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天然石材浮雕因其固有的物理化学性能和特有的艺术气质,自古以来一直是建筑环境装饰装修的重要构件。在传统的石材浮雕数控加工中,受到复杂曲面凹处最小曲率半径的限制,只采用一种小刀具及刀具轨迹生成方法进行加工,导致刀具轨迹的总长度增加,加工效率降低,无法满足生产的需求。针对石材浮雕加工效率低的问题,本文提出基于曲面分片的刀具轨迹规划算法。即将复杂浮雕曲面分成一系列形状特征相同或相似的曲面域特征组,然后根据不同的区域特点采用不同类型的加工刀具,优化工艺参数。对各相似曲面域内可以使用相似的刀具路径规划方法,从而整体上提高石材浮雕的加工效率。本文研究的主要内容有:(1)深入研究石材浮雕加工刀具,建立通用刀具几何模型。给出加工石材浮雕专用刀具的类型、刀具的选用原则以及球头刀的几何参数、几何形状,建立球头刀切削刃的刃线数学模型。(2)浮雕曲面不同区域划分规划算法研究。建立浮雕自由曲面数学模型,对其进行离散化;根据浮雕曲面离散点处曲率特征,将复杂的自由曲面划分为若干易于加工的基本曲面域特征组。根据浮雕曲面特点,确定7类基本曲面,分别为平面、凸形柱面、凹形柱面、凸形椭圆面、凹形椭圆面、凸形马鞍面、凹形马鞍面。对于相同或相似的曲面域,可以采用相同的刀具和刀具轨迹生成方法。(3)基于曲面分片的刀具轨迹规划算法研究。对区域划分后的不同类型曲面,分别采用不同的加工方法与策略。在曲面曲率变化平缓的曲面区域,采用大半径刀具加工,利用等参数线法生成刀具轨迹;在曲面曲率变化陡峭的曲面区域,采用小半径刀具加工,利用等残留高度法生成刀具轨迹。(4)基于曲面分片的刀具轨迹规划算法仿真实验研究。利用UG软件建立几种典型的石材浮雕曲面,通过MATLAB平台进行仿真,并与传统单一小刀具加工方案进行了对比分析。仿真实验结果表明,本文提出的算法比只采用一种小刀具及刀具轨迹生成方法的方案加工效率高,刀具轨迹总长度缩减约18%以上。本文方法可以实现提高石材浮雕加工效率这一目标。