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五轴加工工艺复杂，原始数据在经过CAD、CAM、CAPP的五轴加工制造链生成的加工代码，不能保证其具有正确性、安全性和高效性。因此，工艺仿真验证是五轴加工制造链的必要环节，亦是数字化工厂的重要组成部分。CAM系统的刀具路径轨迹验证将原始刀位点作为仿真数据，缺乏对真实加工环境中机床配置和数控系统信息的考虑，难以真实验证加工过程。为完善国产高档数控系统的实体加工仿真功能，在国家重大科技专项支持下对五轴加工仿真关键技术展开研究。 基于虚拟制造技术的工艺仿真验证能够高效确保加工过程的正确性和高效性。由于增加了两个旋转轴，五轴加工工件在三个坐标轴方向上都可能被加工，导致工件实体模型的时间和空间性能较差，而刀具五轴运动形成的扫描面多为复杂自由曲面，其构建过程复杂，布尔减运算耗时，满足不了实时渲染要求。此外，由于受到切削力、去除率、切削深度等诸多条件约束，难以实现加工进给率优化，整合几何和物理加工仿真过程，并提取切削几何参数成为的关键。针对上述问题，本文展开以下研究工作: 1.双层次八叉树模型及其体素化算法。为提高五轴加工仿真中工件模型的时间和空间性能，实现加工仿真系统与CAD系统的模型数据交换功能，提供复杂实体造型的工件毛坯建模方式，提出双层次八叉树模型和将STL模型转化为该模型的体素化方法。首先，分析应用于五轴加工仿真的各类体素模型在时间和空间性能上存在的问题;其次，改进传统八叉树层次模型，采用双层次结构表达工件实体空间，即外部层次树形和内部线性，给出该双层次八叉树模型的编码规则和体素空间位置与对应结点存储位置的映射关系;最后，以STL模型的三角面片为体素化处理对象，通过编码规则建立的三角面片空间和三种结点间的映射关系，实现表面和内部体素结点的快速确定。实验表明算法能够确保生成体素模型的26-邻接性，相比传统体素模型优化了时间和空间性能。 2.通用刀具扫描体隐式曲面建模方法。五轴运动形成的刀具扫描面多为复杂自由曲面，显式参数法表达该曲面计算复杂且不利于实现快速、稳定的布尔减运算，为提高扫描体构建速度和布尔减运算时间性能，提出隐式曲面构建扫描体的方法。首先，定义通用刀具体的隐式曲面模型;其次，根据刚体运动框架理论，建立工件框架与刀具框架的映射关系，以五轴AC双转台机床为例推导框架间变量代换关系函数式。运用逆向运动法确定隐式曲面边界范围，将刀具体线性位移和旋转角度作线性插补，利用变量代换推导出工件框架中刀具扫描体的隐式曲面方程，分析隐式方程实数根情况，依据根数量判断点与扫描体的位置关系;最后，给出通用刀具体和各类型扫描体的隐式曲面构建算法。实验表明该方法能够构建各类型刀具扫描体，并将构建与布尔减运算整合为同一过程，提高时间性能。 3.基于表面重构的材料去除仿真方法。为实现五轴加工实体几何仿真，保证渲染的实时性和高质量，提出基于隐式面重构的材料去除仿真方法。以工件的双层次八叉树体素模型和扫描体隐式曲面方程为基础，借助隐函数的特性实现快速、稳定的布尔减运算。首先，计算扫描体的最值点，进而构造AABB包围盒，利用双层次八叉树编码确定相关体素范围，大幅度减少待处理体素数量。给出体素结点颜色裁定规则和高效、稳定的布尔减运算算法。借鉴LOD思想加速渲染，建立八叉树层次数与LOD级别的对应关系，以适应不同分辨率和硬件配置的需求，优化渲染时间;其次，采用改进的移动立方体法，以扫描体隐式面作为等值面，在双层次八叉树体素数据场中实现隐式面重构;最后，对刀具框架与工件框架间变量代换关系计算进行扩展，分析常用各类五轴机床结构、运动链关系和偏置信息，推导出各类型机床的正向运动学变量代换函数。在蓝天高档数控系统中实现实体加工仿真原型系统，应用表明仿真具有实时性且渲染质量高。 4.五轴加工程序的验证与优化方法。材料去除仿真能够定性验证代码正确性，但缺乏加工验证误差的定量计算，另一方面，进给率的优化能够保证加工质量和安全、提高加工效率。提出基于加工区域划分的程序定量验证方法和以去除率为参考的进给率优化方法。在验证方面，依据加工面距离域函数理论，给出加工区域的划分，以被加工面为参考面将整个加工区域空间划分为三种区域，给出以体素化算法为基础的加工区域划分算法，用建立的空间位置拓扑信息优化点与面、面与面的加工验证误差计算。在优化方面，总结切削力的预测方法，给出以切削力和去除率为参考的进给率优化策略。以工件的双层次八叉树体素模型和扫描体隐式方程为基础，在材料去除仿真过程中计算去除率、切削深度和宽度，依据灰色体素中三角面片的位置信息计算有效面积系数。最后，给出进给率与材料去除率的关系式。实验表明，加工区域划分能够优化加工验证误差的计算，通过材料去除仿真能够准确确定切削几何参数和优化关系式。