑不一致,直接用调和映射方法生成的空间刀轨起始加工位置不可控,很多情况下起始加工位置并不适合加工。针对现有基于调和映射空间刀轨生成技术的不足,在对定向二维流形三角网格曲面调和映射深入研究的基础上,提出了基于改进调和映射方法的空间环刀轨和空间螺旋刀轨生成算法。实验结果表明,该方法可以解决参数曲面中心与原始曲面加工中心拓扑不一致的问题,使生成的空间刀轨更加均匀。
[Abstract]:With the development of reverse engineering, 3D printing and other new design and manufacturing technologies, mesh surfaces are more and more widely used. Mesh surfaces have unique advantages in expressing complex surfaces. In the field of reverse engineering, measurement data often directly generate triangular mesh surfaces. The main research contents and innovations of this paper are as follows: 1. A free-form contour layout algorithm based on directional rotation of skeleton line endpoints is proposed. Inspired by the concave and convex feature combination between the layout contour and the current layout contour, and each end point of the contour skeleton line corresponds to the convex feature of the contour, a rotation algorithm of the layout contour based on the end-point orientation of the skeleton line is proposed. The experimental results show that the algorithm can reduce the nesting time and improve the material utilization. 2. The edge contour extraction technology based on morphological image processing is proposed. Z-map is a common processing programming and simulation model. Insufficient smoothness and accuracy of the edge contour result in the tool path generated from the edge contour is not smooth and accurate enough, which affects the machining efficiency and quality.Expansion operation of morphological image processing can make the edge contour of the image smoother by eliminating holes and bridging gaps. Edge contour extraction algorithm of image processing. The algorithm obtains the edge contour by expanding the binary image of the processing area, then extracting and encoding the expanded binary image boundary. Experimental results show that the edge contour extracted by this algorithm is smoother and more accurate than that extracted by traditional algorithm. Slicing method is a common algorithm for extracting parting lines of triangular mesh model based on heuristic search strategy. slicing method ignores the model characteristics between adjacent slices and directly connects the parting points determined by adjacent slices, which results in imprecise parting lines. In this paper, a new method is proposed to obtain the initial parting nodes by slicing, and then, according to the normalized heuristic search cost function, a triangular mesh parting line is obtained by heuristic searching the adjacent parting nodes. The algorithm can extract the triangular mesh model parting line more accurately. 4. An algorithm for generating spatial tool paths with controllable starting position and mapping is proposed. The spatial tool paths can improve the machining efficiency and the final machining quality of surfaces. Because of the inconsistent topology of machining centers, the initial machining position of spatial tool path generated directly by harmonic mapping method is uncontrollable, which is not suitable for machining in many cases. An algorithm for generating spatial ring tool path and spatial spiral tool path based on improved harmonic mapping method is proposed. The experimental results show that this method can solve the problem of topological inconsistency between the center of parametric surface and the machining center of original surface, and make the generated spatial tool path more uniform.
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.7

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本文编号：2201568