面向自由曲面加工轨迹规划的黎曼度量几何性质研究与应用
批准号:
62102013
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
苏澄
依托单位:
学科分类:
计算机与其他领域交叉
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
苏澄
中文摘要
航空发动机叶片等自由曲面类产品广泛应用于国家战略领域。自由曲面的高效高精加工轨迹规划方法涉及数学、信息科学、机械制造等学科深度交叉。目前,如何兼顾几何精度与物理场信息、协调刀具运动状态与加工实际需求是加工轨迹规划方法面临的重要挑战。本项目改变在欧式度量空间中规划轨迹的传统,提出在黎曼度量空间中规划轨迹的新尝试。将曲面几何、刀具几何、刀具运动状态的耦合作为内蕴性质赋予黎曼流形上,由此搭建了自由曲面整体加工路径规划的统一框架。借此,黎曼几何中的数学工具(如微分型场论算子)具备了机械加工中的实际意涵,也为高效加工轨迹规划提供了便利与新思路。主要研究内容包括:加工黎曼度量的存在性条件分析与可行加工空间确定,加工黎曼度量构建与微分型场论算子计算,加工黎曼度量下的整体轨迹规划方法。本项目预期目标是:搭建自由曲面加工统一轨迹规划框架,实现高效加工并进行实例验证。
英文摘要
Products with freeform surfaces, such as aero-engine blades, are widely used in national strategic fields. The high-efficient and high-precision machining tool path planning method of freeform surfaces is a multidisciplinary issue involved in mathematics, information science, mechanical manufacturing and etc. At present, how to combine geometric precision with physical field information, and to coordinate the motion state of tool with the actual needs of machining is an important issue in tool path planning. Changing the tradition of trajectory planning in Euclidean metric space, this project proposes a new attempt to plan tool paths in Riemannian metric space. The coupling of surface geometry, tool geometry and tool motion state are given as intrinsic properties to the Riemannian manifold, which is called Machining-Riemannian-Metric (MRM), thus building a unified framework for the overall tool path planning of freeform surfaces. In this way, the mathematical tools in Riemannian geometry (such as differential operators of field theory) have actual meanings in machining, and also provide convenience and new approach for efficient tool path planning. The main research contents include: the existence condition analysis of the MRM and the determination of the feasible processing space, the construction of the MRM and the calculation method of the differential operators of field theory, and the overall tool path planning method using the MRM. This project aims to build a unified tool path planning framework for freeform surface machining, to achieve high-efficient machining and to carry out example verification.
自由曲面类产品,如航空发动机叶片,在国家战略领域具有广泛应用。如何兼顾几何精度与物理场信息,协调刀具运动状态与加工实际需求,一直是自由曲面加工轨迹规划方法面临的挑战。本项目针对这一问题,提出了一种新的思路,改变了传统在欧式度量空间中规划轨迹的方法,提出在黎曼度量空间中进行轨迹规划。通过将曲面几何、刀具几何和刀具运动状态的耦合作为内蕴性质赋予黎曼流形,本研究搭建了自由曲面整体加工路径规划的统一框架。此框架将黎曼几何中的数学工具(如微分型场论算子)引入机械加工,不仅为高效加工轨迹规划提供了新的理论工具,也为实际加工过程中的轨迹优化提供了有效的解决方案。.本项目的研究内容包括:(1)加工黎曼度量的存在性条件分析与可行加工空间确定,通过分析刀具与自由曲面之间的几何耦合,确定不同刀具与刀轴的可行加工空间;(2)加工黎曼度量的构建与微分型场论算子的计算,在流形切空间中构建加工黎曼度量并推导其相关算子的计算方法,为加工精度优化提供数学支撑;(3)加工黎曼度量下的整体轨迹规划方法,基于所构建的加工黎曼度量理论与算法,本项目所提出的整体轨迹规划框架分为整体轨迹生成与整体轨迹优化:在整体轨迹生成部分,通过分析加工黎曼度量的各项同性与各项异性,开发了拓扑与几何特性相结合的路径规划方法。这种方法能够有效处理自由曲面上的复杂几何形状,生成高质量的刀具路径,特别适用于多亏格和非凸边界等复杂情况;在整体轨迹优化方面,基于加工黎曼度量的一致化映射,提出了一种整体轨迹优化方法,用于解决自由曲面加工中的自交现象和偏置路径的分布不均问题,有效预测并消除了偏置路径中的自交和尖角,保证了刀具路径的光滑性和连续性。.本项目所提出的方法已在多个工业应用中得到了验证,深化了黎曼几何在加工轨迹规划中的应用,也为自由曲面加工提供了更精确、高效的解决方案,具有重要科学意义和广阔应用前景。
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