基于逆向工程的自由曲面改进遗传算法刀具路径规划研究

作     者：徐传法 

作者单位：山东理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王士军

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081203[工学-计算机应用技术] 081104[工学-模式识别与智能系统] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 0811[工学-控制科学与工程] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：自由曲面 改进弓高误差法 改进遗传算法 刀具路径规划 

摘      要：自由曲面零件以其优良的空气动力学、流体动力学和热力学等特性,广泛应用于航空航天、造船、汽车、模具制造等领域。自由曲面造型技术已经比较成熟,但是相对而言,自由曲面的加工技术发展稍显落后。作为自由曲面设计和多轴联动加工自由曲面的桥梁,随着多轴联动加工中心的发展,自由曲面的数控编程越来越凸显出其重要性,特别是其刀具路径轨迹规划技术研究成为该领域内的一个研究热点和难点。针对没有明确参数表达式的自由曲面模型,通过三坐标测量机获取其表面的三维点云信息,再通过MATLAB软件对点云数据进行曲面拟合,从而获取自由曲面模型的参数表达式,最后根据参数表达式在NX软件中重建曲面模型。针对等参数步长法、步长筛选法和弓高误差法中存在的路线冗余、刀触点求取效率低和误差大的缺点,提出了一种改进的弓高误差法。根据弓高误差与曲面曲率的关系,计算出曲面满足弓高误差要求的最小步长作为初始步长;以相邻两刀触点之间的弓高误差恒定且为最大许用弓高误差为约束条件,提出步长自适应调节机制,在保证曲面最大步长离散的基础上,实现刀触点的快速求解。实验结果表明,在精度一致的情况下,改进弓高误差法的求解效率最高是步长筛选法的29倍;在求解效率几乎一致的情况下,改进弓高误差法求解的刀触点数量少且精度高;改进的弓高误差法能够很好的解决传统算法高效率低精度和高精度低效率的问题。针对传统遗传算法优化刀具路径时收敛速度慢且易陷入局部最优解的问题,提出了一种改进的遗传算法。针对传统遗传算法迭代后期因交叉和变异概率大而导致优秀个体丢失的问题,从种群个体的适应度分布情况与个体适应度值两个方面实现交叉与变异概率的自适应调节;针对传统遗传算法在面对大量刀触点路径寻优时,求解效率过慢的问题,以子代个体的适应度值比父代个体适应度值更优为约束条件,设计了贪婪交叉算子和贪婪倒位变异算子。试验结果表明:在路径长度优化方面,改进的遗传算法比传统的遗传算法最高缩短了8.82%,在程序耗时方面,改进的遗传算法比传统的遗传算法最高减少了91.18%。改进的遗传算法提高了算法效率,降低了早熟概率,能够更高效且优质的完成自由曲面刀具路径规划。为验证改进弓高误差法与改进遗传算法规划的刀具路径实际的加工效率和精度,对曲面零件做了一组实际加工对照试验,首先在改进弓高误差法离散的刀触点的基础上,在NX软件中对分别采用传统遗传算法和改进遗传算法规划的刀具路径进行仿真加工,并与零件加工中常用的流线铣削和区域铣削的加工进行对比,然后进行了曲面零件的实际加工,最后用三坐标测量机检测被加工零件的表面精度,实验结果表明:在改进弓高误差法离散的刀触点的基础上,改进遗传算法所规划的刀具路径,加工出的零件满足加工精度的要求,且改进遗传算法比其它刀具路径生成方法的实际加工效率提高了12.66%。