三角网格细分曲面模型的NC刀轨生成算法及加工仿真研究与应用

论文摘要

本文针对目前三角域曲面模型NC刀轨生成算法和数控加工仿真技术的不足,着重研究三角网格细分曲面模型的索引机制、NC刀轨的计算与优化、仿真毛坯模型的创建、铣削刀具扫掠面求交等几个方面的问题。论文主要研究成果与创新之处如下:（1）通过对空间索引结构R*-tree原理的深入分析,论证其在离散数据对象索引方面的优越性和局限性,提出R*S-tree的构建理论方法,以结点MBR的外接球半径、增量及重叠度作为结点最优分裂评判指标,解决R*-tree结点MBR的优化指标不具备一般性的问题,提出调整新结点插入路径中上层结点MBR的强制重新插入算法,显著降低结点死区,提高查询效率,扩展R*-tree索引机制,实现离散数据适应性能力更广的R*S-tree索引机制,为三角网格细分曲面模型提供有效的索引结构;（2）基于R*S-tree提出动态空心球区域增长k近邻查询算法,有效地解决三角网格细分曲面模型三角面片顶点拓扑近邻查询问题;（3）基于空间聚类索引结构R*S-tree组织三角网格细分曲面模型,根据刀轨截面与R*S-tree各层索引结点MBR的位置关系,进行深度优先遍历R*S-tree,快速获取与刀轨截面相交数据结点中的三角面片,以加快刀触点求解速度,并根据工件局部型面微分几何性质确定刀位点,经排序和优化生成刀轨,实现三角网格细分曲面模型的数控加工;（4）采用三角离散网格进行毛坯模型的建立,研究三种铣削刀具铣削形成的扫掠面,根据毛坯模型的离散网格节点与铣削刀具扫掠面的求交获取各节点的最低位置,利用可视化工具VTK通过不断更新各节点的最低位置实现铣削加工仿真过程,检验生成刀轨的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 基于三角域曲面的工件几何模型表示
• 1.2.2 三角域曲面模型数控加工刀轨生成研究现状
• 1.2.3 数控加工仿真研究现状
• 1.3 存在问题
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 三角网格曲面模型动态空间索引结构的实现
• *-tree作为离散空间数据对象空间索引结构的可行性研究'>2.1 R^*-tree作为离散空间数据对象空间索引结构的可行性研究
• *-tree的相关概念'>2.1.1 R^*-tree的相关概念
• *-tree作为离散空间数据对象索引结构的优越性'>2.1.2 R^*-tree作为离散空间数据对象索引结构的优越性
• *-tree作为离散空间数据对象索引结构的局限性'>2.1.3 R^*-tree作为离散空间数据对象索引结构的局限性
• *S-tree索引结构及构造算法研究'>2.2 离散空间数据对象R^*S-tree索引结构及构造算法研究
• *S-tree构建原理'>2.2.1 离散空间数据对象R^*S-tree构建原理
• 2.2.2 选择子树算法描述
• 2.2.3 四维聚类分簇算法描述
• *S-tree结点MBR调整'>2.2.4 R^*S-tree结点MBR调整
• *S-tree结点插入算法描述'>2.2.5 R^*S-tree结点插入算法描述
• 2.2.6 算法复杂度分析
• *S-tree整体结构设计'>2.2.7 离散空间数据对象R^*S-tree整体结构设计
• *S-tree与R^*-tree比较'>2.3 R^*S-tree与R^*-tree比较
• 2.3.1 建树时间及结点重合区比较
• *S-tree与R^*-tree复杂数据适应能力比较'>2.3.2 R^*S-tree与R^*-tree复杂数据适应能力比较
• *S-tree空间索引结构的建立'>2.4 三角网格曲面模型R^*S-tree空间索引结构的建立
• *s-tree的k近邻三角网格顶点查询算法研究'>2.5 基于R^*s-tree的k近邻三角网格顶点查询算法研究
• 2.5.1 相关概念
• 2.5.2 动态空心球区域增长算法描述
• *S-tree动态空心球区域增长范围查询算法'>2.5.3 R^*S-tree动态空心球区域增长范围查询算法
• 2.5.4 算法复杂度分析
• 2.5.5 应用实例
• 2.6 本章小结
• 第三章 三角网格细分曲面模型NC刀轨生成算法研究
• 3.1 LOOP细分算法
• 3.1.1 LOOP细分算法
• 3.1.2 扩展的LOOP细分算法
• 3.2 走刀方式选择
• 3.2.1 多种走刀方式介绍
• 3.2.2 走刀方式选择
• 3.3 切削行距确定
• 3.4 刀具轨迹计算流程
• 3.5 刀触点计算
• 3.5.1 刀轨截面与结点MBR位置关系判断
• 3.5.2 刀轨截面与三角面片位置关系判断及求交
• 3.6 刀触点排序
• 3.6.1 最小生成树排序实现过程
• 3.7 刀触点优化
• 3.8 刀位点确定
• 3.8.1 刀触点处法向矢量计算
• 3.8.2 刀位点计算
• 3.9 实例
• 3.10 本章小结
• 第四章 基于VTK数控加工仿真关键技术研究
• 4.1 毛坯体模型三角离散网格化
• 4.1.1 几何建模方法
• 4.1.2 三角离散网格化毛坯体模型
• 4.2 刀具扫掠面计算
• 4.2.1 球头铣刀铣削节点最低位置求解
• 4.2.2 平头铣刀节点最低位置求解
• 4.2.3 环形铣刀节点最低位置求解
• 4.3 可视化工具VTK
• 4.3.1 VTK的可视化模型
• 4.3.2 VTK的图像模型
• 4.3.3 应用 VTK进行三维数据可视化流程
• 4.4 基于VTK加工仿真的设计与实现
• 4.4.1 基于VTK加工仿真设计流程
• 4.4.2 基于VTK加工仿真的可视化实现
• 4.5 应用实例
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间公开发表论文
• 致谢