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本文摘要：

針對(duì)現(xiàn)代數(shù)字化義齒制造的趨勢(shì)與國(guó)外義齒CAD/CAM系統(tǒng)壟斷市場(chǎng)的現(xiàn)狀，本課題以義齒網(wǎng)格曲面的刀具路徑規(guī)劃與義齒CAM軟件的開(kāi)發(fā)為目標(biāo)開(kāi)展研究工作。首先，搭建了計(jì)算幾何庫(kù)與可視化環(huán)境，并分析了義齒CAM軟件的輸入STL網(wǎng)格曲面，說(shuō)明了五軸加工的刀具模型、加工過(guò)程模型與誤差模型；其次，以層切法高效的生成了網(wǎng)格曲面的無(wú)干涉、高效率粗加工到路徑；另外，基于網(wǎng)格曲面的參數(shù)化生成了整體等參數(shù)環(huán)形與放射形精加工刀具路徑，并且提出了基于譜聚類的網(wǎng)格曲面分區(qū)刀具路徑的生成，有效的解決了整體刀具路徑的問(wèn)題，提高了加工精度與加工效率；最后基于仿真加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述刀具路徑的有效性與優(yōu)越性，并完成義齒CAM軟件功能模塊的封裝與界面編程工作。論文主要內(nèi)容如下：

（1）實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)幾何類與常用幾何類及其常規(guī)算法，基于VTK實(shí)現(xiàn)了幾何類與STL模型的可視化；分析了STL文件格式，對(duì)其進(jìn)行拓?fù)渲亟ǎ瑯?gòu)建點(diǎn)、邊與面片之間的鄰接關(guān)系，為后續(xù)刀具路徑規(guī)劃打下基礎(chǔ)；基于引入形狀因子的面積權(quán)重法計(jì)算了頂點(diǎn)的法向量，基于Voronoi方法估算了頂點(diǎn)曲率，基于三角形重心插值計(jì)算了面片任意點(diǎn)的幾何屬性；建立了銑削刀具模型，加工過(guò)程模型及誤差模型，從這三個(gè)方面介紹了刀具路徑中涉及到的關(guān)鍵概念。

（2）基于網(wǎng)格曲面的幾何信息生成毛坯并基于網(wǎng)格曲面的拓?fù)淠Ｐ屯瓿擅髋c模型的切片，利用掃描平面法加快計(jì)算效率；分辨每層的加工區(qū)域?qū)⑶衅喞譃閮?nèi)邊界與外邊界，調(diào)整切片輪廓的方向，最終識(shí)別出每層的加工區(qū)域，并且考慮到三軸加工中的干涉問(wèn)題，通過(guò)區(qū)域求并計(jì)算得到每層的無(wú)干涉加工區(qū)域；基于Clipper實(shí)現(xiàn)多邊形的偏置算法，設(shè)定刀具路徑間隔，不斷偏置切片輪廓生成輪廓平行加工刀具路徑，并基于刀具路徑之間的位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)每層刀具路徑的連接，最終完成層切法粗加工刀具路徑的生成。

（3）研究了網(wǎng)格曲面參數(shù)線法刀具路徑的規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了調(diào)和映射與Floater映射，指出將三維空間的刀具路徑規(guī)劃問(wèn)題降維到參數(shù)空間具有計(jì)算復(fù)雜度低，刀具路徑符合邊界一致性，算法魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；基于參數(shù)域刀具路徑規(guī)劃策略將網(wǎng)格曲面映射至單位圓域，生成了環(huán)形刀具路徑與放射形刀具路徑，對(duì)比了兩種網(wǎng)格曲面參數(shù)化的生成的刀具路徑，指出參數(shù)化變形對(duì)刀具路徑的影響；創(chuàng)造性的提出了基于譜聚類網(wǎng)格分區(qū)的刀具路徑規(guī)劃，成功的避免了整體等參數(shù)刀具路徑殘高不均勻，易受網(wǎng)格曲面參數(shù)化變形扭曲的影響，刀具路徑刀軸矢量變換過(guò)大過(guò)頻繁的缺點(diǎn)。

（4）基于VERICUT仿真加工軟件構(gòu)建仿真加工環(huán)境，建立五軸加工中心和五軸鉆攻中心的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，進(jìn)而刀位文件經(jīng)過(guò)后處理得到NC程序代碼；進(jìn)行了粗加工的仿真，加工結(jié)果證明刀具路徑無(wú)過(guò)切且高效率的去除了毛坯大部份材料；進(jìn)行了三次精加工仿真實(shí)驗(yàn)：1）對(duì)不插值的整體等參數(shù)環(huán)切刀具路徑進(jìn)行加工，結(jié)果出現(xiàn)大面積的鑿切與過(guò)切。2）對(duì)插值整體等參數(shù)環(huán)切刀具路徑進(jìn)行加工，加工質(zhì)量得到明顯的改善，但是卻增加了大量刀觸點(diǎn)，增加了加工時(shí)間。3）對(duì)分區(qū)刀具路徑進(jìn)行加工，加工質(zhì)量較好，加工效率較高，相比整體插值等參數(shù)環(huán)切刀具路徑，刀觸點(diǎn)數(shù)目減少40%~50%,, 刀軸突變次數(shù)減少70%~80%, 加工時(shí)間減少20%~30%。基于Python語(yǔ)言與PyQt環(huán)境完成了義齒CAM軟件主要功能模塊的封裝與界面編程工作

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