自由曲面加工理论与应用(第00讲--课程简介)
机械工程学科(专业)博士研究生培养方案 .doc
机械工程学科(专业)博士研究生培养方案（学科代码：0802 授工学学位）一、培养目标1. 培养严谨求实的科学态度和作风，具有创新求实精神和良好的科研道德，并具备本学科学术带头人所需的优良综合素质；2. 具有机械工程领域坚实、宽广的基础理论和系统、深入的专门知识，可胜任本学科领域中高层次的教学、科研、工程技术工作与科技管理工作；3. 培养科技开拓创新精神，在本学科或专门技术上做出创新性的成果；4. 培养科研团队精神，且具有独立从事科学研究工作的能力。
二、本学科设置如下研究方向1．机械制造及其自动化2．机械电子工程3．机械设计及理论4．车辆工程5．工业工程三、学习年限本学科已获硕士学位博士生的学习年限一般为3-5年。
硕博连读、直攻博研究生的学习年限一般为4-6年。
四、学分要求申请免修。
五、课程设置及学分分配注：课程名称后标注★为高水平课程，▲为国际化课程。
六、本学科对博士研究生培养提出的具体要求1. 博士研究生的培养实行导师负责制，组成以博士生导师为组长的博士研究生指导小组，负责博士研究生的培养和考核工作。
2. 对跨一级学科课程的限定（1）跨一级学科课程指本一级学科外的研究生课程，且必须跟班听课并同堂参加考试。
（2）所选的跨一级学科课程不得与硕士期间所修的课程相同。
3. 论文选题报告论文选题报告是博士论文工作的重要环节。
博士生应在导师的指导下，根据自己所选定的研究方向和学位论文课题要求，查阅国内外相关文献，撰写文献阅读综述，确定学位论文选题，并就选题的科学根据、目的、意义、研究内容、预期目标、研究方法、课题可行性等做出论证。
学位论文选题报告时间应由导师根据博士研究生本人研究进展确定，但最迟应在入学后第四学期末进行。
拟举行选题报告会的博士生应提前一周将开题时间、地点、开题人员名单报院研究生科备案。
博士研究生应填写规定格式的选题报告，并在各课题组公开进行选题报告会。
选题报告会成员应由所在博士生指导小组和至少1名院学位审议委员会委员组成。
工业机器人加工自由曲面光学元件的方法研究
件 ，这 些 自由 曲面 的 元 件 在 消 像 差 、减 小 系统 体
积 和 质 量 等 发 面 有 着 巨 大 的优 势 ， 然 而 现 阶 段 加
工 困 难 、加 工 效 率 低 下 、 成 本 高 等 因 素 大 大 制 约 其 应 用 和 推 广 ， 成 为 了 它 发 展 的 瓶 颈 ¨引 由 于 ’。
大 ” 的思 想 。即直 接 去 除 １ａ ｔｍ是 十 分 困难 的 ，但
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倘 若 经 过 统 计 知 道 １ 时 能 去 除 １ 小 ０ｕｍ，则 １ａ ｌｍ 的微 小 尺寸 就 被 放大 到 了６ 钟 的时 间尺 度上 得 到 分 “ 放大 ”从 而 能较 容 易地被 获 得 。 根 据 上 述 理 念 和 思 想 ，我 们 设 计 并 制 造 了 适 合 工 业 机 器 人 研 磨抛 光 的工 具 。这 些 工具 通 过 弹
【４ 第３ 卷 ５】 ４
第３ 期
２ １— ３上 ） ０２ ０ （
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其 实 这 个 理 念 在 以往 人 工 手 修 过 程 中就 得 到
了体 现 。对 于 同一 个 经 验 丰 富 的 工人 来说 ，他 手
匐 似
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图 １ 自行 设 计 并 制 作 的 各 类 工 具 头
２ 控 制方法与实验
光 学 研 磨 和 抛 光 中工 具 头 无 外 乎 三 种 运 动 模
式 ： 平 转 动 、 单 转 子 和 双 转 子 ， 以其 中最 复 杂 的
数控加工刀位轨迹生成的算法分析
数控加工刀位轨迹生成的算法分析袁国伟【摘要】自由曲面数控加工刀位轨迹的自动生成,是CAM技术的关键问题.针对自由曲面零件刀具口路径生成的几种算法,进行了较为详细的分析,并指出了这几种算法各自的加工特点.%The key technical problems of surface NC machining fool path generation are related to CAM. This paper analyzes the tool path generation algorithm of the freeform surface parts in detail and points out the processing characteristics of each of these types of algorithms.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2012(041)006【总页数】3页(P50-52)【关键词】数控加工;映射;进给曲面【作者】袁国伟【作者单位】辽宁机电职业技术学院,辽宁丹东市118009【正文语种】中文【中图分类】TG6590 前言数控加工刀具轨迹计算和曲面造型是数控编程操作的基础和关键，一种较好的刀具轨迹生成方法，不仅要求计算速度快、占用计算机内存少，而且还要使切削行间距分布均匀、加工误差小、走刀步长分布合理、加工效率高等。
随着CAD/CAM技术的快速发展，出现了多种自由曲面造型理论和数控加工刀具轨迹的算法，其中比较常用的方法有:等参数法、笛卡儿法和APT法。
本文着重谈这三种加工方法的算法分析。
基于刀触点的刀具路径生成方法首先在被加工曲面上采样一系列刀触点，然后再将刀触点转化为刀位点，进而生成刀具路径。
如图1所示，路径规划主要有三种娄型:参数线、导向平面、驱动曲面，分别对应于三种刀具路径生成方法:等参数法、笛卡儿法和APT法。
图1 基于刀触点的刀具路径生成1 等参数法图2等参数法采用环底刀加工凸曲面，其基本参数见表1。
自由曲线曲面造型技术
2、简单技术 (插值与拟合)
2.1曲 线 拟 合 问 题 的 提 法
已知一组（二维）数据，即平面上 n个点（xi,yi) i=1,…n, 寻求一个函数（曲线）y=f(x), 使 f(x) 在某种准则下与所 有数据点最为接近，即曲线拟合得最好。
y
+
+
+
+ + (xi +i,yi)
+
+
y=f(x) +
但人们并不安于现状，继续探索新的造型方法。相继 出现了自由变形造型、偏微分方程造型、能量法造型、 小波技术等。这些方法目前还处于深入研究阶段，有 望于21世纪得到广泛的应用。
插值(interpolation)、拟合（fitting)和
逼近（approximation)，一直是曲线曲面 造型基本的方法。
问题：给定一批数据点，需确定满足特定要求的曲线或曲面 解决方案： •若要求所求曲线（面）通过所给所有数据点，就是插值问题； •若不要求曲线（面）通过所有数据点，而是要求它反映对象 整体的变化趋势，这就是数据拟合，又称曲线拟合或曲面拟合。
函数插值与曲线拟合都是要根据一组数据构造一个函数作 为近似，由于近似的要求不同，二者的数学方法上是完全不同 的。 实例：下面数据是某次实验所得，希望得到X和 f之间的关系？
4)线性插值
等等
样条插值
比分段线性插值更光滑。
y
a
xi-1 xi
bx
在数学上，光滑程度的定量描述是：函数(曲
线)的k阶导数存在且连续，则称该曲线具有k阶光
滑性。 光滑性的阶次越高，则越光滑。是否存在较低
次的分段多项式达到较高阶光滑性的方法？三次 样条插值就是一个很好的例子。
应用构形空间理论处理自由曲面加工的干涉问题
中图法分类号
Ｉ ｅ ｆ ｒ ｎｃ ｅ ｋ ｎ ｆ Ｆｒ ｅ Ｆｏ ｍ ｒ ａ ｅ Ｍ ａ ｈｉ ｎｇ Ｂａ ｅБайду номын сангаас ｎ ｎｔ ｒ ｅ ｅ ｅ Ｃｈ ｃ ｉ ｇ ｏ ｅ — ｒ Ｓｕ ｆ ｃ ｃ ｎｉ ｓ ｄ ｏ Ｃｏ ｔ ｕ ｔｏ ｐａ ｅ Ｃｏ ｅ ｔ ｎｓ ｒ ｃ ｉ ｎ Ｓ ｃ ｎｃ ｐ
ｅｎｄ ｅｕｔ ｅ ｒ ． ｔ ｓ
Ｋｅ ｒ ｓ ＮＣ ｍａ ｈ ｎ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ｃ ｉ ｉ ｇ，ｉ ｔ ｒｅ ｅ ｃ ｈ ｃ ｉ ｇ．ｃ ｎ ｔ ｕ ｔｏ ｐ ｃ ｎ ｅ ｆｒｎ ｅ ｃ ｅ ｋｎ ｏ ｓ ｒ ｃｉ ｎ ｓ ａ ｅ
刀位 点 ；（ ） ３ 曲面 模 型
刀 位 面 （ 球 头 刀 而 言是 等 距 对
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ
Ｍ ｅ ｈ ｄ ｆｉ ｔ ｒ ｅ ｅ ｃ ｈ ｃ ｉ ｇ ｉ Ｃ ｐ ｏ ｒ ｍｍｉ ｇ ａ ｅ ｂ ｉ ｙ ｄｓ ｕ ｓ ｄ ｔ ｏ ｓ ｏ ｎ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｃ ｅ ｋ ｎ ｎ Ｎ ｒ ｇ ａ ｎ ｒ ｒｅ ｉｃ ｓ ｅ ．Ａ ｅ ａ ｐ ｏ ｃ ｏ ｎ ｅ — ｌ ｆ Ｄ ｗ ｐ ｒ ａ ｈ ｆ ｒ ｉ ｔ ｒ
ｌ 引
言
面） 一刀 位点． 无论 采用何 种方法 生成 刀位轨 迹 ， 刀具 与 曲 面 间的干 涉情 况 只有 ３类 ： 点干 涉 （ｏｎ ｔｒ ｒｎｅ 、 ｐ ｉｔｉ ｅｆ ｅｃ ） 线 ｎ ｅ
在 自 由 曲面 的 数 控 加 工 编 程 中 ， 要 解 决 两类 技 术 需 一 娄 是 刀 位 轨迹 的 生 成和 干 涉 检 查 。 一娄 是 刀 位 轨迹 的 工 艺 另 合 理 性 计 算 与确 定 ． 中 。 位 轨 迹 的 干 涉 检 查是 数 控 加 工 其 刀 编 程 的 关 键 技 术 ， 产 生 合 理 工 艺 刀 位 轨 迹 的 前 提 ． 涉 处 是 干
(B)非生物+许宏淮+09210720011
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总结
• 发展光学自由曲面的制造加工技术有赖于一系列研究和技 术的发展，其中光学自由曲面的精确测量和评价是其超精 密制造的保证。攻克这一难题需要理论研究结合实际工程 技术的研究，以理论支持加工技术，以加工技术发现反馈 理论研究，从而实现此项发展战略。
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参考文献
• Fabrication of rface metrology • Metrology of freeform shaped parts
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实施战略的内容
在理论研究方面 揭示光学自由曲面加工装备多体多态动力学行为与精度稳 定性的映射规律，建立几何/物理/材料关联约束条件下光学 自由曲面的空间机构构型创新设计与优化理论； 揭示光学自由曲面非均匀变流向纳观材料迁移规律，建立 曲面成形过程中跨尺度材料特性演变、表层及近表层材料 结构变化等基础理论； 揭示光学自由曲面物理再构过程中加工工具在力、热和化 学等多场耦合环境下与加工材料之间相互作用和微观力学 行为；
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攻克光学自由曲面的测量系统与评价方法的难 题
通过发展以下技术实现 光学自由曲面使用性能与表面质量映射规律和综合评价体系； 气载激光干涉传感接触式测头的测量误差溯源及原位系统研 究； 多功能集成化柔性光学测头设计及原位测量关键基础理论； 多几何量大量程原位测量快速获取与高精度高稳定性系统设 计理论； 加工装备中的原位测量系统装配定位及数控与反馈策略。
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光学自由曲面制造加工难点
• 由于光学自由曲面的特点，其制造需要采用先进的数控超 精密制造技术 • 由于光学自由曲面的复杂性高，表面形貌的精度要求非常 高，严格应用的要求达到纳米级精度。 • 超精密光学自由曲面的面型检测是制造加工的主要难点 1、由于自由曲面不规则、非旋转对称等特点，因而不能 使用检测传统面型例如球面、轴对称非球面等的检测技术； 2、目前自由曲面的数学表达，从设计到加工到检测，还 没有统一的国际标准。标准未定，曲面的公差界定和加工 精度不能很好的保证； 3、实现超精密加工中有些基础理论的问题还有待研究； 比如微纳尺度下材料的去除原理等。
自由曲面加工理论与应用(第02讲--自由曲面加工基础)
一、自由曲面加工概述
SSM系统的信息处理需要解决的问题
根据SSM系统的3个输出，对应3个信息处理阶段 • 基于特征的处理阶段（feature-based processing stage）
以最小的P/M-rate生成UMOs
• 几何处理阶段（geometric processing stage）
自由曲面加工理论与应用 第02讲--自由曲面加工基础
一、自由曲面加工概述 二、自由曲面加工数学基础 三、刀具路径生成基础
一、自由曲面加工概述
自由曲面（Sculptured Surface or Free Formed Surface）
The term “sculptured surface” denotes those surface shapes which “cannot be continuously generated ” and have the arbitrary character of the forms traditrs —— Duncan and Mair （1983） 随着自由曲面复杂程度的增加，需要数控编程技术 的发展
基于特征的信息处理 (feature-based processing) • 特征提取：由设计曲面提取加工特征 • CAPP（ computer-automated process planning）： 根据加工特征产生一系列UMO。
需解决的问题：如何定义加工特征，如何根据特征定义和生成UMO
一、自由曲面加工概述
几何信息处理（Geometric information processing）
• 刀具路径规划（ Tool-path planning）：根据设计曲面为每个UMO生 成刀触点轨迹（CC-paths）或初始刀位点轨迹（initial CL-paths） • 刀位计算（CL-data computation）：由CC-paths计算CL-paths • 加工仿真（Cutting simulation） • 干涉检查（过切检查，Gouge detection）
基于逆向工程的自由曲面模型重建技术
＊ 收 稿 日期 ： ０ １Ｏ — １ ２ １ 一 ８ １
作者简介 ： 王
婷 （ ９ ８ ） 女 ， 西 省 华 县 人 ， 师 ， 士 ， 究 方 向 ： 算 机 辅 助 设 计 与 制 造 １７－ ， 陕 讲 硕 研 计
・
７ ・ ４
陕 西 科 技 大 学 学 报
第 ２ 卷 ９
果 精 密定位 以求 得较 精准 的点 数据 模 型． 以点对 点 方 式 在 Ｉ ｇ ｗａｅ ２里 对 图形 进行 摆 正 ， 抄 数 点 云 ｍａ ｅ ｒ１ 将
体 的研 究 ， 高效 率地设 计 出具有 复 杂 自由曲 面造 型 的产 品． 可
关 键 词 ： 向 工 程 ；自 由 曲 面 ；误 差 分 析 ； ｍａ ｅ ａ ｅ２ 逆 Ｉ ｇ ｗ ｒ ｌ
中图法 分 类号 ： Ｐ ９ ． ２ Ｔ ３ １ ７
文献标 识 码 ： Ａ
０ 引 言
逆 向工 程作 为 一 种 由实 物模 型 重 建 Ｃ ＡＤ 模 型 的 技术 ， 般 是 由接 触 式 或非 接 触式 三 维测 量 机 测量 一 物 体 表 面得 到点 的资 料 ， 通过 一 系列 程序 由点 资料 构建 成 曲 面模 型 ， 再 得到 产 品 的数 字化 Ｃ ＡＤ模 型 后继 而 进 行后 续 的开 发及 生产 步骤 ． 向工程 从 三次 元 坐标 测量 发展 至今 ， 代 了传统 手工 测 量实 物尺 寸来重 逆 取 建 Ｃ ＡＤ模 型 的方 式 ， 以精确 的三 次元 测量 资 料 提供 模 型 重 建 的基 准 ， 而构 建 出 Ｃ 改 进 ＡＤ 模 型 ，此 技术 已经 大量 且深 入地 为 工业 界所 应用 ， 为产 品开 发设 计 的重 要利 器 ， 重 点在 于针 对几 何外 型不 易 直接绘 成 其 制 的造型 产 品 ， 让设 计 者 先 利 用 黏 土 等 材 料 直 接 塑 出 理 想 的造 型 ， 以逆 向 工 程 获 得 相 似 度 极 高 的 可 再 Ｃ ＡＤ模 型 ， 完成 产 品 的设 计 ． 因此 ， 重 造型设 计 、 学设计 的产业 ， 如汽 车工 业 、 着 美 例 运动 器材 业 、 医疗 辅 具
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如何讲授？ 讲课+讨论 你们应该学会什么？
1）自由曲面加工所涉及的基本理论和 方法 2）各加工阶段的刀具轨迹生成原理和 算法 3）使用CAD/CAM软件
考核：
1. 考试 (开卷) 2. 作业
Thanks…
谢 谢！
自由曲面加工理论与应用 课程简介
主讲老师：杨建中 华中科技大学机械科学与工程学院 国家数控系统工程技术研究中心
有问题探讨，请联系 Tel： 87542513-12，87559465 Email： afxyang@ (杨) (杨)
课程主要结构
第一部分 自由曲面加工基础 1.自由曲面加工概述 2.自由曲面加工的数学背景 3.自由曲面加工工艺基础 第二部分 自由曲面加工刀具路径 生成 1.刀具路径生成算法概述 2.粗加工刀具路径生成算法 3.精加工刀具路径生成算法 4.补加工刀具路径生成算法 5.五轴加工刀具路径生成算法 6.基于点云数据的刀具路径生成算法 7.刀具轨迹后置处理技术 8.自由曲面加工刀具轨迹生成实例 第三部分 自由曲面加工精度与质量 控制 1.基于几何的刀具轨迹仿真与验证技术 2.切削力模型与物理切削仿真技术 3.自由曲面加工参数优化技术 4.自由曲面仿真加工验证实例 第四部分 自由曲面加工系统集成 1.CAM系统的体系结构 2.产品数据交换标准 3.自由曲面加工与CAPP的集成 4.CAD/CAPP/CAM与PDM集成
参考资料
[1] Byoung k. Choi. Surface modeling for cad/cam. Advances in industrial engineering,11. New York: ELSEVIER, 1991. [2] Kunwoo Lee. Principles of CAD/CAM/CAE Systems. AddisonWesley Lingman, Inc., Berkeley, CA, 1999. [3] 周济, 周艳红. 数控加工技术. 国防工业出版社, 2002. [4] 朱心雄等著. 自由曲线曲面造型技术. 科学出版社, 2000.