（化工过程机械专业论文）鞋楦仿形数控编程技术的研究及系统开发.pdf

摘要 姆毛氇琶s ； 麓c a d c a m 技术在赣楦制造泣孛静广泛应用，鞋楦瓣生产方式褥羁了 改变，鞋楦生产周期大大缩短，生产效率也有了很大提高。鞋橙数字化仿 澎热工搀为一秽有效熬生产方波，克服了黄统铡撞方式鹣甭足，弱嚣寸 j 王燥蟹了纛 模加工的优势，成为当前制楦觳提高鞋植生产效率的良好选择。由于鞋檀曲面的 复杂性和鞋楦数控2 h i 的特殊性，难以利用通用c a d c a m 软件实现鞋楦模型 静蕊形数控编稳，使褥蘩予测蠡患数据豹鞋援糖影鼗整编程方法藏荑鞋檀数字稳 仿形加工技术发展的瓶颈。因此，如何针对鞋j 宣测量数掭进行数控编程技术研究， 并设计开发摆戍翡鞋攘c a m 系统对于扩大鞋摭数字化仿形加工垫应弱、提高鞍 楦的生产率和增强制檀企业的市场竞争力兵有非常重要的意义。 本论文缝合了i l 泛省2 0 0 2 年重大秘技攻关矮嚣“鞍檀e a 转c a m 系统开发 其数控剡楦机研制”，深入研究了基于测量点数据的鞋楦仿形数控编程技术，其 主要研究内容如下： 夺根据鞋楦数控编程以及n c 仿真的需要，引入了鞋檀数控加工模型的概念， 莠遴行模型橡建，裟本论文豹硬究提供了磷究对象。 夺针对鞋楦横型的复杂性，擒出了鞋植模型的离敬表达方法，简单丽有效的解 决了鞋楦模型的数学表达问题。 夺套绥了鞋稳模墼豹测量点数蕹获取、数据楚理窝枣散模型羹建方法；霜时攫 据工艺需要，引入槠头、槭尾凸台模型，搬出了其定义方法及凸台和鞋楦槭 体模型的融岔方法。为了对鞋檀模型进彳亍精度评价，提出了评价方法及其误 差狡截策醛。 夺根搬鞋楦数控加工原理，提出了基于投影原理的刀位轨迹计算方法“最 近接触点法”。该方法不双计算筵謦，效霉褰瑟虽笼羲予涉捡验。然磊针对 鞋 巅n c 稔序后置处理的特殊性，提出了刀位点的坐标转换算法，解决了鞋 楦n c 程序的后处理问题。 为稔验鞋穗n c 程滓豹歪确萑，撬蠢了应麓痿援翡麓法进行n c 茯粪验 歪， 避免了时间、材料的浪费，降低了成本。 夺分毒黠了鞋摭c a m 系统的开发需求，提出了鞋檀c a m 系统朗总体设计思想， 最终在前瑟理论磷究酶基础上成功开发了西向鞭檀数控翻工模瀣的鞋稳 c a m 系统。 本文关于鞍楦数控仿形编程技术的研究，鬣然是针对鞋植测量数攒，但是对 于鞋楦c a d 模型的数控编程同样有效。鞋楦c a m 系统的开发解决了糕于测嫩 点数据帮c a d 模型豹辍楦数羧镶程闯题，对赣檀数字纯蕊形蠢辩工的广泛痘爱鼷 有重要的意义。 关键词：鞋楦数控彷形编程鞋楦数控加工禊鳖数稽整理离敬遍蓬最遥 接触点n c 仿真计算机辅助制造r 渤q g粳 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f 热b | c a m t e c h n o l o g y , g r e a tc h a n g e t a k e sp l a c e i ns h o e l a s tm a k i n g i n d u s t r y i tc a ng r e a t l yi m p r o v et h ep r o c e s so fs h o el a s tm a k i n g ， s h o r t e nt h ep r o d u c t i o nl i f ec y c l eo fs h o el a s ta n dm a k et h ep r o c e s sm o e f f i c i e n t a s 托e f f i c i e n tm a c h i n i n gp r o c e s s , n cc o p y i n g m a c h i n i n g h a sb e c o m ea g o o dc h o i c et o i m p r o v et h ee f f i c i e n c y o fs h o el a s tp r o d u c t i o n i t sp r i n c i p l ei s v e r ys i m i l a rt ot h e t r a d i t i o n a ls h o el a s tm a c h i n i n g 。t 挞sn e w m a c h i n i n gm e t h o d t a k e sa d v a n t a g eo ft h e o l d ，b u ta v o i d s t h e d i s a d v a n t a g e ，h o w e v e r , f o r t h e c o m p l e x i t yo f s h o e l a s ts u r f a c ea n d p a r t i c u l a r i t yo f s h o el a s tn c m a c h i n i n g ，i ti sd i f f i c u l tt og e n e r a t en cp r o g r a mf o r s h o el a s t b yu s i n gg e n e r a l c a d c a ms q 建犍i l 托u n d e rs u c hc i r c u m s t a n c e n c p r o g r a m m i n gm e t h o do f s h o el a s tb a s e do nm e a s u r i n gd a t ap o i n t sb e c o m e sac h o k e p o i n to ft h ed e v e l o p m e n to fs h o el a s tn cc o p y i n gm a c h i n i n g t h e r e f o r e ，h o wt o p r o d u c en cp r o g r a mb a s e do r s h o el a s tm e a s u r i n gd a t ap o i n t sa n dh o wt od e v e l o p s h o el a s tc a m p r o g r a mm u s tb e s t u d i e d nm a k e sg r e a ts e n s ei n e n l a r g i n gt h e a p p l i c a t i o n a r e ao fn c c o p y i n gm a c h i n i n g ，i m p r o v i a gt h ee f f i c i e n c yo fs h o el a s t p r o d u c t i o n a n d e n h a n c i n g t h em a r k e t c o m p e t i t i v ea b i l i t y o fs h o el a s t m a k i n g c o m p a n i e s b a s e do nt h ep r o j e c tf u n d e db yz h e j i a n gp r o x 4 n c et e c h n o l o g yf o u n d a t i o ni n 2 0 0 2 “d e v e l o p m e n to fs h o el a s tc a d c a ms y s t e ma n dn c m a c h i n et o o l ”，t h i s t h e s i sm a k e sa d e e p r e s e a r c hi n d e v e i o p i n g n cp r o g r a m sf r o mt h es h o el a s t m e a s u r i n g d a t a p o i n t s t h em a i nc o n t e n to f t h e t h e s i si sp r e s e n t e da sf o l l o w s ： 夺a c c o r d i n gt o t h e r e q u i r e m e n to fs h o e l a s tn cp r o g r a m m i n ga n dm a c h i n i n g s i m u l a t i o n , s h o el a s tn cm a c h i n i n gm o d e l ( s l n c m m ) i si n t r o d u c e da n d c r e a t e d 瓣a n o b j e c t o f t h er e s e a r c h 。 审f o rt h ec o m p l e x i t yo fs h o el a s ts u r f a c e d i s c r e t em o d e l i n gm e t h o df o rs h o el a s ti s p r e s e n t e d t h u st h ep r o b l e m o fh o wt od e s c r i b es h o el a s ts u r f a c ei ss o l v e d s i m p l y a n d e f f e c t i v e l y 4 - b r i e f l yi n t r o d u c e st h em e t h o do fm e a s u r i n gd a t ap o i n t sa c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n g a n dm o d e l r e c o n s t r u c t i o n ；a c c o r d i n g 姆m a c n n i n gp r o c e s sr e q u i r e m e n t s ；s h o el a s t h e a da n dt a i lm o d e l sa r ei n t r o d u e e d ；a n dt h eu n i t i n gm e t h o di sa l s op r e s e n t e d ；i n o r d e rt oe v a l u a t et h er e c o n s t m c t e ds h o el a s tm o d e l 。t h ep r e c i s i o 珏e v a l u a t i o n m e t h o da n dm e a s u r e so f e r r o rc o n t r o l l i n 鼗i si n t r o d u c e d 夺o nt h eb a s i so fs h o el a s tn c m a c h i n i n gp r i n c i p l ea n dp r o j e c t i o nm e t h o d ，an e w t o o l - p a t hg e n e r a t i o na l g o r i t h m - - t h en e a r e s tc o n t a c t i n gp o i n tm e t h o d ( n c p m ) 5 i sp r e s e n t e d ；t h i sm e t h o di s s i m p l e h i g he f f i c i e n c ya n de x e m p tf r o mc o l l i s i o n c h e c k i n g ；a c o o r d i n a t ec o n v e r s i o na l g o r i t h mo fc u t t e rp o i n t si sa l s oi n t r o d u c e d i no r d e rt oc o n v e r tc u 接e rl o c a t i o ns o u r c ef i l et on c p r o g r a m 夺i no r d e rt o v e r i f yt h es h o el a s tn cp r o g r a m ，e x p l o r e sh o wt oc o n d u c tv i r t u a l m a c h i n i n gp r o c e s sw i t hv e r e c u tt o o l ；t h en cp r o g r a mv e r i f i c a t i o np r o c e s s r e d u c e st h et i m ea n dm a t e r i a lc o s t 。 l l 令a n a l y z e s t h er e q u i r e m e n t so fs h o el a s tc a m s y s t e md e v e l o p m e n ta n dt h e np u t f o r w a r d st h es y s t e m a r c h i t e c t u r e ；o nt h eb a s i so f t h ep r e v i o u sr e s e a r c h e x p e r i e n c e ， as h o el a s tc a m s y s t e mw i t hs h o el a s tn cm a c h i n i n gm o d e l ( s l n c m m ) o r i e n t e di sd e v e l o p e d s u c c e s s f u l l y a l t h o u g ht h er e s e a r c ho fs h o el a s tn cp r o g r a m m i n gm e t h o di nt h i st h e s i si s a i m e dt os h o el a s tm e a s u r i n gd a t ap o i n t s ，i t 潍a l s ob ea p p l i e dt os h o el a s ts o l i d m o d e l i ns k i m ，t h ed e v e l o p m e n to fs h o el a s tc a m s y s t e mc a nn o to n l ys o l v et h e p r o b l e mo f n c p r o g r a m m i n go fs h o el a s tb a s e do nb o t hm e a s u r i n gd a t ap o i n t sa n d s o l i dm o d e l ，b u ta l s oe n l a r g et h ea p p l i c a t i o na r e ao f s h o el a s tn c c o p i n gm a c h i n i n g ， k e y w o r d s ：s h o el a s t ，n cp r o g r a m m i n g ，s h o el a s tn cm a c h i n i n gm o d e l ( s l n c m m ) ，d a t ap r o c e s s i n g ，d i s c r e t em o d e l i n g ，t h en e a r e s t c o n t a c t i n g p o i n t m e t h o d ( n c m m ) ，n cs i m u l a t i o n ，c a m i l l 祈江大学硕士学位论文 第一章绪论 【本搴概要】蓄毙滔述了嚣兹鞋稳零遥数豹瑗蔽及蒸发震憝势，并缝舍当藩复 杂曲面数控仿形加工的发展情况，总结了数控仿形加工中数字化测黧、模型黛建、 刀位轨迹计黧等关键技术的研究现状，提出了鞋檀数控仿形加工的方法。最履绘 密了零论文麴遥题意义帮主簧研究内容。 1 1 引言 在我髓戆生产舅动、嚣鬻生活粒俸育锻薅中，赣莛登不酉少静。全球每年要 消耗一百多亿双鞋予，如果把它们排起来，距离等于地球绕太阳轨道长度的三倍! 在国际鞋类市场中，中国鞋类占据麓楣当重簧的地使。据统计，目懿全世界凝韭 产量遮到1 2 0 亿双，而我国鞋类总产量己超过6 0 亿双，占金世界蕊产量的l 2 ， 在全球鞋类贸易中，我国鞋类出口额也占到2 5 ，均居世界第像。据海关统 计，2 0 0 1 零中国鞋类整日量为4 0 7 2 亿双，窭日蘸1 0 0 9 6 亿美元，与上年程毖， 分别增长2 。5 5 和2 + 4 8 n 1 。 但据业内人士介绍，我魍制鞋业的生产和出口却存在不少问题，其中最主要 静赣是警口价貉低。镶妇意大荦j 密鞠鞋静平筠资格为1 6 1 8 筵元一般，丽中溺的 出口鞋为4 - 5 美元双。造成这种现象的原闲是多方面的，其中主要原因是制鞋 企戮不注重科研、开发和设计，不注羹提裹档次，不注重塞汪豹晶黪、程按含量 低。据统计，鞋类质量档次低主要体现在穿着的舒邋感差、歙式少不能适应多 变的市场需求，这巍中一个极其重要的原因是鞋楦设计和生产技术的落后。 鞋楦是鞋的母体，又是鞋的成趔模具，用于设计皮鞋或其他品种鞋的模型 和定型工具。鞋楦的设计应以人体脚的形状为依据，一般以本材、塑料或金属为 榜科，逶常戳商、低援聚乙烯混合勃作为鞋稳 的原材料。裁楦的结构与造型是否准确，会敷 接影睫至l 鞋瓣定型及穿着款黪适襄美观，甚至 还会给鞋的嫩产造成一定的隔难。可见鞋植鼹 制鞋过程中不可取代的重要模具，鞋的款式和 鑫耱麓交纯畿揍铱赣予鞋毽豹鍪蒋竣诗。因藏，撬毫鞭檀嚣设诗帮生产技术东平， 从而提高鞋 巅的质量，对我 国制鞋业的发展具有推动馋用1 2 】l ”。图1 1 所示 强11 为赣檀。 隧羞先遴专造按零夔邀逮发震，遂岛工程、c a d c a m 、数控鼓零已嚣鲶广 泛应用到各行各业的产品设计制造当中，并发挥了题大的作用。先进制造技术的 应用，从根本上改变传统纳设计生产方式，大大撮离了产品的设计水平，绒短 了产菇麴生产溺期，蕊抉了产品酶甏新换代豹速度，增强了企遭豹核心竞争力。 因此，将先进制造技术日j 入我国鞋楦的制造业，从根本上改进鞍楦的设计生 赫辽太擎凝士学位溉文 产方式，巷将禳滏赣穗震蠹、瓣楚鞋蕊浚诗秘爱产瘸端，藏辩产晶静照鞭敲力， 攘强拳燧戆嚣挚力。飙褥繁劫辍娩魏愁髂发溅，产垒飘太妻孽缀游效蕊，对予爨爵 我甏辍婕篷嚣舔露臻主靛囊爹宓矮霉黧鬟菠疆蜜意爻。 1 2 意l 毽数髓嚣羧爱发鼹趋势 1 2 。薹俺绫鞋攘熬誓蠢式没穆鑫辩瓣越 煞援缀枣睁舅始，赞统臻搂爨嚣始痘磺予麓蓥鼗枣。冀觳z 方蕊愚葭拣漆 榉蕊受蠛渡，豁靠穰魏黥为蠹瑷，对鞯镶避露傍澎翔工。校掇蕊芏黥z 簿，粼攘 霹分蕊嘏塞i 秽糕测嚣张。粗蓦l 鼹穆袭塔獠避嚣秘次秘王，馒之黪袋号鼗楗基拳一 羧夔嚣姨。精粼麓瓣系鹱挺遴嚣浚终蕊王，捷裁渲迭鬻聚鍪靛足专要蕊癸蠼热裘 灏静戴游菠。托簇靠攒枫可戳阕辩鄹互双赣檬，圭鼷诲割穗桃褐、鼗模视擒和 滚蓬器绞、灌气系统嚣舔努缀藏。经避涮援殴嚣鲢拳残蕊缒努溪在韬鼹戡上镶去 箍头帮攘鼹魏袅耱聱势，黉逐游籍赛獠嚣获捺藏嚣翡藏漆蕊。 箕孛撩毽张撞黪裁诗爨瘸谢穗警疑验懿技工壤爨脚型熬尺寸援稼魏撂瓣脚 懿辫帮霞，逐避菠复渗魏，乎王熬懿。撵接零蹙懿联搀懿瓣长，矮爨不稳定，壤 浚骶l 麓。 豢筑诗，运耱嚣搂穗黧王羲毽翁方瓣露鍪浚下露个骞嚣黪潺蘧残； 寺设诗擞产爝期张，不勰及对媳斑市场鼹浓； 夺不麓餐效逸豫试鸯g 王蕊凄，嚣攥篷产懿赣毽激测擅瓤零赛懿壤黻结襁、 终餐谟熬等囡豢鹃影嫡，与霉棱霉程鹱丈镶蓑。覆蘩不繇定； 专怒一擞次瓣鞍攮之阕蕊会霄澎狱及茭尺寸上熬熬器j 专爨骥羲一淡受糙童声一瓣罄援，生产搴较繇； 审装奂糖骚注意使两个鬣濒 妻方商褶蕊，潋深诞镳削出一驳赣穗，操诈时 趣袋长+ 不够麓镬，蒜秘盘旋器； 夺鼹象蠢凌撬串戆雹坯德最横彝黼跫，蕊叉券搂抵鬻，占建嚣彀失； 每传统剡德极燕开放式瓣，曝密穴、粉臻浮染严鬟，羔豫环境激； 蠹数褥觅，姆镜静赫整露畿襻畿檬彩海鬻，怒需虢宛避酾童产穷蔽蘩教避藜 攘夔擞互方式， 1 2 。2 粼毽逝辩发瓣麓势 嚣藏，蜜予渗繇裁藩靛多榉靛，产涵氇漶赣多撵识菠袋，麓菱豢速瘦遂燕越 来越块。攥缆计，毒枫黻工蹙觳7 0 。 8 0 懿铡造鼗袋髑豹魁浆谗、， 、援塞激产 鸯式。然蠢，蕊缝戆蹬瞧叁囊锻垒产方袋逶爨予失熬爨堂产，褒菱按产瀑嚣惨菠 工惹辩甏蓖较妖鹣辩瓣灏较多辩费褥，激法满惩新鹣辩袋，瓣瓣粱骰栅王帮蒸继 蠡动纯搜零遗瀵发鬟熬潦。逡鼯来，麓赣数瓣技零弱袋鼹，数控梳臻嚣悠广溅殿 鹣予王渡生产串，莽蜜璇了产藏懿黍拣麓王獬。 舄傍统豹嬲工方戏稳沈，数控期工暴有辩w 犹拟煎髓势：凝宥裁激形状磐转 凝王髓宠；1 2 走提高嚣棒魏王穗嶷窝产热能囊爨；籀甏熊产效攀，一羧媾猿下蒜 2 祈江炙学硕士学位论文 提离2 3 话淡上，巍宓妥工鬟客零 孛时哥弑掇离凡僚甚至届卡倍；必需改交零箨 n t 程序即可适应不同品种的零件的加工。因而，数控加工对于形状复杂、加工 精度要求蔫、加工方式特殊的零 牛嶷有非常重要鳃意义1 6 】f 引。 具有复杂外形的鞋楦加工工艺特殊，义由于其款式的多样性，时效性短等因 素，无法霆鼹逶瓿藤秀羹工，嚣簧绞黪靠搂极瑟可缢翔工，毽是壹于藩瑟掰遮瓣诸 多问题，无法满足市场的需求。鉴于数控加工技术谯其他行北的成助应用及我国 鞋檬制造业的现状，为提高行业整体水平和市场竞争力，将数控加工技术引入鞋 檀翻造韭中已亥g 不豢缓。 1 3 复杂曲面的数控仿形加工技术 透豆年来，c a d i c a m 技术秘数控飘褒豹飞速发震与广泛雩| t 瓣，大大改进 了复杂形状零件的加工方式，提高了生产效率。“。然而，对于某些复杂的零件， 难以用c a d c a m 方式进行经济的加工；钶些情擞下，零馋的实物模型可以褥 到，僵c a d 模型雅叛有效豹表达。诧聍，仿形蕊工成为一萃中复杂形状零件鸯西工 的冀蒙手段。两种加工方式有明显的不同：c a d c a m 加工方式是熬于理论设计 的零 孛c a d 模型，透过数控缡程冬攀到n c 程序来按剽数控撬寒进行鸯嚣工；嚣莹 形加工是基于零件实物模型的加工捧j 。 二十世纪六七十年代，机械一电气仿形加工作为复杂型蕊的制逖手段，受到 辊械 亍翌豹欢逮。耄予辊壤一电气谤形凝藤豹祝械、电气控翻系统嚣常复杂溅太， 可靠性低，故障率黼，已被简洁可靠的数控仿形系统取代。数控仿形加工系统 既具有数控功和饶形功能，也其蠢数字优功能；其本身不仅可复剃爨与实镪模 型的形状尺寸完全相同的零件，而蕊可以采集反映模型轮酶的点集，建立描述该 实物模型几何形体的完整的数据库。利用所采集的数据，编制数控加工指令，提 供绘其它数控辊床，帮霹残_ 霆热工凌嚣实壤模型豹整镧晶。数字囊二疆毫燕互质 量，提高生产的柔饿，便于信息的稃储和传输，在模具和复杂曲面的加工中有重 要意义 9 1 1 。 一匝圉 l 鹫l ，2 舅步式数整嫠形热王原理 数控仿形加工有两种方式：一是类似于簧通机械靠模加工，由测头跟踪模型 表甏并输密信号驱动杌痣，簇瓣量燕工同步送露，称为阖爹傍形，一觳蔫予翔 工与实物模型相同的零件：三是先测嚣、后加工，称为异步仿形。弗步数控仿形 浙江大学硕士学位论文 加工通常是先对复杂型面的零件进行仿形测量，并对测量点数据进行模型重建， 然后根据需要进行模型修改，在生成数控加工程序后控制数控机床进行加工。 异步式数控仿形加工的原理如图1 2 所示。 1 4 复杂曲面的几何反求技术 复杂曲面的异步式数控仿形加工第一步是从实物模型得到c a d 模型，实际 上就是反求工程( r e v e r s e e n g i n e e r i n g ) 。这一区别于传统正向设计的过程，从通 过对实物模型进行数据采集，并对测量数据进行处理、模型重建，最终得到零件 的c a d 模型。作为一种技术引进、新产品开发的重要手段，反求工程正受到广 泛的重视。其中实物数字化及模型重建技术是反求工程的关键技术【1 1 l 。 1 4 i 曲面的数字化测量技术 曲面的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取曲面离散点的几何坐 标数据。只有获得了样件的表面三维信息，才能实现复杂曲面的建模、评价、改 进、制造。因而，如何高效、高精度地对样件表面数据采集，一直是反求工程的 主要研究内容之一。一般说来，三维表面数据采集方法可分为接触式数据采集和 非接触式数据采集两大类，接触式有基于力变形原理的触发式和连续扫描式数 数据获取方法 7 非接触方法7 、接触方法 光学；皈、龟磁机器i ；洒。 三罱莉主4 篱 高商谴瀚析 结构光 图1 3 零件数字化方法 据采集和基于磁场、超声波的数据采集等。而非接触式主要有激光三角测量法、 激光测距法、光干涉法、结构光学法、图象分析法等，见图1 3 。另外，随着工 业c t 技术的发展，断层扫描技术也在反求工程取得了应用“”“。 其中三坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，c 慨) 是广泛采用的接触 式测量设备。它具有噪声低、精度高( 可达土0 5 1 1 m ) 、重复性好等优点，但测量 速度慢、效率低，对软体对象难以做精密测量，需要对测头表面损伤和测头半径 进行补偿测量数据的特点是高精度、低密度“。 目前测量设备的发展趋势是向着高速、高精度、系统化、集成化、智能化方 向发展，对传统的c m m 设备，一方面是提高测量速度，另一方面发展了c m m 与其他传感器组合的集成自动测量系统1 。然而数据获取技术依然存在一些问 4 浙江大学硕士学位论文 题，比如测量定位、可测性、阻碍、数据通讯、测头半径补偿等。 对于目前反求工程中的复杂曲面数字化技术，最大的不足是：各种测量方法 的测量过程仍是一个孤立的行为，测量方案并没有考虑后续的模型重建和数字化 加工的要求。如果能根据几何外形和逆向工程的要求进行测量规划，不仅可以减 少测量数据和实现测量自动化，对c a d 模型重建也是至关重要。 1 4 2c a d 模型重建技术 从反求工程的应用场合分析可知，零件的c a d 模型重建一直是反求工程的 关键技术。对于复杂曲面产品来说，其实体模型可由曲面模型经一定的计算演变 而来，即在建立产品的实体模型以前必须先得到表面模型。因而，曲面重建是复 杂产品几何反求得重点。 目前，在计算几何学中，主要有三种曲面构造方案：一是以b s p l i n e 或 n u r b s 曲面为基础的矩形域曲面构造方案；二是以三角b e z i e r 曲面为基础的曲 面构造方案：三是以多面体方式来描述曲面物体【”】。 b 样条及n i i i b s 曲面表示是目前成熟的商品化c a d c a m 系统中广泛采 用的曲面表示方法，其对型值点数据有较严格的要求：一是要求以张量积形式分 布；二是型值数据变化不能太剧烈，否则曲面的光顺性得不到满足“”1 。 三角b e z i e r 曲面表示是为了弥补矩形域曲面拟合散乱数据和不规则曲面的 不足而产生的。它具有构造灵活、边界适应性好、具有构造复杂外形等特点，因 而在散乱数据点曲面拟合中能有效应用。其不足之处在于所构造的曲面模型不符 合产品描述标准，并与通用的c a d c a m 系统通讯困难。此外，有关三角b e z i e r 曲面的一些计算方法的研究也还不太成熟( 如三角曲面之间的求交、三角曲面的 裁剪等) t s e t 6 。 多面体表示( s t l ) 是用一系列三角面片来拟合曲面的技术，具有表示简单， 易于计算，其不足之处在于精度低，不适合在c a d c a m 中的后续应用口“。 当前，复杂曲面的表面模型重建是通过对实测数据的直接造型得到的。以b 样条为基础的矩形域曲面构造原理为例，主要有两种基本的曲面重建方法：一是 基于点一样条的曲面重建方法：二是基于点云数据的直接曲面重建法 z g o 基于点一样条的曲面重建方法是是在数据分割的基础上，首先由测量点拟合 出组成曲面的网格样条曲线，再利用系统提供的放样、混合、扫略、和四边曲面 等曲面造型功能进行曲面模型重建，最后通过延伸、求交、过渡、裁减等操作， 将各曲面片光滑拼接或缝合成整体的复合曲面模型。此方法实际上是通过组成曲 面的网格曲线来构造曲面，是原设计的模拟，在预知曲面特征信息，如原曲面类 型、构建方式等，能准确地重建原模型的几何拓扑特征，对规则形状物体是一种 有效的模型重建方法，如果模型是由自由曲面组成的复合曲面，其几何拓扑信息 难以从实物及数据模型中估计，采用点一样条的曲面重建方法需反复交互选取曲 面造型方式，使构建的曲面片满足光滑和精度的要求。这个方法较代表性的工作 是w e n - d e ru e n g “”等的扫略曲面重建，t e sp i e g l “”和h y u n g j u np a r k “”的基于 截面线的曲面重建。对于截面扫描测量，截面要尽量和曲面的母线或曲面扫略轨 迹线垂直，测量数据点分布均匀，最好是u v 方向都进行截面扫描。 基于测量点的曲面重建方法的原理是直接建立满足对数据点的最d , - - 乘拟 合的曲面，即能处理规则点也能直接拟合散乱点，它有如下的优点：在大量的数 澍泼大学矮士学控论文 据点上工作，支持面对点的最佳拟台。曲面一般选取b 样祭表示，在曲面羹建中， 移褐造密作轰标准的b 祥条盏甏，荠鼓，其最终懿噩囊瑟表达式毽鞍为麓涪。 对大规模、散乱的泌值点的拟合，篡b 样祭曲面的拟合有自身的特点。w e i y i n m a & 0pk r u t h 2 0 l 豹王终较具代表牲。缝翻首兜摄据边界梅造初始麴蘧，然后将型 值点投影熬l 这初始曲面上，根据投影位置霹出其参数分布，祆而解决散乱数据 的参数分薅已问题。根据新的参数分配，拟合出一张新的b 样条曲面，然艏，再 对鍪僮熹参数进髫谯耗，馒缮嚣圣堇l 舍鏊霭瓷给定黧篷熹懿镶距最枣。 1 5 多坐标数控船王刀具辘迹生成技术 对手篡毒复杂爨嚣豹零 孛盘予形状特殊，精度要求蹇，一般嚣簧3 5 釉联动 的数控机床来完成加工。猩数控加工以前，必须对零件进行数控编程，得到零件 的数控加工程序，作为控制指令来控制数控机床的运动。复杂曲面零件数控编程 静主要任务就是慧成无干涉的数撩燕王刃蒸辕迹。实际瘦疆孛，数茬编纛豹模型 对象可以是由大爨数据点兹表示的( 主要应用在产品的仿形加工中) ，也可以是 实体模型。对于不同的模塑表示方式，刀具孰迹缴成技术也不同。 l 点1 基手测量数据纛的刃具孰逐生戏技术 在复杂曲面的数控仿澎加工技术中，要解决的关键问题是在获得模型表面的 傍彩数攥点云之纛，如何垒或模瀵的无于涉刃使轨迹，遽两褥餮数控葫王程序。 目前针对原始测撼数据点的刀具轨迹生成技术，可以分为两类：类是对测量点 遴学盟 霉变抉及数据楚理，壹接生成数控撅工刃舆孰迹；另一类爨在测量点的基 础上，通过几何模型重建得到c a d 模型，然后遴用基予c a d 模型的刀具轨逐 生成技术进行轨逊计算。前者主要应用于曲面的阿步数控仿形加工中，即要制造 静产瑟与添始实耪模鍪豹尺寸禚鞠；瑟蠢爱哥戮瘸子磊热实饕模鬃静复裁，毽可 以用于模型的改j 设计制造。在本小节中，主要论述了仿形测量数据的崴接刀具 孰迹生成技寒，黧予实体模型的刀位轨迹生成技术将在下一小节论述。 目前，关于仿形测量数据的意接刀位轨迹生成技术的研究还不是很多。如果 棱鳖熬数控燕王羲迹与覆始实耪挨整熬傍形测量软透摆聪，嚣虽鸯瑟工刀其与测头 的名义尺寸相同，则刀位轨迹的擞成将变的非常简单。萁方法为：按给定逼近精 皮对测量数据( 即测头中心运动轨迹) 进行分段蠢线拟含，各直线段的缀合即为 无干涉刀爨辘述；_ l 逝法篱擎，毽麓隈陡大，痘焉攀广。 对于散乱的数据点云，或者敲然测量路径与加工路径一致，但刀具尺寸与测 头只寸不月豹情况，刃具辕迹豹纛接生成将难褥多。在这方嚣，a 。c l i n l 叫秘r 。j ， c r i p p s 6 7 1 做了一些代表性的工作。a c l i n 提岛了一种由大量数攒点云蠹接生成 三轴数控加工刀舆轨迹的方法。该法的原理是农数据点的基础上，建立曲面的 z - m a p 模整，逶避露具孛心熹戆褒疫骖瑟，获褥蘑簧麴秃子涉刀经辕蓬。魏法效 率较高，适用于柱种测量方式产擞的数据点云，汽论是接触式还是非接触式；箕 缺陷是要求加工的表面不自2 是闭合曲面。 r j ，c r i p p s 稔总结7t k i h i n a m i l 6 s 1 ，繁k o n d o n t 6 ”，tk u r a g n o l ”i 等入辑究王 6 浙江大学硕士学位论文 作的基础上，提出了应用“改进的刀具反向偏置法( m i o m ) ”进行基于仿形测 量数据的直接刀具轨迹生成技术。其原理是首先将刀具中，1 1 , 置于可能的刀触点上 并使刀轴方向与实际；b i r r 时方向相反，然后计算刀具的外包络轨迹曲线，也就是 刀具轨迹。该法不仅适用于规整点云和散乱点云，也可适用于三角网格模型，但 其缺陷是从测量点云中选择生成刀触点有时会变得非常困难。 1 5 2 基于c a d 模型的刀具轨迹生成技术 在复杂曲面的数控编程中，基于c a d 模型的刀具轨迹计算是最常见、也是 研究最多的、技术最成熟的。刀具轨迹的生成工作包括刀具轨迹规划和刀位点的 计算。在刀具轨迹计算时，为了得到优化的刀具轨迹，必须选择合适的刀具轨迹 规划方法，这是因为刀具轨迹的优劣直接影响到加工精度和；9 - r - 效率。 目前，常用的刀具轨迹规划技术有如下几种： 1 ) 参数线法1 参数线法的特点是刀触点曲线沿曲面的参数线分布，计算简单，适用于网格 比较规整的参数曲面的加工：该法具体又可以分为等参数线法、局部等参数步长 法、自适应等参数线法。 2 1 截面法“3 截面法的基本思想是采用一族截面去截加工表面，截出一系列交线，作为曲 面加工时的切触点曲线；该法的特点是计算量较大，难以确定截面的最佳方位。 3 1 偏置法州 偏置法采用求边界曲线的等距线作为刀触点曲线，偏置间距根据最大残留高 度来确定：该法特点与截面法类似效率不高。 4 ) 残留高度法哑3 等残留高度法是通过控制相邻轨迹间的残留高度不变，来计算刀具轨迹的 该法的特点是计算复杂，但加工效率很高。 5 ) 空间填充线法叫 空间填充线( s p a c ef i l l i n g ) 法是近年来提出的，此法具有很好的连续性和 在参数区间上分布的均匀性，基本上消除了整个切削过程的空行程，降低了刀具 轨迹线的长度i 但切削方向的频繁变化使表面质量在某种程度上受到了影响。如 何将其有效的应用在数控加工领域还有待于进一步的研究。 除了进行刀具轨迹的规划，还要进行刀位点的计算。从各种文献上来看，刀 位点的计算方法主要有以下几种： 1 ) 刀触点法畔l 该法先由曲面模型通过刀具轨迹规划得到刀触点曲线，然后通过刀具半径补 偿得到刀位点曲线。刀触点法是一种适用于各种刀具的算法，不足之处是产生的 刀轨不共面，加工时难以控制机床的进给率。将刀触点转化为刀位点的算法有很 7 浙江太学硕士学位论文 多，如刀补法，法向偏置法，刀具偏置法，点涉法。4 1 等。 2 ) 等距面法”o 等距面法只适用于使用球头刀的数控加工中，其基本思想是利用球头刀的法 矢自适应性，即曲面上刀触点的法向矢量通过铣刀中心，刀位点位于被m i 曲面 的等距偏置面上，偏置距离为球头刀半径。刀轨计算时先在被m t 曲面上构造一 法向距离为球头刀半径的等距面，然后在该等距面上规划刀具路径。 在数控加工中，由于球头刀的中心在始终在等距面内运动，而且与加工曲面 是点接触，故只要球头刀的半径小于被加工曲面的曲率半径，曲面就不会发生过 切现象。 3 ) 投影法3 投影法加工的基本思想是使刀具沿一组事先定义好的导动曲线运动，同时跟 踪待加工表面的形状，产生刀具轨迹。导动曲线在待加工表面上的投影可以是刀 尖点的轨迹，也可以是刀触点轨迹。由于待加工表面上各点的法矢方向不同，因 此限制刀触点轨迹不能保证刀尖点轨迹落在投影方向上，所以限制刀尖点轨迹更 容易控制刀具的准确位置，可以保证在一些临界位置和其他曲面不发生干涉。导 动曲线的定义依加工对象而定。 利用投影法可以产生无干涉刀具轨迹，而且因其灵活性大，易于控制等特点 得到了广泛的应用。 4 ) 多面体法3 乏 所谓多面体法，就是把空间自由曲面按一定的精度要求，离散成一系列的多 边形( 一般采用三角形或四边形) 平面片，这些多边形平面片的集合，就构成了一 个多面体，用此多面体来逼近或代替原空间自由曲面。这祥在干涉检查中将刀 具与空间自由曲面之间的干涉检查转化为刀具与三角平面片之间的干涉检查，降 低了计算的复杂程度，提高了效率。当刀具几何形状不同时，则相应的刀具干涉 检验的算法亦不相同。 多面体法可应用于球头刀及非球头刀的数控加工中。由于多面体法的适应性 较强，因此，目前对于非球头刀空间自由曲面的数控加工，其无干涉刀位轨迹的 产生大多采用此算法。多面体法在汽车车身模具、塑料模具、各种轮机叶片的加 工中都得到了较好的应用。 除此之外，还有其它的刀具轨迹计算方法，如密切曲率法印”、偏置法州、 最小有向距离法阻73 等。所有这些算法都是根据不同的干涉检查算法来计算刀位 点，再将这些无干涉的刀位点构成有序集，作为加工刀具轨迹。 1 5 3 数控加工刀具轨迹的验证方法 对于复杂曲面的数控加工来说，生成的刀具轨迹是否正确，在加工过程中是 否会发生过切，所选择的刀具、走刀路线、进退刀方式是否合理刀具与约束控 制面( 非加工面) 是否干涉等，编程人员事先往往很难预料。为了确保数控加工 程序能加工出合格的零件，传统的方法是，在零件正式加工前，须在数控机床上 试切，发现程序问题并进行修改，排除错误后才进行零件的正式加工，这样便使 新茳大学硕士学位论文 生产成本曼滚增翔。针黯这一不足，霹疆考露采器嶷诗算瓿孛模掇零舞鑫蟊王进程 的方法，来检查刀具轨迹计算是否厩确，这一方法称为刀具轨迹验证。 刀其轨迹验证的方法有稷多，常甭静方法如下： 1 ) 显示法“1 显示验涯法懿蘩本愚慧是：然麓嚣造型结果孛取出爨鸯翔工表凝及终塞嚣， 从刀具轨迹计算结聚中取出刀具轨迹信息，然后将它们组合起来进行显示，藏者 在所选择的刀位点上放上“舆实”的刀具模型，再将整个加王零件与刀具一超进 行三维缀舍滂稳，获薅翔蘩是乃辘逡主乃，往置、刀麓矢量、乃其与鞠工表菰静 相对位置以及进退刀方式是否合理。 具体分辑时可以是刀具软迹单独显示骏证、加王褒面与刀具软遗的组合摄示 验证藏组合模拟显示验证。 2 ) 截嚣法。“ 截面法骏证是了丁具轨迹验证的主要方法之，其基本思想是：先构造一个截 面，然后求该截面与待验证的刀位点上的刀具外形表恧、加工表面我其约束褥鲍 交线，并擒造一幅截面蜀，蕊两羚繇新逸箨豹刀其楚否舍毽，检查刃吴与约寐面 是否发生干涉与碰撞，加工过程中怒否存在过切。 越法主骚应用予测铣搬工、型黢趣工及遥道鸯鬟王豹刃爨鞔迹验诞。 根据截筒形式的不同，裁面法骢证可以分为横截面验证、纵截磷验证及曲截 面验证。 3 ) 数值法m 3 数值验诞法也称距离验 正法，怒一种刀具轨迹的定量验 正方法，其基本愿想 是：计算各刀位点上刀其表褥与船工表面之闷的距离，若既距离为滋，表示加工 表筒为未切削到，若距离为负，表示刀具与加工表黼过切。 4 ) 虚拟切削法“ 虚拟切肖4 验证法也称动态仿真骢证法，其基本思想是：采用实体造型技术建 立熬工零侔壤坯、飘徕、夹墓及刀其在热工过程中静实体凡何模鍪，然后将船工 零件毛坯及刀具的几何模型进行快遽布尔减运算，最后采用真实感图形显示技 术，把加工避程中零件模型、规庆攫型、夹吴模型及刀具模型魂态敷显示爨来， 模拟零件的实际加工过程。菇特点燕仿真过程的真实感较强，基本上具有试切加 工的验证效果。 1 6 论文的选题意义、主要研究内容、特色及创耨 1 6 1 选题意义 随着w t o 的加入，国内市场的开放，制鞋企业在国内外市场的竞争越来越 激烈。谁款产晶质鬃毫，款妓耨颖，谁裁2 够捻褥卷场先枫，争取用户匏毒耱， 并程市场上既立不到，这已经成为犬家豹慕设。由于对鞋类商品来说，特别魑时 装鞋，用户需求日新月异，变化特别快，时效性也短。如此_ 来，就更加要求尽 9 巍激太学硬士学位论文 可能的缩短新款式的设计、生产周期。由予鞋与鞍植的特殊依赖关系，鞋生产周 裁豹缩短，邀意昧这鞋援黧产周期豹缩短。 鉴于目前我国制楦业的落后现状，鞋楦的设计还停留在手工刻模阶段，鞋楦 的加工还处于传统机械一眩气靠横阶段，使褥鞋糖鳃生产周期长，生产效率低， 藤囊、尺寸不稳定。其后栗是我国的鞋类产品在离樯鞋市场基本上处于竞争劣势 地位。为掇转这种般势，提升我国鞋类产鼯在国际市场上的竞争力，必须提高鞋 豹档次，艇快产熬创薮，缝短设诗生产周鬻。 与国内形成鲜明对比的是，国外的制楦业已歼始应用c a d c a m 、数控技术， 实行鞋檀的计算机辅助设计、制造，太大缩短了鞍揎的设计周期，提高了鞋楦的 餍囊，葫快了产赫鹣上索辩蠢。 由于鞑揎是一个多囱掇热豹复杂皂由题嚣体，擐难月数学公蕊表达积攒述， 无法通过成用通用的三维c a d 软件进行从无至i 脊的设计，郾“征向设计”。常 见的做法是，针对原有的鞑檀模型，进行修改，得到需要的新款式。若要应用三 缎c a d 软件送霉掺改设计，霹舒豹方法建逶遗亵瑟测蠹获褥羲壤表蘑数据，然 后进行基于测量点的模型嚣建得到数字化的鞋挺模型，即“逆向工程”。以此 鞍檀模型为基础，用户可修改，也可以编制n c 稳序，并控制数控机庆对鞋檀进 行数控葫王。既方法称之梵鞋檀静数字纯待形稚工技术，森国外已经得郅了实现， 如意大利的n e w l a s t 公司。事实证明，鞋植的数字化仿形加工怒一种有效的生 产方式，炎驻了臻绞毒l 毽方式熬不是，大大提裹了装檀黪生产效率。 鞋植的数字化仿形加工就是先通过对母楦仿形测量，得到代袭母植模挺的三 维测量点数据；然