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本文摘要：

針對現代數字化義齒制造的趨勢與國外義齒CAD/CAM系統壟斷市場的現狀，本課題以義齒網格曲面的刀具路徑規劃與義齒CAM軟件的開發為目標開展研究工作。首先，搭建了計算幾何庫與可視化環境，并分析了義齒CAM軟件的輸入STL網格曲面，說明了五軸加工的刀具模型、加工過程模型與誤差模型；其次，以層切法高效的生成了網格曲面的無干涉、高效率粗加工到路徑；另外，基于網格曲面的參數化生成了整體等參數環形與放射形精加工刀具路徑，并且提出了基于譜聚類的網格曲面分區刀具路徑的生成，有效的解決了整體刀具路徑的問題，提高了加工精度與加工效率；最后基于仿真加工實驗驗證了上述刀具路徑的有效性與優越性，并完成義齒CAM軟件功能模塊的封裝與界面編程工作。論文主要內容如下：

（1）實現了基礎幾何類與常用幾何類及其常規算法，基于VTK實現了幾何類與STL模型的可視化；分析了STL文件格式，對其進行拓撲重建，構建點、邊與面片之間的鄰接關系，為后續刀具路徑規劃打下基礎；基于引入形狀因子的面積權重法計算了頂點的法向量，基于Voronoi方法估算了頂點曲率，基于三角形重心插值計算了面片任意點的幾何屬性；建立了銑削刀具模型，加工過程模型及誤差模型，從這三個方面介紹了刀具路徑中涉及到的關鍵概念。

（2）基于網格曲面的幾何信息生成毛坯并基于網格曲面的拓撲模型完成毛坯與模型的切片，利用掃描平面法加快計算效率；分辨每層的加工區域將切片輪廓分為內邊界與外邊界，調整切片輪廓的方向，最終識別出每層的加工區域，并且考慮到三軸加工中的干涉問題，通過區域求并計算得到每層的無干涉加工區域；基于Clipper實現多邊形的偏置算法，設定刀具路徑間隔，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系實現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）研究了網格曲面參數線法刀具路徑的規劃，實現了調和映射與Floater映射，指出將三維空間的刀具路徑規劃問題降維到參數空間具有計算復雜度低，刀具路徑符合邊界一致性，算法魯棒性強等優點；基于參數域刀具路徑規劃策略將網格曲面映射至單位圓域，生成了環形刀具路徑與放射形刀具路徑，對比了兩種網格曲面參數化的生成的刀具路徑，指出參數化變形對刀具路徑的影響；創造性的提出了基于譜聚類網格分區的刀具路徑規劃，成功的避免了整體等參數刀具路徑殘高不均勻，易受網格曲面參數化變形扭曲的影響，刀具路徑刀軸矢量變換過大過頻繁的缺點。

（4）基于VERICUT仿真加工軟件構建仿真加工環境，建立五軸加工中心和五軸鉆攻中心的運動學模型，進而刀位文件經過后處理得到NC程序代碼；進行了粗加工的仿真，加工結果證明刀具路徑無過切且高效率的去除了毛坯大部份材料；進行了三次精加工仿真實驗：1）對不插值的整體等參數環切刀具路徑進行加工，結果出現大面積的鑿切與過切。2）對插值整體等參數環切刀具路徑進行加工，加工質量得到明顯的改善，但是卻增加了大量刀觸點，增加了加工時間。3）對分區刀具路徑進行加工，加工質量較好，加工效率較高，相比整體插值等參數環切刀具路徑，刀觸點數目減少40%~50%,, 刀軸突變次數減少70%~80%, 加工時間減少20%~30%。基于Python語言與PyQt環境完成了義齒CAM軟件主要功能模塊的封裝與界面編程工作

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