基於特徵的蒙皮碎面重構方法
2023-05-30 01:25:21
基於特徵的蒙皮碎面重構方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於特徵的蒙皮碎面重構方法。該方法首先根據選取的工藝曲面進行搜索獲得的組合曲面，再提取組合曲面的外輪廓線，對輪廓線進行擬合，根據完整的輪廓線自動創建引導線，並擬合成曲面，判斷是否滿足精度要求，如果滿足精度要求則將曲面擴展延伸，創建擴展面。如精度無法滿足要求，將精度加倍重新創建擴展面，用完整的輪廓線切割擴展面，保留曲面即為重構曲面。該方法針對蒙皮零件細碎曲面重新構建成與原本工藝曲面完全重合的完整的曲面，並且得到完整的擬合邊界，擬合精度高，可以直接用蒙皮鏡像銑削的數控編程，節省加工時間，提高加工效率，使加工過程更加穩定。
【專利說明】基於特徵的蒙皮碎面重構方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種數控加工技術，尤其是一種蒙皮碎面重構技術，具體地說是一種 基於特徵的蒙皮碎面重構方法。
【背景技術】
[0002] 飛機蒙皮零件一般具有尺寸比較大、形狀比較複雜、多數呈雙曲度等特點，因此在 建模的過程中一個曲面會出現由多張不規則碎面構成的情況，碎面會引起劃線的局部性導 致生成的刀軌不完整、不連續，加工的過程中不穩定，加工操作繁瑣，加工時間長、效率低。
[0003] 查閱現有技術與文獻發現，瀋陽飛機工業（集團）有限公司申請的專利（專利號 201310428984. 9)中提出一種將飛機結構件細碎曲面轉化為直紋面的方法，但是此種方法 只局限於直紋面的擬合，蒙皮零件多數為雙曲率零件，因而此種方法並不適用。
[0004] 南京航空航天大學申請的專利（專利號201110419464. 2)提出一種複雜組合曲面 的擬合方法，該方法基本可以實現曲面擬合，但是無法將曲面擬合完整，另外此方法沒有考 慮擬合邊界的完整性，由於蒙皮零件導軌生成需要完整的擬合曲面並且要保證曲面邊界的 完整性，因此該方法不能滿足要求。
[0005] 針對以上問題本專利提出一種基於特徵的蒙皮碎面重構方法，該方法針對蒙皮零 件細碎曲面重新構建完整的曲面，並且得到完整的擬合邊界，擬合精度高，可以直接用擬合 的曲面代替原有的細碎曲面進行編程，節省加工時間，提高加工效率，使加工過程更加穩 定。
【發明內容】
：
[0006] 本發明的目的是針對現有的蒙皮數控加工過程中進行建模時由於碎面較多引起 劃線的局部性導致生成的刀軌不完整、不連續，加工的過程中不穩定，加工操作繁瑣，加工 時間長、效率低等一系列問題，發明一種基於特徵的蒙皮碎面重構方法。
[0007] -種基於特徵的蒙皮碎面重構方法，其特徵在於它包括以下步驟：
[0008] 步驟1、選取工藝曲面並輸入相關參數；
[0009] 步驟2、根據工藝曲面搜索獲取組合曲面；
[0010] 步驟3、排除組合曲面的重複邊界獲取其所有的外部輪廓線；
[0011] 步驟4、創建投影平面，將所有外部輪廓線在投影面上進行投影；
[0012] 步驟5、根據投影線依次獲取輪廓線碎邊；
[0013] 步驟6、將輪廓線進行擬合，獲取完整的輪廓線；
[0014] 步驟7、選取最長的輪廓邊，創建引導線；
[0015] 步驟8、根據截平面間距離散引導線，過離散點做截平面並與組合平面求交；
[0016] 步驟9、根據離散精度將交線擬合成B樣條曲線，再將樣條曲線擬合成曲面；
[0017] 步驟10、計算擬合誤差，判斷重構曲面是否滿足精度要求，如果不滿足將離散精度 加倍並重複步驟6、7、8、9 ;
[0018] 步驟11、將曲面進行向外延伸生成擴展曲面；
[0019] 步驟12、將完整的輪廓線投影到擴展面上並進行切割，保留與組合曲面重疊的部 分即為重構曲面。
[0020] 所述的選取工藝曲面，從待構建的碎面中選取一個或多個曲面作為工藝曲面；
[0021] 所述的獲取組合曲面是指根據工藝曲面搜索與工藝曲面相鄰的面，計算邊角度Al 和面角度F1，邊角度Al為兩個相交面內各引一條直線並且交於交線上同一點，所得的兩直 線的夾角，面角度Fl為兩個相交面中心點法向量的夾角，如果邊角度滿足條件:Al?0°或 Al ^ 180°，面角度滿足條件：Fl ^ 0°或Fl ^ 180°，則搜索與相鄰面相鄰的面，如果不 滿足條件就繼續搜索，按照此種方法獲取的面即為組合曲面。
[0022] 所述的創建投影平面，獲取輪廓線中三條最長的邊，並分別獲取三條邊的中點創 建一個平面即為投影平面。
[0023] 所述的獲取輪廓線碎邊，由於蒙皮零件大多數為雙曲率沒有辦法直接根據曲率判 斷碎邊是轉角邊還是普通邊，因此通過獲取投影線的端點和中心點的連線，計算兩條直線 的夾角A2,滿足普通邊的條件為：A2?0°或A2?180°，如果不滿足條件即為轉角邊，再 根據連接關係依次搜索相鄰的邊獲取輪廓線碎邊。
[0024] 所述的獲取完整的輪廓線，對於普通邊的擬合，先在普通邊列表Ll中任意選取一 條邊並搜索與其相鄰的邊，計算角度A3即為相鄰兩條邊端點的連線，所得的兩直線的夾 角，判斷角度是否滿足條件:A3?0°或A3?180°。如果滿足條件再繼續搜索，直到無法 搜索時停止，碎邊存放在列表L2中，對碎邊用B樣條曲線擬合，將列表Ll中刪除列表L2中 的邊，將列表L2清空；再一次在普通邊列表Ll中任意選取一條邊重複上述的方法進行擬 合；對於轉角邊的擬合方法類似，但是不需要判斷邊角度是否滿足條件；將擬合後的邊與 最初完整的邊進行接合，創建完整的輪廓線。
[0025] 所述的生成擴展曲面，由於生成的曲面大小有限沒有覆蓋組合曲面的整體區域， 因此將曲面進行擴展即為擴展面，再用完整輪廓線進行切割。
[0026] 本發明的有益效果是：
[0027] 1、本發明可以將多個蒙皮碎面重新構建成一個完整的面，並且保持邊界的完整 性，實現了刀軌編程的完整性。
[0028] 2、本發明自動創建引導線，使系統的自動化程度提高。
[0029] 3、本發明曲面的構建精度高，可以代替原有碎面生成刀軌，計算速度快，提高加工 效率，使加工過程更加穩定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發明的基於特徵的蒙皮碎面重構方法流程圖。
[0031] 圖2為本發明的搜索組合曲面方法示意圖，圖中SI、S2、S3表示三個曲面，E表示 Sl和S2的交線，Vl和V2表示S2、S3兩個相交面中心點法向量。
[0032] 圖3為本發明的多種組合曲面示意圖。
[0033] 圖4為本發明的獲取外部輪廓線示意圖，圖中SI、S2表示兩個碎面，L表示Sl和 S2的交線。
[0034] 圖5為本發明的判別邊類型的方法圖，圖中El、E2、E3為3條相互連接的邊，P1、 P2、P3為邊E2和E3的端點，Cl、C2為邊E2和E3的中心點，Al為邊E2端點與中心點連線 的夾角，A2為邊E3端點與中心點連線的夾角。
[0035] 圖6為本發明的創建完整輪廓線示意圖，圖中E1、E2、E3和E4為4條相互連接的 邊，PI、P2、P3 和 P4 為邊 El、E2、E3 的端點，AU A2、A3 分別邊 El 和 E2、E2 和 E3、E3 和 E4 的邊角度。
[0036] 圖7為本發明的弦高誤差示意圖，圖中C表示曲率圓，L表示曲線，Pp Pp1表示曲 率圓上的兩點，Pj表不當如點的曲率半徑；0表不為弦
[0037] 圖8為本發明的擴展曲面示意圖，Sl表示生成的曲面，S2表示延伸後的擴展面。
[0038] 圖9為本發明的重構曲面示意圖。
【具體實施方式】
[0039] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0040] 如圖1所示。
[0041] 一種基於特徵的蒙皮碎面重構方法，包括以下步驟：
[0042] 步驟1、從待構建的碎面中選取一個或多個曲面作為工藝曲面並輸入相關參數；
[0043] 步驟2、根據工藝曲面搜索與工藝曲面相鄰的面，計算邊角度Al即為兩個相交面 內各引一條直線並且交於交線上同一點，所得的兩直線的夾角。面角度Fl即為兩個相交 面中心點法向量的夾角，如果邊角度滿足條件:Al?0°或Al?180°，面角度滿足條件： Fl?0°或Fl?180°，則搜索與相鄰面相鄰的面，如果不滿足條件就繼續搜索，按照此種 方法獲取組合曲面；
[0044] 步驟3、排除組合曲面的重複邊界獲取其所有的外部輪廓線；
[0045] 步驟4、獲取輪廓線中三條最長的邊，並分別獲取三條邊的中點創建投影平面，將 所有外部輪廓線在投影面上進行投影；
[0046] 步驟5、由於蒙皮零件大多數為雙曲率沒有辦法直接根據曲率判斷碎邊是轉角邊 還是普通邊，因此通過獲取投影線的端點和中心點的連線，計算兩條邊的夾角A2,滿足普通 邊的條件為：A2?0°或A2?180°，如果不滿足條件即為轉角邊，再根據連接關係依次搜 索相鄰的邊獲取輪廓線碎邊；
[0047] 步驟6、將輪廓線進行擬合，獲取完整的輪廓線；對於普通邊的擬合，先在普通邊 列表Ll中任意選取一條邊並搜索與其相鄰的邊，計算角度A3即為相鄰兩條邊端點的連線， 所得的兩直線的夾角，判斷角度是否滿足條件：A3?0°或A3?180°。如果滿足條件再 繼續搜索，直到無法搜索時停止，碎邊存放在列表L2中，對碎邊用B樣條曲線擬合，將Ll中 刪除列表L2中的邊，將列表L2清空。再一次在普通邊列表Ll中任意選取一條邊重複上述 的方法進行擬合。對於轉角邊的擬合方法類似，但是不需要判斷邊角度是否滿足條件。將 擬合後的邊與最初完整的邊進行接合，創建完整的輪廓線；
[0048] 步驟7、在擬合後的輪廓線中搜索找到最長的邊作為輪廓邊，創建引導線；
[0049] 步驟8、根據截平面間距離散引導線，過離散點做截平面並與組合平面求交；
[0050] 步驟9、根據離散精度將交線擬合成B樣條曲線，再將樣條曲線擬合成曲面；
[0051] 步驟10、計算擬合誤差，判斷重構曲面是否滿足精度要求，如果不滿足將離散精度 加倍並重複步驟6、7、8、9 ;
[0052] 步驟11、將曲面進行向外延伸生成擴展曲面；由於生成的曲面大小有限沒有覆蓋 組合曲面的整體區域，因此將曲面進行擴展即為擴展面，再用完整輪廓線進行切割；
[0053] 步驟12、將完整的輪廓線投影到擴展面上並進行切割，保留與組合曲面重疊的部 分即為重構曲面。
[0054] 下面以蒙皮零件的下陷面作為例子，結合附圖作進一步的詳細說明。
[0055] 圖1是本發明的基於特徵的蒙皮碎面重構方法流程圖。如圖所示，包括以下各步 驟：
[0056] 1、選取工藝曲面並填寫相關參數，如：截平面間距指引導線平分點間的距離，離散 精度指最大弦高誤差值和初步設定的離散步，重構精度指重構的曲面與理論曲面的接近程 度。
[0057] 2、如圖2所示，Sl為工藝曲面，S2表示與工藝曲面相鄰的面，Al為邊角度即為兩 個相交面內各引一條直線並且交於交線上同一點，所得的兩直線的夾角，Fl為面角度即為 兩個相交面中心點法向量Vl和V2的夾角，如果邊角度滿足條件:Al?0°或Al?180°， 面角度滿足條件：Fl?0°或Fl?180°，則把該面存入列表co_s中並搜索與相鄰面相鄰 的面S3並再判斷是否滿足要求，反覆搜索直到無法找到符合要求的面為止，按照此種方法 獲取的面即為組合曲面表示為：
[0058] co_s = {SI, S2......}。
[0059] 如圖3所示，蒙皮零件中，組合曲面的類型多種多樣，且組合曲面數量較多，基於 蒙皮特徵的碎面重構方法，可以自動快速的完成組合曲面的重構。
[0060] 3、搜索組合曲面中碎面的邊界存放在邊列表中，將重複的邊界在列表中刪除，其 餘的邊界即為組合曲面的外部輪廓線。如圖4所示，提取碎面Sl和S2的邊界存放在邊列 表中，將重複邊界L從邊列表中刪除，其餘的邊界即為組合曲面的外部輪廓線。
[0061] 4、獲取所有輪廓線存放在列表Ll中，計算每條邊的長度存放在列表L2中，用比 較法選取3條最長的邊，分別獲取3條邊的中點，過三點創建一個平面即為投影平面，表示 為：
[0062] AX+BY+CZ = D ；
[0063] 其中A、B、C為方程係數，X、Y、Z為未知數，將三個點帶入即可求得平面方程；
[0064] 5、遍歷所有碎輪廓線的投影線，通過判斷投影線是否為直線來判斷輪廓線為普通 邊還是轉角邊，具體方法為：如圖5所示，設從El開始搜索，通過交點找到與其相鄰的邊 E2,再繼續搜索找到與邊E2相鄰的邊E3按此方法依次搜索，遍歷所有的輪廓線，在輪廓線 中判斷是普通邊還是轉角邊，如果是普通邊存放在列表L1，如果是轉角邊存放在列表L2， 在兩個列表中分別按上述方法搜索得到相互連接的碎邊並組合成輪廓線。
[0065] 判斷輪廓線為普通邊還是轉角邊的方法如下：
[0066] 如圖5所示，選取兩條投影線，其端點表示為P1、P2、P3,中心點為C1、C2,將Cl分 別與Pl和P2連線，C2分別與P2和P3連線，計算邊夾角Al和A2,判斷是否滿足普通邊的 條件，:A1(A2) ~0°或A1(A2) ^180°，如果不滿足為轉角邊。如圖所示，El和E2為普通 邊，E3為轉角邊。
[0067] 6、如圖6所示，對於普通邊的擬合，在普通邊列表Ll中任意選取一條邊E2放在列 表L2中，搜索與這條邊相鄰的邊獲取El和E3,求得El與E2的角度Al，E2與E3的角度A2， 判斷角度是否滿足條件，Al (A2)?0°或Al (A2)?180°。經判斷El和E3滿足條件並存 放在列表L2中並繼續搜索與El和E3相鄰的邊E4和E5,經判斷不滿足上述條件，因此本次 搜索停止，當搜索不到邊時搜索也停止，如果L2中邊的數目大於1，則將邊利用B樣條曲線 進行擬合，擬合的邊存放在列表L3中，如果L2中邊的數目等於1，則將列表中的邊存放在列 表L4中。將Ll中刪除列表L2中的邊，將L2清空。再一次在普通邊列表Ll中任意選取一 條邊重複上述的方法進行擬合，擬合的邊存放在列表L3中。
[0068] 對於轉角邊的擬合，從轉角邊列表L5中任意選取一條邊，搜索與其相連的邊，存 放在列表L6中，當搜索不到邊時，本次搜索停止，如果列表L6中邊的數目大於1，則將邊利 用B樣條曲線進行擬合，擬合的邊存放在列表L3中，如果L6中邊的數目等於1，則將列表中 的邊存放在列表L4中。將列表L5中刪除列表L6中的碎邊，將L6列表清空，再一次在列表 L5中任意選取一條邊重複上述的方法進行擬合，擬合的邊存放在列表L3中。
[0069] 具體的擬合方法如下：先將碎邊離散成點，離散點之間的間距由等弦高誤差和最 大離散步長共同確定。如圖7所示，取曲線在第j個離散點&處的曲率圓代替曲線，由於 離散距離微小，所以這樣的處理造成的誤差可以忽略不計。根據簡單的幾何關係可知，參數 曲線的弦高誤差e如式所示：
【權利要求】
1. 一種基於特徵的蒙皮碎面重構方法，其特徵在於它包括以下步驟： 步驟1、選取工藝曲面並輸入相關參數； 步驟2、根據工藝曲面搜索獲取組合曲面； 步驟3、排除組合曲面的重複邊界獲取其所有的外部輪廓線； 步驟4、創建投影平面，將所有外部輪廓線在投影面上進行投影； 步驟5、根據投影線依次獲取輪廓線碎邊； 步驟6、將輪廓線進行擬合，獲取完整的輪廓線； 步驟7、選取最長的輪廓邊，創建引導線； 步驟8、根據截平面間距離散引導線，過離散點做截平面並與組合平面求交； 步驟9、根據離散精度將交線離散成點並擬合成B樣條曲線，再將樣條曲線擬合成曲 面； 步驟10、計算擬合誤差，判斷重構曲面是否滿足精度要求，如果不滿足將離散精度提高 並重複步驟6、7、8、9 ; 步驟11、將曲面進行向外延伸生成擴展曲面； 步驟12、將完整的輪廓線投影到擴展面上並進行切割，保留與組合曲面重疊的部分即 為重構曲面。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的選取工藝曲面是指從待構建的碎面中 選取一個或多個曲面作為工藝曲面。
3. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的獲取組合曲面是指根據工藝曲面搜 索與工藝曲面相鄰的面，計算邊角度A1和面角度F1，邊角度A1為兩個相交面內各引一條 直線並且交於交線上同一點，所得的兩直線的夾角，面角度F1為兩個相交面中心點法向 量的夾角，如果邊角度滿足條件：A1?0°或A1?180°，面角度滿足條件：F1?0°或 F1?180°，則搜索與相鄰面相鄰的面，如果不滿足條件就繼續搜索，按照此種方法獲取的 面即為組合曲面。
4. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的創建投影平面是指獲取輪廓線中三條 最長的邊，並分別獲取三條邊的中點創建一個平面即為投影平面。
5. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的獲取輪廓線碎邊是指由於蒙皮零件 大多數為雙曲率沒有辦法直接根據曲率判斷碎邊是轉角邊還是普通邊，因此通過獲取投 影線的端點和中心點的連線，計算兩條直線的夾角A2,滿足普通邊的條件為：A2?0°或 A2?180°，如果不滿足條件即為轉角邊，再根據連接關係依次搜索相鄰的邊獲取輪廓線 碎邊。
6. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的獲取完整的輪廓線是指對於普通邊的 擬合，先在普通邊列表L1中任意選取一條邊並搜索與其相鄰的邊，計算角度A3即為相鄰兩 條邊端點的連線，所得的兩直線的夾角，判斷角度是否滿足條件:A3?0°或A3?180°。 如果滿足條件再繼續搜索，直到無法搜索時停止，碎邊存放在列表L2中，對碎邊用B樣條曲 線擬合，將列表L1中刪除列表L2中的邊，將L2清空；再一次在普通邊列表L1中任意選取 一條邊重複上述的方法進行擬合；對於轉角邊的擬合方法類似，但是不需要判斷邊角度是 否滿足條件；將擬合後的邊與最初完整的邊進行接合，創建完整的輪廓線。
7. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的生成擴展曲面是指由於生成的曲面大 小有限沒有覆蓋組合曲面的整體區域，因此將曲面進行擴展即為擴展面，再用完整輪廓線 進行切割。
【文檔編號】G05B19/18GK104407567SQ201410570931
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月23日 優先權日:2014年10月23日
【發明者】李迎光, 郝小忠, 徐 明, 李響, 周冠妍 申請人:南京航空航天大學