义齿五轴加工中心加工刀具轨迹规划

本文摘要：

针对现代数字化义齿制造的趋势与国外义齿CAD/CAM系统垄断市场的现状，本课题以义齿网格曲面的刀具路径规划与义齿CAM软件的开发为目标开展研究工作。首先，搭建了计算几何库与可视化环境，并分析了义齿CAM软件的输入STL网格曲面，说明了五轴加工的刀具模型、加工过程模型与误差模型；其次，以层切法高效的生成了网格曲面的无干涉、高效率粗加工到路径；另外，基于网格曲面的参数化生成了整体等参数环形与放射形精加工刀具路径，并且提出了基于谱聚类的网格曲面分区刀具路径的生成，有效的解决了整体刀具路径的问题，提高了加工精度与加工效率；最后基于仿真加工实验验证了上述刀具路径的有效性与优越性，并完成义齿CAM软件功能模块的封装与界面编程工作。论文主要内容如下：

（1）实现了基础几何类与常用几何类及其常规算法，基于VTK实现了几何类与STL模型的可视化；分析了STL文件格式，对其进行拓扑重建，构建点、边与面片之间的邻接关系，为后续刀具路径规划打下基础；基于引入形状因子的面积权重法计算了顶点的法向量，基于Voronoi方法估算了顶点曲率，基于三角形重心插值计算了面片任意点的几何属性；建立了铣削刀具模型，加工过程模型及误差模型，从这三个方面介绍了刀具路径中涉及到的关键概念。

（2）基于网格曲面的几何信息生成毛坯并基于网格曲面的拓扑模型完成毛坯与模型的切片，利用扫描平面法加快计算效率；分辨每层的加工区域将切片轮廓分为内边界与外边界，调整切片轮廓的方向，最终识别出每层的加工区域，并且考虑到三轴加工中的干涉问题，通过区域求并计算得到每层的无干涉加工区域；基于Clipper实现多边形的偏置算法，设定刀具路径间隔，不断偏置切片轮廓生成轮廓平行加工刀具路径，并基于刀具路径之间的位置关系实现每层刀具路径的连接，最终完成层切法粗加工刀具路径的生成。

（3）研究了网格曲面参数线法刀具路径的规划，实现了调和映射与Floater映射，指出将三维空间的刀具路径规划问题降维到参数空间具有计算复杂度低，刀具路径符合边界一致性，算法鲁棒性强等优点；基于参数域刀具路径规划策略将网格曲面映射至单位圆域，生成了环形刀具路径与放射形刀具路径，对比了两种网格曲面参数化的生成的刀具路径，指出参数化变形对刀具路径的影响；创造性的提出了基于谱聚类网格分区的刀具路径规划，成功的避免了整体等参数刀具路径残高不均匀，易受网格曲面参数化变形扭曲的影响，刀具路径刀轴矢量变换过大过频繁的缺点。

（4）基于VERICUT仿真加工软件构建仿真加工环境，建立五轴加工中心和五轴钻攻中心的运动学模型，进而刀位文件经过后处理得到NC程序代码；进行了粗加工的仿真，加工结果证明刀具路径无过切且高效率的去除了毛坯大部份材料；进行了三次精加工仿真实验：1）对不插值的整体等参数环切刀具路径进行加工，结果出现大面积的凿切与过切。2）对插值整体等参数环切刀具路径进行加工，加工质量得到明显的改善，但是却增加了大量刀触点，增加了加工时间。3）对分区刀具路径进行加工，加工质量较好，加工效率较高，相比整体插值等参数环切刀具路径，刀触点数目减少40%~50%,, 刀轴突变次数减少70%~80%, 加工时间减少20%~30%。基于Python语言与PyQt环境完成了义齿CAM软件主要功能模块的封装与界面编程工作

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