在机位姿逆向驱动刀路纹理的五轴曲面插补机制研究

复杂曲面零件在航空航天、军工、汽车、医疗等重要领域有着广泛的应用。然而在当前五轴曲面加工中，CAM系统和CNC系统之间运行相对独立，在CAM中通常以静态标准生成刀具路径文件，CNC系统只能接收既有刀路文件实现插补加工。由于缺少CNC系统到CAM系统的信息反向互通机制，导致CNC下游的信息无法传递回上游，阻碍了加工质量和效率的提升。本项目面向五轴曲面加工路径全局效率最优生成，在CAM系统路径规划阶段引入下游CNC系统轨迹插补信息，建立从CNC系统到CAM系统的双向信息传递通道，将下游插补层的速度规划信息反馈给上游的CAM系统。进而，提出了基于预插补逆信息向驱动的五轴刀路自适应生成方法，以机床各轴动力学极限为约束，考虑五轴机床反向运动学模型对各轴实际位移的影响，通过传递下游插补速度规划评价的信息，辅助上游系统优化修改刀具路径，提升加工效率；针对加工中刀路形貌对速度规划的影响问题，通过预插补获取待加工曲面上的低速敏感区域，CAM系统根据低速敏感区域局部调整刀路轨迹，系统对不同的调整方案下的整体加工时间进行评估，选择效率最优的刀路生成方案；针对五轴曲面加工中等残高路径既定前提下刀具姿角对进给速度规划的限制问题，提出了基于C-Space空间映射反馈的五轴曲面路径刀具姿角优化方法；针对五轴曲面加工中旋转轴在大曲率区域对进给速度曲线的干扰问题，提出了旋转位移敏感特征钳制下的五轴刀路反馈优化，生成符合机床运动特性的五轴加工刀路轨迹。本项目研究工作过程发表SCI检索论文15篇，授权发明专利2项，获得软件著作权3项，培养博士生4名，硕士生3名。

机床各驱动轴的速度指令超出伺服驱动能力时，将出现控制器饱和，产生伺服振动，影响加工精度和表面质量，因此有必要保证各轴速度指令的光滑性。然而，在五轴加工反向运动学映射机制下，给定刀路在各驱动轴上的位移量会随工件装夹位姿的不同而存在差异，进而影响进给速度曲线各轴分量的光滑性。在不改变刀路的情况下，若仅根据装夹位姿调整每条刀路的进给速度曲线，原则上可满足各轴速度光滑性要求，但已无法保证曲面整体刀路的加工效率。 现有CAM→CNC单向信息流模式下，CNC接收CAM阶段产生的刀路，但不会将插补阶段速度曲线的质量信息反馈给CAM系统，也无法在CAM系统中进行刀路纹理的二次调整。本项目拟将工件实际装夹位姿信息引入到前端设计环节，着眼于装夹位姿和刀路形貌对进给速度曲线的非线性影响，以曲面加工整体效率最优化为目标，开展由装夹位姿逆向驱动刀路纹理规划的曲面直接插补机制研究，探索五轴曲面高速高精加工新模式。

根据坐标测量机迅速发展给曲面重建提出的新课题，本项目以任意散乱点集为处理对象，首先自动重建曲面的三角化逼近模型，再对三角化网格进行子波变换，以实现精度完全可控的任意层次的模型简化。通过对三角网格进行自动四边界区域划分，建立参数化映射，产生整体光滑的样条曲面拟合。本项目对改变逆向工程软件明显落后于硬件的现状具有重要意义。 2100433B

计算机辅助几何设计(CAGD)在服务对象、数据量度、表现手段、理论支撑上不同于计算机图形学(CG), 然而其数学沉淀更为深厚, 可给CG以更多影响与支持. 本申请旨在建立一条从CAGD到CG的理论通道, 把本研究团队近年CAGD重要成果移植到CG, 以网格的曲面束、测地距离场、调和算子、曲率线和梯度界等为突破口，进行网格的3项逆向设计与3项特征计算研究. 具体来说就是: 具有公共离散测地线的网格曲面束设计, 以空间闭多边形为边界的调和网格曲面设计,保离散测地线与(或)保离散曲率线的网格曲面简化, 网格曲面的离散曲率线计算, 离散测地环高精度计算, 以及1,2阶梯度界估计. 本项目的独创新颖性在于,它与以往已知网格求离散测地线或离散差分值的操作走向完全相反, 将给用户提供更广泛与更合适的网格选择; 而网格曲面的这些特征计算则前所未有, 将揭示网格崭新的几何及代数特征,显著地强化软件系统功能.

• G112 极坐标插补模式(进行极坐标插补)

• G113 取消极坐标插补模式(不进行极坐标插补)

• 对于刚接通电源和复位(置O或切换)时，机床取消极坐标插补，即处于G113模式。在进行极坐标补偿前，要预先设置直线轴及回转轴的初参量(参数为291、292) 。执行G112指令，转换为极坐标插补模式，将工件坐标系的原点设为极坐标工作的原点，极坐标插补在极坐标平面上进行。极坐标插补平面即第一平面轴(直线轴)和第二平面轴(假想和第一平面轴正交的轴—虚轴)确定的平面。

• 极坐标插补模式中的指令值就是极坐标插补平面仁的正交坐标系值，平面第二轴(假想的虚轴)指令的地址使用回转轴(参数292)的地址。指令值的单位和平面轴的单位(mm或inch)相同在极坐标插补模式中，使用G01、G03和G03指令时，绝对坐标或相对坐标均可。另外，对于G112指令也可以对刀尖半径R进行补偿，刀尖半径R补偿的路径为极坐标插补进行的路径。在G41、G42模式下不能直接切换到G112、G113模式，但在G40模式中可以进行极坐标G112、G113 的转换。根据F确定(F单位mm/min或inch/min)的极坐标插补平面上的进给速度，即刀具和工件的相对速度，G112在虚轴的坐标值变为0(即执行G112的位置的角度为0度)时开始进行极坐标插补。