金屬板材漸進成形CAM技術研究.pdf

1、金屬板材漸進成形技術是一種具有影響力的先進制造技術。該技術由于不需要專用的模具,是一種柔性的成形工藝,特別適用于汽車、航天航空、醫(yī)療等領域的小批量、多品種的產(chǎn)品以及新產(chǎn)品開發(fā)。板材漸進成形路徑對成形精度、表面質(zhì)量、厚度分布及成形時間等產(chǎn)生直接影響,是板材漸進成形技術的一個關鍵問題。板材漸進成形CAM技術的直接目的就是生成面向板材漸進成形工藝的成形路徑,但目前尚未見到關于板材漸進成形專用CAM軟件研究的報導。為了將金屬板材漸進成形技術和相

2、應的專用CAM軟件進一步推廣應用到各個領域,本文在前人工作的基礎上,針對金屬板材漸進成形CAM技術中的兩個核心方面,即CAM基礎幾何算法的穩(wěn)健性問題和板材漸進成形路徑的生成問題進行了系統(tǒng)深入的研究,主要研究內(nèi)容及結論如下:
　　2D多邊形輪廓求交算法是實現(xiàn)多邊形輪廓布爾運算、無效環(huán)去除算法等的關鍵基礎。本文提出了一種優(yōu)化的基于熱點技術的2D多邊形輪廓求交算法。熱點技術基于整型數(shù)實施,是一種精確幾何運算方法,從而實現(xiàn)該算法的穩(wěn)健性。

3、通過給出基于嚴格單調(diào)鏈的掃描線算法、及提出基于矢量叉積符號來判斷邊與熱點區(qū)域相交性的方法,可充分利用基于整型數(shù)運算的優(yōu)勢而實現(xiàn)該算法的高效性。性能測試結果表明,該算法效率高和穩(wěn)健性強。
　　在刀位點輪廓計算過程中,多邊形輪廓間會頻繁實施布爾運算且輪廓中存在大量的退化情況。基于進點出點概念實現(xiàn)的G-H算法是公認最高效的布爾運算,但對于退化情況沒有有效解決,存在很嚴重的穩(wěn)健性問題。針對該問題,本文提出了一種新的2D多邊形輪廓布爾運算方

4、法。所有的退化情況根據(jù)交點處邊的位置關系可分類為相切情況、重合邊情況和重合交點情況。通過給出虛擬交點和虛擬多邊形概念,可以將所有退化情況與一般情況實現(xiàn)統(tǒng)一處理,相應的提出了交點換向準則,并實現(xiàn)了布爾算法。評估結果表明,本方法有效地解決了G-H算法針對退化情況存在的穩(wěn)健性問題;且與KBool算法相比,計算效率可穩(wěn)定提高6-8倍;此外,該算法適用于處理除自交多邊形以外的其它任意類型多邊形;因此,該方法是高性能的。
　　刀觸點輪廓和刀位

5、點輪廓是生成成形路徑的基礎,這些輪廓中存在的2D無效環(huán)是影響成形路徑生成的一個關鍵問題。目前還未見到針對一般情況和退化情況下的無效環(huán)處理的系統(tǒng)的解決方案,且同時適用于處理刀觸點輪廓和刀位點輪廓。本文基于復雜多邊形遍歷分解策略提出了一種通用的2D無效環(huán)去除方法。通過提出虛擬自交多邊形概念和最優(yōu)出點方向判定準則,可以將所有的退化情況集成到一般情況實施統(tǒng)一處理;通過提出分解多邊形序列有效走向概念,該方法可以適用于處理刀觸點輪廓和刀位點輪廓;并

6、實現(xiàn)了相應的無效環(huán)去除算法。測試結果表明,該通用方法同時具備高效和可靠的特點。
　　已有板材漸進成形路徑生成方法未能考慮該工藝獨有的特點:能實現(xiàn)正向和反向兩種漸進成形方式、及引入了快速原型技術的分層制造思想。本文提出了一種有效的解決方法。該方法基于刀觸點直接生成刀位點的思想來實施,通過分析環(huán)形成形工具頭與模型表面的干涉特點,綜合考慮相切情況和相交情況,提出了一種離散模型來計算無干涉刀位點信息,然后,基于計算得到的刀位點輪廓可規(guī)劃出

7、各種類型的成形路徑以滿足不同的板材漸進成形工藝需求。該方法解決了正向與反向漸進成形方式的路徑生成問題,可以應用于任意形狀的成形工具頭,且適用于處理帶缺陷的STL模型。評估結果及加工試驗表明,該路徑生成方法是高效的,且生成路徑是高精度的。
　　板材漸進成形時間過長是影響該技術應用的一個重要問題。針對該問題,提出了一種基于單元的成形路徑生成方法。首先,分析適用于漸進成形工藝的單元路徑規(guī)劃準則;然后,對數(shù)據(jù)模型進行分層計算得到一系列等高

8、線刀位點輪廓,建立每層輪廓內(nèi)的環(huán)之間的拓撲關系(C-Net結構),以及每層輪廓之間的拓撲關系(Z-C-Net結構);最后,結合單元路徑規(guī)劃準則,從Z-C-Net結構中提取出單元序列,并對各個單元實施合適的子路徑規(guī)劃,以及子路徑之間實施合理的連接,使成形路徑最短。試驗結果表明,針對多輪廓特征模型,在保證成形質(zhì)量的基礎上,可以顯著提高成形效率,有效的解決了板材漸進成形時間過長的問題。
　　根據(jù)與CAM知識的關聯(lián)程度,提出了一種具有柔性