（机械制造及其自动化专业论文）鞋楦五坐标数控加工编程理论与技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：本文以鞋楦数控编程为背景，研究了鞋楦曲面建模方法、数控加工方案， 以及鞋楦五坐标数控加工编程理论，主要包括数控加工刀具切触点计算、刀位数 据计算、后置处理等关键技术，采用数控加工仿真手段验证了本文提出的相关方 法和理论。论文主要研究内容包括： 1 给出了鞋楦曲面建模方法和鞋楦数控加工方案。首先利用i m a g e w a r e 进行 曲面重构，然后从得到的i g e s 文件中提取数据，编写非均匀b 样条曲面方法的程 序，利用m a t l a b 建立了鞋楦曲面模型。在曲面模型基础上，根据鞋楦的几何特 点和五坐标数控机床的工作原理，确定了螺旋式加工方法，并给出了构造螺旋线 和导动线的方法。 2 针对本文提出的鞋楦数控加工方案，提出了一种用于计算鞋楦螺旋式加工 刀具切触点的方法。主要有两个工作重点：a ) 针对现有求交法的缺点，提出了一 种简单高效的利用投影迭代求曲面与直线交点的算法，并求得搜索法的初始点b ) 提出了一种新的二阶搜索算法，利用该算法求得所有的加工切触点，该算法大大 提高了计算效率和精度、稳定性和可靠性，并降低了搜索法对初始点的依赖性。 3 给出了刀位点及刀轴矢量的计算方法。根据选择的刀具，由刀触点沿法矢 偏移一个距离的方法计算出刀位点，再通过b 样条曲线方法拟合成刀位点轨迹曲 线。结合加工刀具特点和加工方式，给出了利用刀位点数据及进给方向切矢量计 算刀轴矢量的方法。 4 针对双转台五坐标数控机床，给出了其后置处理算法。利用v e r i c u t 软 件进行了鞋楦五坐标数控加工仿真实验，从而验证了n c 程序及本文提出的相关理 论和方法。 关键词：鞋楦；五坐标数控加工；曲面求交；二阶搜索法；后置处理 分类号：t p 3 9 1 7 3 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：i nt h i st h e s i s ，i nt h eb a c k g r o u n do fs h o el a s tn c p r o g r a m ，t h es h o el a s t s u r f a c em o d e l i n g ，c n cm a c h i n i n gp r o g r a m s ，a n ds h o el a s tf i v e a x i sn cm a c h i n i n g p r o g r a m m i n ga r es t u d i e d m a i n l yi n c l u d sc a l c u l a t i o no fn ct o o lc u t t i n gc o n t a c t s ，c u r e r l o c a t i o nd a t ac a l c u l a t e d ，t h e p o s t - p r o c e s s i n g a n do t h e r k e yt e c h n o l o g i e s a n d l a s t ，d e m o n s t r a t et h ep r o p o s e dr e l e v a n tm e t h o d sa n dt h e o r i e su s i n gc n cm a c h i n e s i m u l a t i o n m a j o rc o n t e n t so fs t u d yi n c l u d e ： 1 1 1 1 es h o el a s ts u r f a c em o d e l i n ga n ds h o el a s tn cp r o g r a mi s g i v e n f i r s t l y ， r e c o n s t r u c ts h o el a s ts u r f a c et h r o n gi m a g e w a r e ，e x t r a c tt h ed a t af r o mt h er e s u l t i n gi g e s f i l e ，p r e p a r a t en o n u n i f o r mb s p l i n es u r f a c em e t h o dp r o c e d u r e ，a n d t h e nb u i l dt h es h o e l a s ts u r f a c em o d e li nm a t l a b b a s e do nt h es u r f a c em o d e la n df i v e a x i sn cm a c h i n e w o r kp r i n c i p l e ，d e t e r m i n et h es p i r a l i n gp r o c e s s i n gm e t h o d s ，a n dg i v ec o n s t r u c t i o n m e t h o do ft h es p i r a la n dt h eg u i d el i n e s 2 b a s e do nt h en cm a c h i n i n gp r o g r a mo fs h o el a s t , ac a l c u l a t i o nm e t h o do ft h e c u r i n gc o n t a c tp o i n t i s p r o p o s e d t h e r e a r et h r e em a i n p r i o r i t i e s ：a ) f o rt h e s h o r t c o m i n g so ft h ee x i s t i n gi n t e r s e c t i o nm e t h o d ，as i m p l ea n de f f n c i e n ta l g o r i t h mo f c u l w ea n dl i n ei t e r a t i v ep r o j e c t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，a n dt h e no b t a i n t h ei n i t i a l p o i n to fs e a r c hm e t h o du s i n gt h ea l g o r i t h m ；b ) u n d e rt h es p i r a lp r o c e s s i n gf e a t u r e s ，a n e ws e c o n d - o r d e rs e a r c ha l g o r i t h mi sg i v e n ，a n dg e ta l lt h ec u t t i n gc o n t a c tp o i n t s t h e a l g o r i t h mg r e a t l yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o n ，s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y ，a n d r e d u c e st h es e n s i t i v i t yo ft h ei n i t i a lp o i n t ；c ) b e c a u s es h o el a s ts u r f a c ei sf o r m e db yt h r e e s u r f a c e s ，s u r f a c ed i s c r i m i n a t i o nm e t h o di sg i v e nb yc o m b i n i n gw i ms u r f a c ej u n c t i o n 3 t h ec a l c u l a t i o nm e t h o df o rc u r e rl o c a t i o np o i n ta n dt o o la x i sv e c t o ri sg i v e n d e p e n d i n go nt h es e l e c t i o nt o o l ( e n d b a l lt 0 0 1 ) ，c a l c u l a t et h ec u r e rl o c a t i o np o i n t ，a n d f i r i n gt o o lp a t hc u r v et h r o u g ht h eb s p l i n ec u r v em e t h o d c o m b i n e dt o o lc h a r a c t e r i s t i c s a n dp r o c e s s i n g m e t h o d s ，t h em e t h o do fc a l c u l a t i n gt o o la x i sv e c t o ri sg i v e n , u s i n gc u t t e r l o c a t i o np o i n ta n dt a n g e n tv e c t o ro ff e e dd i r e c t i o n 4 p o s t p r o c e s s i n gf o rd u a lt a b l e5 - a x i sn cm a c h i n ei sg i v e n c a r r yo nt h es h o e l a s tn cm a c h i n es i m u l a t i o ni nv e r i c u t t h en cp r o g r a ma n dt h e o r i e sa n dm e t h o d s w h i c hr e l e v a n tt ot h et h e s i sh a v eb e e np r o v e da v a i l a b l e v 北京交通大学硕士学位论文 k e yw o r d s ： s h o el a s t ：5 - a x i sn cm a c h i n e ；s u r f a c ei n t e r s e c t i o ms e c o n d o r d e rs e a r c h m e t h o d ；p o s t - p r o c e s s i n g c l a s s n o ：t p 3 9 1 7 3 致谢 首先，衷心感谢蔡永林副教授两年来的悉心指导和关心照顾。在两年的学习 生活中，导师细致入微的关心和爱护、耐心的指导和帮助，我的学习生活和研究 工作才得以顺利进行并取得良好的预期效果。蔡老师严谨的治学态度、渊博的学 识、踏实坚韧的工作作风和无私的敬业精神，给了我深刻的启发和教育，让我受 益匪浅。同时，蔡老师诚恳、实事求是的为人态度，将使我受益终身。在论文完 成之际，学生怀着深深的敬意向蔡老师表达最衷心最诚挚的感谢，也在此祝老师 工作顺利，桃李满天下! 感谢孙卫青老师在学习和生活上给我的极大帮助，在此向孙卫青老师表达衷 心的感谢。 感谢父母在我攻读硕士学位期间给予我的鼓励与支持，他们的支持是我永远 前进的动力，没有他们的大力支持，我难以顺利完成学业。 感谢实验室叶伟、樊文刚、程云剑、黄泽华博士在学术上的指导和无私的帮 助。感谢曹盎鑫、林立同学在学术讨论中给我的建议和帮助。感谢硕士0 9 0 1 班的 每位同学和朋友，他们始终在给予我关怀和帮助。 感谢所有关心和帮助过我的老师和同学们! 绪论 1 绪论 目前全世界鞋产量己超过1 2 0 亿，仅我国的鞋类产量就超过了6 0 亿，占全 世界总产量的1 2 。我国制鞋业的高速发展，不仅极大地满足了人们的生活和消 费需求，而且已成为我国的一个重点出口创汇产业，在国民经济中占有不可替代 的位置【1 】【2 】。 鞋楦( 如图1 1 ) 是设计和制造鞋的依托，是制鞋必不可少的模具。在整个 设计与生产鞋的过程中，鞋楦不仅决定了鞋的造型和样式，更决定了鞋是否合脚， 是否能起到保护脚的作用。鞋楦设计必须以脚为基础，但又不能与脚型完全一致， 因为脚在各种不同状态下，尺寸、形状、应力等都有变化，所以鞋楦的设计和加 工牵连多种学科，对设计经验、技术和加工方式、质量等要求都非常高。 图1 1 鞋楦 f i g 1 1s h o el a s e 传统的鞋楦加工方式为手工制作，手工制作不仅生产周期长，而且加工精度 低，质量不稳定。现在人们对鞋的款式、舒适性的要求越来越高，制造商不仅要 提高生产率，更要提高加工质量。随着c a d c a m c a p p 及其集成技术的发展， 国外已有大公司开发了鞋楦曲面的重构建模、数字化级放的整套技术，并已经广 乏应用于实际生产p j 。 我国制鞋业是典型的粗放经营发展模式，产品档次低，款式少且舒适感不好， 7 鞋类牌子叫不响，价格上不去，其中一个重要原因是鞋楦设计、生产技术、 殳备的落后。随着中国加入w t o ，国外产品正对国内同类产品产生强烈的 如何在新形势下开拓市场，走向世界，成为摆在国内整个制鞋行业面前的 逼。从关键技术入手，提高制鞋的质量和速度，提高鞋楦设计、生产技术 成为我国制鞋业对内加快传统产业改造，参与国际竞争的当务之急【4 。 北京交通大学硕士学位论文 1 1 鞋楦加工技术的发展过程及研究现状 1 1 1 鞋楦加工的发展过程 鞋楦设计与加工发展历经三个阶段：手工制楦阶段、拷模加工阶段和 c a d c m 技术应用于制鞋业。 1 手工制楦阶段 最早的制楦方式就是手工制楦，它是其他制楦方法的基础。手工制楦设计一 个鞋楦大致分为四个步骤：构思楦体造型。这个阶段主要是对将要制作的楦体 的一个整体构想及大致的造型尺寸确定。楦体造型阶段。根据第一步构思的楦 体造型和大致的造型尺寸，确定造型尺寸，设计楦体样体，完成楦体造型图纸设 计。实际加工。根据第二步所设计的楦体样体、设计的图纸以及造型尺寸，手 工完成楦体的样体制作。检查结果。比对加工出来的样体和最初的楦体造型构 思，如果相差很大，则返回第二步重新设计造型加工，直到得到满意的结果【5 】。 手工制楦的基本工艺程序如图1 2 。 ，唪酒 二： 二墅i i ! ! ：堡塑堕 = 二沈：麴型二 二钮堑二 = 书f 】垂葶万 图1 2 手工制楦的基本工艺流程 f i g 1 2t h eb a s i cp r o c e s so fh a n d m a d e 2 拷模加工 2 0 世纪中叶开始，传统拷模机开始应用于制楦业中，设计过程还是采用手 工制模，加工是采用机械装置来完成，刻楦机是以拷模仿形原理根据标准楦模仿 形加工成为与需要相符的各种鞋楦。 图1 3 拷模加工的基本工艺流程 f i g 1 3t h eb a s i cp r o c e s so fe o p y - m o d ep r o c e s s i n g 拷模加工相对于手- r n 楦来说，是一个很大的飞跃，提高了生产效率、产品 质量，并且能准确地对规格定型，能使同一批次产品规格尽可能的一致，同时也 大大降低了劳动强度等。然而，它也存在一些缺点：适应性差。拷模加工需有 一个制作的母楦，母楦的设计制作还是采用原始的手工制楦方法，产品品种不能 适应多变的市场需求。产品精度低。这种加工方法是用母楦进行仿形加工，加 工时避免不了一定程度上的失真，又不能进行误差步长，因而，产品的精度不是 很高。设计周期长。母楦的设计耗费大量时间，不能适应消费市场小批量多品 2 绪论 种的需求。检测方法落后。主要是对楦体主要部分的检测，利用一些常规的检 测方法，其他部位的质量全凭经验来检n t 6 j t 7 1 。 3 c a d c a m 技术应用到制楦业 随着c a d c j m 技术的迅速发展，9 0 年代以来，激光技术、新材料技术、 精密仪器技术、数控技术及c a d c 伽技术逐渐应用到了制楦业。这些技术的 应用，从鞋楦产品开发周期、产品质量和性能、产品成本等方面产生了巨大的变 革。 c a d c a m 技术应用到鞋楦制造有以下工艺过程： 图1 4 计算机辅助制楦工艺流程 f i g 1 4t h eb a s i cp r o c e s so fc a d c a m ( 1 ) 鞋楦测量。测量已有的鞋楦，将鞋楦实体进行了数据化，按测量方式 分为接触式测量和非接触式测量两种。 ( 2 ) 鞋楦设计与造型。鞋楦的设计和造型方式有两种，一种是一个复杂不 规则的自由型闭合曲面，另一种是由几个复杂不规则曲面组成鞋楦曲面。无论是 哪种方式，它的构成曲面都是复杂不规则的曲面，无法由初等解析曲面来描述， 这也是鞋楦设计与造型的难点，应用c a d c a m 技术制楦时必须要合理的对鞋 楦进行数学描述和数学建模。国内外已有很多学者和公司做了这方面的研究，也 已有了比较成熟的系统。 ( 3 ) 鞋楦加工。这一阶段是将设计加工成实物，是制楦过程中最重要和最 终目标，是整个过程中最关键的阶段。鞋楦的实际加工直接影响鞋楦的精度、质 量及外观、舒适性等。现有的加工方式很多，较典型的有快速原型法加工、传统 的三坐标数控铣床加工、专门的数控刻楦机加工和目前渐渐发展起来的专门的鞋 楦数控加工系统，国内外已有了一些相对成熟的系统应用到实际加工中。 ( 4 ) 鞋楦产品的测量和修正。这一阶段是一个产品完成前必不可少的一环， 主要任务是将加工的鞋楦实体进行测量，对比测量到的数据和需求的数据，找出 产品缺陷的不良影响因素，提出改进方案，在最大程度上保证产品实体和原始设 计的一致嗍。 1 1 2 几种常见的鞋楦加工方法 北京交通大学硕士学位论文 鞋的生产过程中，每产几双鞋就要消耗一双鞋楦，鞋楦需求量特别大。鞋楦 制造实质是对母楦的仿制，经过适当的级放、修正和美化，制造出需要的鞋楦。 鞋楦的外形、质量及美观度等主要由两个环节决定，母楦的质量和鞋楦的加工质 量。无论是哪种加工方法，都在一定程度上存在不足，要在实际应用中取长补短， 最大程度的保证产品能满足需求，这就需要对鞋楦加工方法有一个大致的了解。 目前，市场上主要存在三种鞋楦加工方法：传统机械拷模、液压仿形和c a m 数控加工。 1 机械拷模加工法。用专门的机械机构对鞋楦进行适当的级放，然后进行 拷模加工。这种方法主要存在以下缺点： ( 1 ) 预紧力和生产质量关系。这种方法首先需要对母楦进行级放，级放时 主要是拷模级放，因此会有一个拷模预紧力，预紧力的大小会影响母楦磨损和变 形，主要会影响鞋楦的生产质量。如果预紧力太大，会增加母楦的磨损和变形； 如果预紧力太小，则难以达到理想的加工速度，从而影响鞋楦转折锐边的加工质 量，生产效率难以满足要求。 ( 2 ) 加工精度。机械拷模加工中的级放是利用专门的机械机构达到的，机 械机构不可能完全避免误差和失真，只能做一个近似的级放，这样势必会降低鞋 楦的加工精度。 ( 3 ) 加工环境。噪音大，粉尘多，污染严重，加工环境差。 2 液压仿形法鞋楦加工。利用机构和液压伺服阀对母楦进行仿形加工鞋楦。 这种方法作用于母楦的预紧力较小，因此母楦的磨损与变形较小，但是液压伺服 阀结构复杂，成本较高，而且这种方法的级放方法和机械拷模法类似，只能实现 近似级放，精度难以保证。 传统鞋楦加工方法加工效率不高，而且母楦制作周期长、质量不稳定、精度 低，经验丰富的高级技工培养周期长、普遍老龄化，技术传授慢，后继缺人。而 不论是机械靠模还是液压仿形加工，鞋楦级放都是通过一系列杠杆等复杂机械机 构来完成的，机械误差不可避免，在鞋楦多级级放中更为明显。生产过程中还存 在母楦磨损大，加工环境差等问题。同时，由于市场需要越来越多样化，对鞋楦 设计要求也越来越高，传统的鞋楦加工方法已经难以满足市场的需要，这对鞋楦 自动化设计和制造提出了迫切的要求。 3 c a m 数控加工。现在人们对穿着不仅追求美观、舒适，而且要求具有个 性化，我国传统的鞋楦制造方法已不能适应“小批量多品种”的市场需求，以致大 大降低了了国内制鞋企业的竞争力和发展速度。近年来，随着c a d c a m 技术 的发展，数控技术已广泛应用于生产中，竞争激烈的制楦业对数控加工提出了迫 切的需求，数控刻楦机应运而生，其中以意大利n e w l a s t 为代表【9 】【埘。 4 绪论 和传统鞋楦加工方式比较，数控技术应用到制鞋业中有以下优点： 1 生产效率高。鞋楦c a m 数控加工效率很高，每次可以加工两双到三双 鞋楦，每次加工只需两到三分钟。 2 生产成本低。鞋楦c a m 数控加工过程中，不用母楦，直接减少了对母 楦的磨损，提高了母楦的使用寿命，从而降低鞋楦制造成本。 3 产品精度高。鞋楦c a m 数控加工级放由数字化控制，相对比较准确， 能实现多级级放，一定程度上提高了鞋楦的质量和精度。 4 便于设计。通过美化和修改扫描得到的鞋楦三维数据，然后造型设计出 新的款式。 图1 5 数控刻楦机工作流程示意图 f i g 1 5f l o w c h a r to fc n cs h o el a s tm a c h i n e 可是，目前市场上的鞋楦数字化测量及数控加工系统也存在本身的不足。 1 1 3 鞋楦技术的国内外研究现状 1 9 7 0 年以来，世界制鞋业发达国家如意大利、英国、德国、法国、美国等 作了很多鞋楦设计和制造方面的研究，已经有了很成熟的c a d c a m 制楦系统， 为制鞋业的技术进步作出了重要贡献，带动了整个产业的进步。随着市场需求和 竞争的激烈，国内很多企业、学者也相继开始对鞋楦c a d c a m 技术进行专业 的研究工作。 1 1 3 1 国内研究现状 相对来说，国内对鞋楦c a d c a m 研究较少，且大多数仅在理论研究的水 平上，用于实际的较少，具有实用价值的也比较少。 5 北京交通大学硕士学位论文 国内鞋楦c a d c a m 技术研究，起步最早的是重庆大学，他们在鞋楦三维 测量技术、鞋楦数控加工技术方面进行了较为深入的研究，但是他们的方法存在 不合理处，如母楦数据测量时空间坐标系不合理，这导致模型转换时间长，且降 低了鞋楦数控加工的精度，同时，他们也没有对级放技术进行研究，不能真正应 用于实际，不能推向市场。四川联合大学研制出了一种可获得楦体三维数据的系 统一，m a 2 0 0 鞋楦三维面形自动测量系统，基于激光三角形发对鞋楦进行测 量。清华大学、福州大学和华南理工大学实现了鞋楦三维测量，他们利用接触式 测头对鞋楦进行测头自适应扫描，从而测量了鞋楦三维数据。但是这种方法对一 些异形曲面不适用，需要在测量之后对接触点进行轨迹合成，数据量大时计算量 相当大。此外，福州皮革工业研究所和上海大学共同研制了一种可以进行楦体展 平和帮样设计的“p f s 1 ”系统。四川大学成功开发了可以获取楦体三维高精度数 据的“l m a 1 0 0 ”系统，又于1 9 9 9 年研发了基于w i n d o w s 9 5 的帮样辅助设计软 件。轻工业研究所开发了一种利用鞋楦数据控制刻楦机而不能修改设计的“皮鞋 c a d c a m 系统”。成都科技大学的“鞋样c a d 系统”有三个部分，包括手工测量 鞋楦特征部位数据、用双三次b 样条曲面对鞋楦表面造型和后期的曲跷、展平 处理。 目前，市场上应用的制楦系统主要有：恒达机械厂生产的数控读数机和c n c 刻楦机，上海交通大学数控研究室和毅枫制楦机械有限公司合作生产的鞋楦数控 成套设备叫l 1 2 1 。 这些鞋楦数控加工系统目前仍处于三坐标数控加工阶段，由于装夹在鞋跟和 鞋尖部位，加工后需要手工处理这两个部位，加工精度和外观受到影响，导致加 工效率低，产品档次低。 1 1 3 2 国外研究现状 国外的研究比国内的早，从六十年代开始，国外许多厂商致力于制鞋先进设 备的研究，这大大推动制鞋设备的机械化和自动化程度。以美国、意大利、德国、 法国、英国等为代表的世界制鞋发达国家在鞋楦计算机辅助设计和制造方面做了 许多研究。 在鞋楦专业数字化设备方面，国外主要是集成的系统，将通用的三维扫描技 术和c a d c a m 技术应用到鞋楦的设计制造及花纹的设计裁剪等方面。例如英 国的d e l c a m 公司、意大利的n e w - l a s t 公司，都专业供应集成系统。其它 知名的还有法国w o r k - n c 2 系统、德国t i b i s 系统、日本c l i c k s 系统、韩国 z m a s t e r 系统和加拿大v o r u m 系统等等。 6 绪论 综合分析这些成熟系统及鞋楦数字化设备的特点，鞋楦c a d c a m 技术有 如下特点： ( 1 ) 不用母楦，直接进行设计，利用设计所得数据进行鞋楦加工。 ( 2 ) 在开放式数控系统的平台上对鞋楦进行数字化设计和制造。 ( 3 ) 将数据采集测量等数字化设备和制鞋专用c a d c a m 系统结合起来。 ( 4 ) 先进的鞋楦数字化设备和制鞋专用c a d c a m 系统大多集中在几个世 界制鞋业发达的国家里，其中以意大利最多。 ( 5 ) 这些设备和系统大都价格昂贵，且技术保密，不对外开放。 目前，德国已经研制出五轴加工系统，并在国内建厂生产，但是机床、软件、 程序都保密，都不外卖。 从最原始的手工制楦到现在的鞋楦c a d c a m 技术，鞋楦的设计和制造已 一次次的取得了质的飞跃，鞋楦的设计和制造已取得了随着科学技术的飞速发 展，计算机集成技术也会迅速发展，c a d c a m 技术也会更快的向前发展，制 鞋业也在加大步伐向前进步，综合科学技术和人类文明的发展，制鞋业的发展趋 势越来越明朗，向集成化、协同化、智能化和绿色化大步前进【1 3 1 。 1 2 课题选题背景及研究意义 论文选题为鞋楦五坐标数控加工编程理论及技术研究，旨在为福州锦达模具 厂开发五轴编程软件，本论文的研究意义如下： 国内鞋楦三坐标数控加工系统已成熟，但是由于三坐标数控机床装夹方式和 加工方式的局限性，如图1 6 所示，加工完之后楦头和楦尾部分需要手工处理装 夹位置，这样不仅增加了人工成本，降低了生产效率，而且影响鞋楦的质量和外 观。 图1 6 三坐标刻楦机工作原理图 f i g 1 63 - a x i sc n c s h o el a s tm a c h i n ew o r k i n g 对于鞋楦五坐标数控编程技术，在国内仍处于技术空白，尽管国内有一些外 资企业采用了鞋楦五坐标数控加工，但编程软件是为外方自己开发的，软件和程 7 北京交通大学硕士学位论文 序都对外保密，而且软件不对外销售，因而企业无法利用软件编写数控程序加工 鞋楦。 鉴于此，本文开展鞋楦五坐标数控加工编程理论及技术研究，针对五坐标数 控机床，研究鞋楦数控加工编程理论和方法，从鞋楦曲面建模、加工刀触点计算、 刀位数据计算等关键技术入手，提出新的算法以提高计算效率，将算法集成到课 题组已开发的软件中，以提高该鞋楦软件的编程效率。 1 3 课题研究的主要内容及章节安排 c a d c a m 技术应用到鞋楦加工是目前提高鞋楦生产效率和生产质量的主 要方向，但是由于鞋楦曲面的复杂性，局限了鞋楦数控加工方式，使得鞋楦数控 加工编程理论及技术成了鞋楦数字化制造的技术瓶颈。 本课题的主要内容是由大量的鞋楦数据点云建立鞋楦曲面模型，基于模型进 行鞋楦数控加工刀具切触点和刀位数据计算，针对五坐标数控机床进行后置处 理，编写鞋楦五坐标数控加工程序。核心内容及难点突破是鞋楦曲面建模、加工 刀具切触点和刀位数据算法研究，从理论基础上提高计算效率和精度，从而提高 鞋楦加工的效率和精度。 本课题的具体研究内容流程图如图1 7 所示。 主要的研究内容有以下五点： 散乱点数据 乡 i鞋楦曲面重构及建模 多 鞋楦五坐标数控加工方案 多 刀具切触点计算 乡 刀位数据计算 之乡 五坐标机床后置处理 多 鞋楦五坐标数控加工程序 图1 7 研究内容流程图 f i g 1 7t h eb a s i cp r o c e s so fr e s e a r c h 8 绪论 1 鞋楦曲面建模及数控加工方案规划。基于给定的大量散乱点建立鞋楦三维 模型，针对五坐标数控加工机床，规划鞋楦加工方案。 2 鞋楦五坐标数控加工切触点计算。切触点为加工过程中刀具和零件表面 的实际接触点，是数控加工编程关键一环，切触点的计算精度和效率是鞋楦加工 质量和效率的关键保证。刀具切触点计算是本次论文的最主要和最关键部分，是 关键的技术创新点，本文以提高计算效率和精度为主要目的，提出鞋楦五坐标数 控加工切触点的计算方法。 3 鞋楦五坐标数控加工刀位数据计算。刀位数据是后置处理的直接处理数 据，直接关系到加工零件的质量，是实现产品数控加工编程的重要部分。刀位数 据包括刀位点数据和刀轴矢量，和选择的加工刀具、数控机床及加工方式等都有 关系，根据加工刀具、数控机床和加工方式，给出刀位数据算法，计算鞋楦加工 刀位数据。 4 五坐标数控机床的后置处理。刀位数据不能直接实现鞋楦的数控加工， 需将刀位数据转换成数控系统能执行的g 代码，在加工时输入系统实现加工， 这个过程称之为后置处理。本文通过分析双转台五坐标数控机床的运动方式，给 出后置处理算法，对刀位数据进行后置处理，编写鞋楦五坐标数控加工程序。 5 仿真实验。鞋楦曲面建模、加工方案和算法是否可行? 数控加工程序能否 在实际加工中加工出产品? 一般可通过在数控机床上进行试切和通过仿真软件 在计算机上仿真两种方法来验证。从节省时间和成本的角度上考虑，选择合适的 仿真软件，通过仿真实验，验证数控加工程序，从而验证曲面造型、刀具轨迹规 划方法、切触点和刀位数据算法、后置处理过程是否满足了预期的结果。 各章节主要内容安排如下： 第一章绪论 介绍了鞋楦加工发展历程和国内外鞋楦加工的现状，引出了本课题的研究意 义和主要研究内容。 第二章鞋楦曲面建模与数控加工方案规划 首先利用通用软件进行鞋楦曲面重构，提取曲面相关数据，建立鞋楦曲面模 型，并在此模型基础上进行数控加工方案规划。 第三章鞋楦数控加工切触点计算 这章是本论文的重点和难点，主要讨论了鞋楦五坐标数控加工切触点计算方 法，在现有的主流算法基础上改进，以提高计算效率和精度。 第四章鞋楦数控加工刀位数据计算 根据加工刀具、加工方式和数控机床，给出刀位数据算法，计算鞋楦五坐标 数控加工刀位数据。 9 北京交通大学硕士学位论文 第五章五坐标数控机床后置处理及仿真 针对五坐标数控机床，对刀位数据进行后置处理，编写鞋楦五坐标数控加工 程序，并对加工程序进行仿真实验，验证本文中鞋楦五坐标数控加工刀具轨迹规 划、切触点和刀位数据算法、后置处理算法及程序的正确性及可行性。 第六章总结与展望 总结论文的主要研究工作并发现工作的不足之处，指出改进方向。 1 4 本章小结 本章首先阐述鞋楦在制鞋业中的重要地位及制鞋业的g d p 中的重要性，简 要介绍鞋楦制造的发展过程和国内外研究现状，引出了课题的背景及本论文的研 究意义，确定了主要的研究内容及方案。 1 0 鞋楦曲面建模与数控加工方案规划 2 鞋楦曲面建模与数控加工方案规划 2 1 逆向工程及软件简介 逆向工程也称反求工程或反向工程，是根据已存在的产品或零件原型构造产 品或零件的工程设计模型，并在此基础上对已有的产品进行剖析、理解和改进， 是对已有设计的再设计。 逆向工程与一般的设计制造过程相反，是先有实物后有模型。仿形加工就是 一种典型的逆向工程应用。1 9 8 0 年始，欧美国家许多学校及工业界开始注意逆 向工程这块领域。1 9 9 0 年初期，各国学术界团队大量投入逆向工程的研究并发 表成果。目前，逆向工程的应用已从单纯的技巧性手工操作，发展到采用先进的 计算机及测量设备，进行设计、分析、制造等活动。基于大量鞋楦表面散乱点进 行曲面重构、刀具轨迹规划及加工等都是典型的逆向工程应用【1 5 】【1 6 】。 目前，有四种广泛应用于学术研究和工业生产中的逆向工程软件，包括 i m a g e w a r e 、g e o m a g i cs t u d i o 、c o p y c a d 、r a p i d f o r m 【1 。7 1 。根据鞋楦曲面的 复杂性和特殊性，以及后续的研究工作需要，本论文选择采用i m a g e w a r e 进行鞋楦的初步曲面重构。 i m a g e w a r e 创建曲面的方法很多，可以用点阵直接生成曲面，可以诊断和修 改曲面，通过比较点阵和曲面的吻合度，检查曲面间的连续性和曲面的光顺性， 并进行修正。图2 1 是一般的i m a g e w a r e 曲面重构流程图。 分析数据 。弓 决定生成哪种曲面 多 创建曲面 之多 诊断和修改曲面 乡 曲面重构完成 图2 1i m a g e w a r e i t l 面重构流程图 f i g 2 1t h ep r o c e s so fi m a g e w a r e i m a g e w a r e 有非常强大的处理数据功能，能处理几万到几十万的散乱点数 据，并能由数据进行曲面重构、误差检测等，且重构的曲面有较好的质量和连续 性。 北京交通大学硕士学位论文 2 2 鞋楦曲面重构 。基于测量所得的鞋楦表面散乱数据点进行鞋楦曲面重构是典型的逆向工程， 本文利用i m a r e w a r e 进行鞋楦曲面重构。 由于鞋楦造型没有特殊的特征供我们作为分割曲面的参考，所以采用四条边 界和边界内部点群进行建构曲面。这个方式的好处是不需分割太多的曲面，大约 只要六个曲面( 如图2 2 ) 即可完成，同时也不需特别考虑面与面之间的平顺性， i m a g e w a r e 有直接的指令可完成面之间的平顺，通常都可以得到不错的结果。 图2 2i m a g e w a r e 鞋楦重构曲面分割方式 f i g 2 2s e g m e n t a t i o na p p r o a c hf o rr e c o n s t r u c t i o ns u r f a c eo fs h o el a s t 图2 3 是i m a r e w a r e 重构鞋楦曲面的基本流程，图2 4 是重构的鞋楦曲面。 原 重曲 分 构 面 曲 始 精鞋鞋割面 调 重 散分连整 乱 简 底项表a割a 接 a质a控 构 1数叫重叫 重 叫 面 q 的 q q 量 - v 制 叫兀 及 检成 点 据 构构 数 曲光 点 数 据查 据 面顺 图2 3i m a g e w a r e 鞋楦重构基本流程图 f i g 2 3t h eb a s i cp r o c e s so fs h o el a s er e c o n s t r u c t i o ni ni m a g e w a r e 1 2 鞋楦曲面建模与数控加工方案规划 鲢毫薹；! i 强戛j 童麓麓：誊i 毽：i j 釜j ；望毫i j j j j 芝：毫羔7 ：i ：j j = 翟i i ：篓：j 篓j 羹j 鼍! ：置：毫一 堂! 1 1 鄞b i p 1 r 虫c r “t e0 2 “t t ! 。d i f ye v 羹q te - 吧h e l 9 谬笔文蕊鬟，疑谬国硷铵9 缱谚爱多套 ，豸多艇渗谬麓：= 矽； 蠢汐二冒夕幺瞪为：豢 f 惫盛。j 囝圆臻j 貔窃国 图2 4 鞋楦三维模型 f i g 2 4t h e3 - d i m e n s i o n a lm o d e lo f s h o el a s t 2 3 建立鞋楦曲面模型 s 0 0 0 0 0 0l 1 耳，1 h ：，19 h 【a s t e r c a v e r s i o nx ，8 h b o y l m c x ，9 t t 融s t e r c e 巩i h i ，16 ，8 ，2 4 ，8 ，5 6 ，g 0 0 0 0 0 01 1 ，2 ，2 矾1 ，0 0 1 ，i 3 h 1 0 0 8 0 7 1 5 0 2 4 9 ，0 0 0 0 0 5 ，1 0 0 ，8 ，0 ，： g 0 0 0 0 0 0 2 1 2 6111100 0 0 0 0 0 0 0 d 0 0 0 0 0 0 1 1 2 60 26 90o d 0 0 0 0 0 0 2 l2 87 011100 0 0 0 0 0 0 0 d 0 0 0 0 0 d 3 1 2 8026 9 40o d 0 0 0 0 0 0 4 12 87 6 4111 00 0 0 0 0 0 0 0 d 0 0 0 0 d 0 5 1 2 8021 7 8 20o d 0 0 0 0 0 0 6 12 62 5 4 61l1 00 0 0 0 0 0 0 0 d 0 0 0 0 0 0 7 1 2 6023 2 80o d 0 0 0 0 0 0 8 12 82 8 7 411100 0 0 0 0 0 0 0 d 0 0 0 0 0 0 9 1 2 802 1 6 2 7 20o d 0 0 0 0 0 1 0 1 2 61 9 1 4 6l1100 0 0 0 0 0 0 0 d 0 0 0 0 0 11 1 2 6 038 0o d 0 0 0 0 0 1 2 1 2 6 ，6 4 ，3 ，0 ，0 ，1 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 8 4 8 6 0 7 7 2 1 ，1 6 9 7 2 1 5 4 4 2 ， i p 0 0 0 0 0 0 l n n 叶icnoononcno叮r r 吖叮n n r 、1 n o t c n l o o r 、n r 、f 、n r 、r 、n f 、 2 0 4 6 9 6 4 5 6 4 2 7 2 ，9 4 3 7 6 5 4 4 8 8 4 ，0 ，一18 9 3 518 0 5131 4 ，0 ， 1 7 4 6 8 9 6 2 2 8 3 3 ，0 ，0 ，1 。： s 0 0 0 0 0 0i g 0 0 0 0 0 0 2 d 0 0 0 0 012 p 0 01915 3 图2 5 鞋楦曲面i g e s 文件片段 f i g 2 5i g e sf i l ef r a g m e n to f s h o el a s ts u r f a c e 1 3 1 1 p 0 0 1 9 1 5 2 1 1 p 0 0 1 9 1 5 3 t 0 0 0 0 0 01 鎏 黧蚰砭糍一乡篓豁篓爹 篓 q ， 北京交通大学硕士学位论文 i m a g e w a r e 鞋楦曲面重构可得到i g e s 数据文件，i g e s 指初始化图形交换 规范，是被定义基于c a d c a m 不同系统之间的通用a n s i 信息交换标准。a s c i i 码格式的i g e s 文件每行为8 0 个字符，整个文件分为5 段，段标识符位于每行 的第7 3 列，第7 4 - 8 0 列指定为用于每行的段的序号。序号都以1 开始，且连续 不间断，其值对应于该段的行数。i g e s 数据文件由六段组成：标志段、开始段、 全局段、元素索引段、参数数据段、结束段，如图2 5 所示。建立鞋楦曲面模型， 需要从i g e s 文件中提取需要的曲面数据进行建模，下面介绍提取数据和曲面建 模的方法。 建立鞋楦曲面模型分为以下步骤： 1 搜索全局，找到标志曲线和曲面的段落，获得鞋楦曲面类型。 在i g e s 数据文件中，信息的基本单位是实体，通过实体描述产品的形状、 尺寸以及产品的特性。实体的表示方法对所有当前的c a d c a m 系统都是通用 的，实体可分为几何实体和非几何实体，每一类型实体都有相应的实体类型号， 如圆弧为1 0 0 ，直线为1 1 0 等。 在鞋楦曲面i g e s 数据文件中，搜索全局，鞋楦曲面的类型号为1 2 8 ，即鞋 楦曲面为n u r b s 曲面。 2 提取建立鞋楦曲面模型的参数。 嘲8 3 ，9 ，3 ，3 ，0 ，0 ，1 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 4 3 6 2 7 6 4 3 0 2 ，0 8 7 2 5 5 2 8 6 0 3 ， 3 p 0 0 0 0 0 7 0 1 3 0 8 8 2 9 2 9 0 5 ，1 7 4 5 1 0 5 7 2 0 6 ，2 1 8 1 3 8 2 1 5 0 8 ，2 6 1 7 6 5 8 5 8 0 9 ， 3 p 0 0 0 0 0 7 1 3 0 5 3 9 3 5 011l ，3 4 9 0 211 4 413 ，3 9 2 6 4 8 7 8 71 4 ，4 3 6 2 7 6 4 3 016 ，3 p 0 0 0 0 0 7 2 i i1 n n n n ， 7eo c ，l 虚 oe 盘7 c 凸 - e c n o 盘o n 口盘o o 凸【芷 c 盘c 1o d n n n n n 7 ，u b b b uj b u 石b ，j b t ) t y z l 苎i u j jq z ，p z q z il z jq zt m z q z ll z jq zr 譬z q z l l z ， 4 2 7 9 2 4 2 1 1 2 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ， 1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 j1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ， 44 工。jl 。j , i t ，i t