科技创新设计

附录A：科研项目（课题）申报书模板科技项目（课题）申报书计划类属： 项目（课题）名称：多轴数控渐进成形轨迹生成与干涉检查研究申报单位：（盖章）邮政编码：333001 电话号码： 通讯地址：景德镇市东郊新厂 省科学技术委员会二00年月日说明一、填写本科技项目（课题）申报书时请用钢笔，字迹端正，不得潦草。凡填写马虎，内容难以辨认的将不予受理。二、计划类属分为：重点科技计划，省直厅（局）计划，星火计划，火炬计划。由省科委有关项目管理人员填写。三、科技目标系指项目（课题）实施中要达到或取得的中间成果，最终成果等。一、国内外与本项目有关的科学技术现状和发展趋势（包括计算机检索情况）：数控技术和数控机床的诞生开创了控制和生产领域的新时代,给机械制造业带来了一次新的技术革命,目前数控机床发展状况已影响到一个国家机床生产的国际竞争力。多轴联动数控机床特别是五轴及五轴以上联动数控机床是实现大型与异型复杂零件的高效高质量加工的重要手段,代表着一个国家机械制造业数控技术发展的最高水平。随着国民经济的增长和现代工业的快速发展，金属板材件需求量大增，尤其是在汽车、航空航天、船舶等制造行业中，不仅金属板材件占其所有零件比重较大而且板材的成形度越来越复杂，以及产品更新换代速度加快迫使企业不得不考虑怎样才能快速适应市场变化。由于传统的金属板材成形一般利用模具冲压成形，其模具设计制造时间长、费用高、不易修改等缺点，很难适应小批量多品种及个性化生产的需要。随着计算机技术的发展，数字化柔性板材成形已经成为现代板材成形技术的重要发展方向，其中最典型代表就是金属板材数控渐进成形。金属板材数控渐进技术因其加工原理简单，成形极限较传统板材加工方法高等优点，很多学者均尝试使用现有的加工方式、加工原理对板材的渐进成形技术进行研究。到目前为止，成形原理以及成形效果的研究大多数采用三轴数控渐进成形设备进行试验。然而，随着加工复杂度的逐渐提升，三轴渐进成形设备已经渐渐不能满足对非常复杂钣金零件的加工要求，因此针对多轴多自由度渐进成形技术的研究与探索逐渐展开。目前，日本、韩国、德国、意大利、加拿大、英国等国家的学者已对板料渐进成形技术及其应用开展了大量的研究工作，而国内虽然对这种新兴的加工技术研究起步较晚，但也取得了大量的研究成果。在多轴数控成型轨迹生成及干涉检查的研究中，干涉检测与修正技术是五轴数控系统中对轨迹规划时必不可少的一个环节，该技术的研究在二十多年前便已展开，许多学者针对不同领域或不同的多自由度加工设备提出了许多干涉检测方法以及相应的修正技术。目前该技术已被广泛运用于虚拟场、游戏、CAM加工等领域。经过对诸多检测方法与修正算法的研究和总结，本文根据在干涉判断中所使用的元素不同，将干涉判断的方法分为体素法与数据结构法两类。在干涉检测过程中，算法以零件参数化数据模型或近似化数据模型的体素（点、线、面、包围盒及参数方程等）为基础，计算若干体素间是否存在有相交区域来判断两模型是否发生干涉。本文根据五轴数控渐进成形的成形原理，分析挤压工具与板材之间的相对运动关系，针对各种复杂多峰STL模型，规划出合理的走刀路径，使用加入索引思想的线性八叉树对干涉进行检测，并在此基础上，根据干涉点在三维圆柱体挤压工具的不同位置对干涉进行修正，节省了八叉树递归查找时所花费的时间，该方法可进一步提升检测的速度，提高检测的质量。[1]杨晓光.五轴数控渐进成形轨迹生成与干涉检查研究[D].沈阳航空航天大学,2013.[2]粟时平.多轴数控机床精度建模与误差补偿方法研究[D].中国人民解放军国防科学技术大学,2002.[3]周六如.金属板料数控渐进成形机理及工艺的研究[D].华中科技大学,2004.[4]毛锋.金属板材数控渐进成形关键技术研究[D].华中科技大学,2005.[5]李楠.板材五轴数控渐进成形轨迹生成研究[D].沈阳航空航天大学,2012.[6]朱虎,杨晓光.五轴数控渐进成形干涉检测与修正研究[J].机械工程学报,2014,07:168-175.[7]李向佳.口腔修复体多轴数控铣削刀轨生成关键技术研究[D].南京航空航天大学,2013.[8]朱虎,鞠晋,张伟.面向数控渐进成形鼓包问题的成形轨迹生成与规划[J/OL].锻压技术,2015(05).[9]朱虎,井学勇,杨晓光.数控渐进成形与激光切割集成的板材件加工轨迹生成[J/OL].计算机集成制造系统,2016(09)[10]程耀楠,安硕,张悦,李海超.航空发动机复杂曲面零件数控加工刀具轨迹规划研究分析[J].哈尔滨理工大学学报,2013,05:30-36.[11]庄云良.基于PCI运动控制卡的五轴板料渐进成形数控系统的研究与开发[D].南京航空航天大学,2012.[12]王智杰.航空叶片多轴数控加工刀具轨迹生成算法研究[D].西安工业大学,2014.[13]章泳健,潘毅,陆建刚,姚志强.面向多轴加工的汽轮机叶片型面建模技术研究[J].汽轮机技术,2009,05:398-400+368.[14]莫健华,叶春生,黄树槐,陈正迪,易振明.金属板料数控渐进成形技术[J].航造技术,2002,12:25-27.[15]章永年.五轴数控加工中无碰刀具轨迹生成算法的研究[D].南京航空航天大学,2012.研究内容、方法和技术路线（包括工艺流程）：1、研究内容本文综合考虑数控渐进成形的加工过程，研究一种能够适用于复杂多峰STL模型的轨迹生成方法，并利用所生成的轨迹对模型进行干涉检测，并根据发生干涉的情况研究出适用于三维圆柱体挤压工具的修正方法。具体的研究内容有：（1）研究五轴数控渐进成形中针对复杂多峰模型的轨迹生成方法。（2）研究五轴数控渐进成形中挤压工具与成形零件的干涉检测与修正方法。（3）五轴数控渐进成形仿真研究（4）利用本文提出的算法开发出相应的软件。2、研究方法利用学校的网络资源，对有关于课题的期刊，论文等资料进行收集，最后归纳总结出最合理的研究方法。考虑到数控成型的复杂程度，我们首先考虑到多轴数控渐进成形出现的各种问题，研究出一种适应于复杂多峰STL模型的轨迹生成方法，然后利用生成的轨迹对模型进行干涉检测。最后根据研究出来的结果找到合理的修正方法。3、研究的技术路线如图所示：三、本项目的创新点与其国内外知识产权状况分析本项目的创新点：1.利用相关的编程软件以及图形处理数据库开发了基于复杂多峰STL模型的轨迹规划轨迹生成软件，实现了诸多闭环间的关系确定，并根据多峰模型某一平面上所生成的诸多刀位点闭环进行了合理的排序。2.利用相关的编程软件以及图形处理数据库实现了挤压工具不同位姿的合理定位，通过对挤压角度、挤压方向和挤压方向向量的定义，明确了挤压工具的定位原则，并通过计算机图形学中的相关旋转及平移矩阵在软件中对挤压工具进行了合理的定位。3.利用相关的编程软件以及图形处理数据库实现了多峰复杂模型干涉的检测以及相应的干涉修正。国内外知识产权状况分析：本课题仪器设备装置由自己设计和开发，具有完全自主知识产权。四、目的意义和风险分析（研究成果对我省科技经济和社会发展的作用；涉及的技术关键及难点分析）目的意义：金属板材数控渐进成形技术是最近发展起来的一种可以从CAD模型经济快速地制造出板材件的柔性无模成形技术。由于该技术的生产周期短、生产成本低等优点，很适合产品试制、研发及小批量多品种、个性化生产需求，所以该技术在航空航天、船舶、汽车等行业有着广泛应用前景。本文开展的板材五轴数控渐进成形轨迹生成研究对于提高板材成形精度和质量，以及板材五轴数控渐进成形技术推广具有重要的现实意义。技术关键和难点分析：1.在STL模型顶点等距偏置精度的提高过程中，虽然该方法比其他顶点偏置方法具有更高的精度，但是通过对三角面片增加重心进行曲面细分来实现的它需要的计算时间更长，所以怎样能使在提高偏置精度的同时也让计算时间变得更短是近一步需要研究的。2.在板材五轴数控渐进成形进行模拟仿真过程中，只是让挤压工具垂直于板材表面没有考虑挤压工具的可倾斜范围和刀轴干涉因素影响挤压工具方向的选择，所以下一步还要考虑五轴数控渐进成形中挤压工具的可倾斜范围和干涉问题。五、科技目标和技术、经济指标（阶段目标按年月写）（一）阶段目标：1、2016年1月，进行调研和资料收集；2、2016年3月，利用相关的编程软件以及图形处理数据库开发了基于复杂多峰STL模型的轨迹规划轨迹生成软件。3、2016年5月，利用相关的编程软件以及图形处理数据库实现了挤压工具不同位姿的合理定位，通过对挤压角度、挤压方向和挤压方向向量的定义，明确了挤压工具的定位原则，并通过计算机图形学中的相关旋转及平移矩阵在软件中对挤压工具进行了合理的定位。4、2016年9月，利用相关的编程软件以及图形处理数据库实现了多峰复杂模型干涉的检测以及相应的干涉修正。5、2017年1月，利用VC++和OpenGL图形库对仿真平台进行了编程建立，该仿真平台能够依据所规划后的轨迹和挤压工具修正后的位姿对金属板材数控渐进成形过程进行了实时仿真，当仿真结束后可以将此时经过合理规划后的挤压工具路径生成相应NC代码。（二）最终目标：针对五轴金属板材数控渐进成形轨迹规划、干涉检测与修正以及仿真所存在的诸多问题，提出了基于复杂多峰STL模型的轨迹排序以及相应的轨迹规划算法，对挤压工具挤压角、挤压向量进行了定义并研究了挤压工具模型在程序中的定位问题，研究了在复杂多峰STL模型下的干涉检测方法，最后根据干涉发生的准确位置对挤压工具的位姿进行适当的修正调整。（三）技术经济指标：在五轴数控渐进成形技术中对轨迹规划问题的研究较多，但对五轴设备以及多峰复杂模型的轨迹规划排序问题的相关研究较少且不是很完善，都相应地存在一些问题。在干涉的检测方面，许多学者也针对不同的模型格式研究了不同的检测与修正的方法，但大多算法在判断速度、占用内存量以及实现的复杂度之间进行衡量，都存在这样或那样的不足。本课题针对五轴金属板材数控渐进成形轨迹规划、干涉检测与修正以及仿真所存在的诸多问题，提出了基于复杂多峰STL模型的轨迹排序以及相应的轨迹规划算法，对挤压工具挤压角、挤压向量进行了定义并研究了挤压工具模型在程序中的定位问题，研究了在复杂多峰STL模型下的干涉检测方法，最后根据干涉发生的准确位置对挤压工具的位姿进行适当的修正调整。六、计划进度（按年月详细填写）：起止年月计划要求2016年1月2016年3月2016年5月2016年9月2017年1月进行调研和资料收集。利用相关的编程软件以及图形处理数据库开发了基于复杂多峰STL模型的轨迹规划轨迹生成软件。利用相关的编程软件以及图形处理数据库实现了挤压工具不同位姿的合理定位，通过对挤压角度、挤压方向和挤压方向向量的定义，明确了挤压工具的定位原则，并通过计算机图形学中的相关旋转及平移矩阵在软件中对挤压工具进行了合理的定位。利用相关的编程软件以及图形处理数据库实现了多峰复杂模型干涉的检测以及相应的干涉修正。利用VC++和OpenGL图形库对仿真平台进行了编程建立，该仿真平台能够依据所规划后的轨迹和挤压工具修正后的位姿对金属板材数控渐进成形过程进行了实时仿真，当仿真结束后可以将此时经过合理规划后的挤压工具路径生成相应NC代码。七、现有人才、技术、物质基础条件（包括本课题做过哪些前期工作），现有仪器设备、水电、燃料、材料、环保等条件：本课题由材料成形及控制工程系学生独立完成，学校有研究条件较齐备的实验室，课题组成员都在各自相关的领域内有杰出表现，技术全面，从事多轴数控渐进成形与轨迹生成与干涉检查研究的经验丰富。我院的材料成形及控制工程系长期开展多轴数控渐进成形与轨迹生成与干涉检查研究等多方面的教学和科学技术研究，实验室可提供各种实验设备，并可为本项目研究提供各种试验条件。学院图书馆可提供多种中外文献数据库的文献检索，包括springer、WorldSciNet、EBSCOhost等外文数据库和中国期刊全文数据、万方数据库等，为本课题的顺利开展与完成提供了良好的条件。因此，本课题组完全有能力承担并完成好本项目。八、经费预算：（一）经费的构成：合计拨款科技发展基金贷款自筹82（二）经费年度计划：2016年2017年53（三）拨款分项计划：分项内容经费额（万元）备注1、设备、仪器购置费2.5购置STL模型的轨迹规划轨迹生成软件2、材料样品费3.0含加工、制作费3、试验费1.5含检测费用4、资料费0.65、调研费0.86、鉴定费0.87、其他费用0.88、合计10九、项目（课题）的承担单位，协作单位及主要研究人员：承担单位：景德镇陶瓷学院协作单位：项目（课题）负责人：雒守涛姓名雒守涛男23学士