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表面残余形状可控的环形刀五轴加工路径解耦规划方法

摘要

五轴CNC加工技术由于其加工的灵活性、高精度、高效率而被广泛地应用于航空、

航天、航海和模具制造等工业领域地高性能制造中，这些高端零件构型复杂、表面质量

约束严格、作业环境多样。现有的关于环形刀五轴加工路径规划的研究无法实现对于严

格均匀的表面加工质量要求的满足，也无法充分发挥五轴加工的灵活性以实现加工路径

对于不同评价目标的最优性。为此，本文提出了一种表面残余形状可控的环形刀五轴加

工路径解耦规划方法，实现了环形刀具加工时对于表面质量的带宽和残余高度均有要求

的五轴加工路径的最优规划，且规划的路径具有光顺性和最优性、规划算法具有快速性。

为了提高方法的适用性，本文还对任意工件数学模型表达的规范化进行了探讨。

首先，针对任意源工件数学模型的通用数学模型获取问题，提出了一种基于通用工

件点云模型的B样条曲面模型重构算法，该方法将点云模型作为中间媒介并通过基于最

优姿态边缘分割的双域映射插值方法获得了性能良好的B样条曲面模型，实现了工件任

意源输入数学模型向B样条曲面模型的转化。

其次，针对表面质量约束下环形刀路径规划步骤的耦合问题，提出了一种基于残余

形状控制的解耦方法，该方法从全局出发规划了加工路径的流向以实现不同的加工模式

和从局部出发锚定了残余形状的测地带宽以满足通用刀具各形态的有效切触加工的灵

活性，实现了对于任意表面质量的约束并将加工路径的规划转化为单自由度寻优问题。

最后，针对不同工况下最优路径的评价与规划问题，提出了一种多工况、多评价指

标、多路径有哪些信誉好的足球投注网站方法的最优加工路径规划方法，该方法通过典型综合运动学和所提多机

协作工况两种最优性评价指标的最优性为目标、对应的切触点可行域和所提敏感轴可行

域为约束、典型的离散图有哪些信誉好的足球投注网站算法和所提的连续Tangent-Bug有哪些信誉好的足球投注网站算法为工具，基于满

足表面质量加工要求的路径规划器实现了最优加工路径的规划，实现了从源输入模型到

最优加工路径的全流程，且具有规划过程的快速性和所规划出的加工路径最优性、光顺

性。

为了验证所提方法的有效性和快速性，本文设计了曲面数学模型重构、运动学最优

的环形刀五轴加工、敏感轴镇定的环形刀五轴加工三个实验来分别证明所提方法在典型

工件曲面重构、基于残余形状控制的解耦加工路径规划和以多机协作工况下敏感轴波动

最小为目标的加工路径规划三个方面的有效性和优越性。根据仿真实验结果数据，本文

所提表面残余形状可控的环形刀五轴加工路径解耦规划方法全流程都得到了有效性验

哈尔滨工程大学硕士学位论文

证，符合预期过程要求。根据与其他方法的对比结果数据，本文所提方法对于曲面数学

模型的重构速度、各评价指标的最优性、算法时间、路径长度和加工质量方面具有较大

的优势。

关键词：五轴加工；路径规划；环形刀；表面残余形貌

表面残余形状可控的环形刀五轴加工路径解耦规划方法

Abstract

Duetoitsflexibility,highaccuracy,andhighefficiency,five-axisCNCmachining

technologyiswidelyusedinhigh-performancemanufacturinginindustrialfieldssuchas

aerospace,aviation,marine,andmoldmanufacturing.Thesehigh-endpartshavecomplex

configurations,strictsurfacequalityconstraints,anddiverseoperatingenvironments.The

existingresearchonfive-axismachiningtoolpathplanningforringtoolscannotmeetthe

requirementsforstrictanduniformsurfacequality.Italso