复杂环形锻件如航空发动机涡轮机匣、核电桶锥、压力容器法兰环等是重型装备重要的连接与承载部件,在风电、核电、航空航天、石油石化装备等机械制造领域中应用广泛。在轧制过程中,复杂环形锻件外形轮廓自由曲面特征决定了环形锻件关键部位的形状和几何尺寸,是判断环形锻件锻成品是否达到轧制工艺要求变形量和质量的重要依据。准确识别复杂环形锻件轧制过程中环形锻件的外形轮廓特征信息,对于改善复杂环形锻件的内部成形质量、提高锻件环轧技术水平及效率具有极其重要的意义。本文针对自由曲面特征提取方法中存在的未充分利用点云数据内在关联问题;几何变换下的曲面点云坐标易发生漂移、拥挤问题;自由曲面模型片面化、离散化问题展开研究,旨在探索准确、高效的复杂环形锻件轧制过程中外形轮廓自由曲面特征提取方法,为保证环形锻件的成形质量、提高其生产效率及市场竞争力提供保障。具体研究工作如下:首先,基于复杂环形锻件生产实际工况和点云数据结构特点,提出原始采样点云信息的消噪及动态偏差跟踪补偿方法,构建复杂环形锻件外形轮廓点云数据。针对曲面重构过程中未能兼顾点云数据间局部邻域与全局关联关系问题,基于拓扑学理论,通过研究点云数据的几何特征及内蕴拓扑结构,提出复杂环形锻件外形轮廓自由曲面拓扑空间的构建方法,为实现复杂环形锻件外形轮廓特征提取奠定理论基础。然后,基于构建的复杂环形锻件自由曲面拓扑空间,研究点云数据间拓扑关系对点云模型整体和细节性特征的影响,构建球面网格化自由曲面模型。针对几何变换下曲面模型中点云坐标易发生拥挤和漂移问题,根据拓扑变换理论,构建自由曲面模型拓扑同胚变换映射,提出复杂环形锻件自由曲面模型同胚变换方法,实现几何变换下的自由曲面模型拓扑同胚,为自由曲面的特征提取奠定模型分析基础。其次,针对复杂环形锻件拓扑变换自由曲面模型中曲率、法矢方向不一致、不连续等问题,基于拓扑微分理论,通过研究复杂环形锻件拓扑变换自由曲面的光滑性和定向性,构建拓扑变换自由曲面切丛分析模型,求解复杂环形锻件外形轮廓自由曲面任意点切向量矩阵,实现复杂环形锻件自由曲面变化趋势的连续性分析。基于曲率和极值连续性分析提出特征点间相对位置信息的求解方法,为实现复杂环形锻件外形自由曲面的特征点提取奠定基础。最后,应用本文提出的复杂环形锻件外形轮廓自由曲面特征提取方法,分别通过实验室试验和现场测量对比试验的方法对复杂环形锻件外形轮廓自由曲面的特征提取效果进行验证。首先对复杂环形锻件试验工件进行加热,并对处于高速旋转、高震动下的热态环形锻件进行激光扫描以获取其外形轮廓扫描点云,然后依次对点云信息进行消噪、动态误差跟踪补偿及特征提取实验,进而,基于环形锻件实际生产现场分别与两种不同的特征提取算法进行实验对比。研究表明,本文提出的基于拓扑同胚变换的复杂环形锻件自由曲面特征提取达到了预期的效果,方法准确可行。