基于多分辨率网格分割的带边界细分曲面局部加工干涉研究

The components with complex geometry shape are widely used in aerospace, automotive, mold, energy power and other industry fields. Subdivision surfaces may be used as a common representation for geometric design and machining. Complex geometry shape expressed by subdivision surface is inevitable trend of the development of CAD technology. However, local machining interference is more likely to happen when NC machining of subdivision surface with complex geometry shape. Based on piecewise representation of subdivision surface and Multi-resolution mesh segmentation technology, this project focus on the research of local machining interference by using topological characteristics of the control mesh. Computational formula for subdivision depth calculation of Catmull-Clark subdivision surface with boundary is deduced for solving the problem of machining model construction. A method of the optimal cutter size computation is proposed based on subspace constraints. A regional search algorithm of local machining interference of machining model is proposed for local machining interference processing. Research results are beneficial for the developing high performance subdivision surface NC machining technology and for promoting the applicaton of subdivision surface in the aerospace, automotive, mold, energy and other fields. Therefore this project has important scientific significance and practical value.

复杂曲面类零部件在航空航天、汽车、模具、能源动力等领域应用广泛，细分曲面既适用于复杂曲面设计，又适用于数控加工，采用细分曲面表达复杂几何形体是CAD技术发展的必然趋势。然而，细分曲面复杂几何体在数控加工时容易产生局部加工干涉，严重制约其在数控加工中的应用。本项目针对细分曲面复杂几何体局部加工干涉问题，利用细分曲面控制网格的拓扑结构特性，基于细分曲面分片表示，结合多分辨率网格分割技术，提出一种带边界细分曲面加工模型细分次数计算方法，解决具有边界的细分曲面加工模型构建问题。提出一种基于空间约束的最优小刀具尺寸高效计算方法，实现最优小刀具尺寸的高效计算。提出一种基于边缘检测的加工模型局部加工干涉区域搜索方法，为局部加工干涉处理提供依据。研究成果对于发展高性能细分曲面数控加工技术和推动细分曲面在航空航天、汽车、模具制造、能源动力等领域的应用，都具有重的科学意义和实用价值。

在航空航天、船舶、汽车、模具等重要的工业领域中，具有复杂几何形体的零部件的应用越来越多，进而对复杂曲面零件的设计和加工的要求也越来越高。但是当前最流行的NURBS造型方法在复杂曲面设计和制造两方面的缺陷逐渐显现，而细分曲面既可以看作是由控制网格定义的连续曲面，又可以看作是离散的网格曲面，这种特性使得细分曲面既适用于曲面设计又适用于加工制造。目前关于细分曲面数控加工的研究逐渐成为先进制造领域研究的热点，但是由于细分曲面通常具有复杂的形状和海量的数据，使得数控加工中的问题更加难以解决，其中局部加工干涉问题便是其重中之重，这严重制约了高性能细分曲面数控加工技术的发展。本项目利用细分曲面控制网格的几何拓扑结构特性，基于细分曲面分片表示，结合多分辨率网格分割技术，对细分曲面数控加工中的加工模型构建，加工干涉处理和刀具轨迹规划等关键问题进行研究，创建了具有边界特征加工模型的误差分析方法；基于空间约束理论，建立了最优小刀具尺寸高效计算方法；基于边缘检测方法，构建高效局部加工干涉区域搜索方法。本项目构建的细分曲面局部加工干涉处理关键方法均通过算法验证和加工实验验证。结果表明：高效局部加工干涉处理方法解决了避免发生局部加工干涉的最优小刀具尺寸计算问题和加工干涉区域搜索问题，所计算的刀具轨迹可以应用于实际加工，并可以应用于实际加工和确保工件的加工精度和加工质量。本项目的研究成果对于发展高性能细分曲面数控加工技术和推动细分曲面在更广泛工业领域的应用，都具有重要的科学意义和实用价值。