[00935754]复杂曲面零件数字化制造理论和方法

大型复杂曲面类零部件在运载、能源和国防等行业有着广泛应用，如大型舰船螺旋桨、航空发动机叶轮、汽车覆盖件精密模具等。这些产品直接关系国民经济发展和国防安全，其制造水平代表着国家制造业的核心竞争力。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006-2020)和《国家自然科学基金委员会机械工程学科发展战略报告》(2006-2010)均将大型复杂曲面零件设计、制造、测量等关键技术列入制造业重点发展领域的优先主题。近期“高档数控机床与基础制造装备”和“大飞机”等重大专项的开展，更是对关键复杂零件高效、精密制造技术提出了前所未有的迫切需求。该项目深入研究了大型复杂曲面零件数字化设计、加工、测量的几何分析理论和方法，在以下几个方面取得了创造性的成果：1.建立了刀具包络面局部重建与整体优化原理。建立了由单个刀位重建刀具包络面局部三阶近似曲面的基本方程，以及刀具包络面的法向变形关于刀具轨迹调整的微分关系，揭示出刀位微小偏移对加工误差的影响规律；将目前普遍采用的刀位误差评价方式由刀具曲面与设计曲面的比较提升为刀具包络面与设计曲面的直接比较，提出了密切法与整体优化法两种并行的宽行加工刀位规划理论和方法。2.建立了三维点云曲面逼近的统一方法体系。以点—曲面法向距离度量拟合偏差，建立了其关于曲面运动和变形的二阶微分增量的解析表达式，设计了适用于任意曲面以及不同准则和约束的大规模点云数据拟合算法，突破了传统方法存在的模型不统一，算法计算效率低、鲁棒性差等局限性，为复杂曲面零件数字化设计—加工-测量一体化提供了集成工具。3.建立了曲面间接触约束的可达性分析理论和方法。对刀具(测头)—工件单点刚性接触，提出了全局可达方向锥的GPU计算方法；对夹件-工件多点弹性接触，建立了外载荷作用下接触点处的变形协调关系及夹持系统的可接近性、可达性、稳定性及封闭性分析方法，解决了数控加工、CMM测量、装配规划中可接近性分析和多功能夹具的布局规划、主动夹持力规划与定位误差定量预测等难题。该项目的部分研究成果已应用于安徽江淮汽车集团有限公司、中国南方航空动力机械集团公司等多家企业的产品开发中，对提升中国先进制造工艺整体技术水平，实现高性能复杂零件自主制造能力的突破具有重要意义。