基于点云模型的五轴数控加工刀轨规划方法研究开题报告

1. 研究目的与意义

作为重要的数字化设计、制造技术，逆向工程和数控加工相集成进行产品开发，手段灵活、速度快，特别适合开发复杂实物、难以或无法获得数字模型的产品以及需要设计师手工制作模型的产品，较好地弥补了正向工程的一些不足，如开发周期较长、难以对实物进行开发、难以适应产品个性化和小批量生产的要求，在产品仿制、产品试制、汽车工业、数字化医疗、艺术品设计制造等领域中优势十分明显。

逆向工程和数控加工相集成的重要途径就是将点云模型用于数控加工，首先对实物外表进行测量，获取海量离散数据点（即点云模型），并进行去噪、精简、多视图拼合等一系列处理，然后对点云生成加工刀轨，最后运用数控加工制造出产品。特别适合三轴无法加工的复杂实物仿制和难以或无法获得数字模型的产品设计、制造。五轴数控加工与三轴相比，具有复杂零件加工能力强、加工效率高、表面质量好等优点。五轴加工由于两个偏转轴的加入，干涉处理更加复杂。

大部分的五轴加工刀轨研究都是针对曲面模型，目前对点云生成五轴刀轨，通常都是先构造出曲面模型，再运用曲面五轴刀轨生成方法进行计算。然而曲面重构的过程较为复杂，需要进行特征提取、区域分块、曲面拟合和裁剪等一系列处理，并且重构出的曲面与原始点云存在一定的误差，对技术人员要求也比较高，使得生成五轴刀轨需要耗费大量的时间和人力，制约了逆向工程结合五轴数控加工进行产品快速开发的应用。

2. 研究内容和预期目标

本课题以点云模型为对象，研究直接生成五轴加工刀轨的方法，主要围绕以下内容开展研究工作：

（1）点云模型的五轴无干涉刀轴矢量可行域计算方法

运用逆向工程中的点云处理技术，避免曲面重构，研究干涉与刀轴偏角（即前倾角、旋转角）之间的几何关系，根据干涉避免的约束条件，研究无曲率、刀底、全局干涉的临界偏角计算方法，以多个临界偏角定义无干涉刀轴矢量可行域。

3. 研究的方法与步骤

本课题的基本技术路线已规划完毕，还需要进一步阅读文献对技术方案进行细化，确定计算方法详细的流程图，并运用visual c 和open cascade几何平台进行详细的程序设计。

step1研究无曲率、刀底、全局干涉的临界偏角计算方法；

step2以多个临界偏角定义无干涉刀轴矢量可行域；

4. 参考文献

[1]sun yw, bao yr, kang kx, guo dm. a cutter orientation modification method for five-axis ball-end machining with kinematic constraints [j]. the international journal of advanced manufacturing technology, 2013, 67(9-12): 2863-2874.

[2]tang td. algorithms for collision detection and avoidance for five-axis nc machining: a state of the art review[j]. computer-aided design, 2014, 51(6): 1-47.

[3]kim yj, elber g, bartoň m, pottmann h. precise gouging-free tool orientations for 5-axis cnc machining [j]. computer-aided design, 2015, 58(1):220-229.

5. 计划与进度安排

2022 年3月1日 - 3月20日 进一步查阅国内外文献，细化技术路线，明确技术方案；

2022 年3月21日 - 4月10日 研究五轴无干涉刀轴矢量可行域计算方法；

2022 年4月11日 - 4月25日 开发五轴无干涉刀轴矢量可行域算法程序；