產品三角網格模型的環切粗加工nc刀軌生成方法
2023-06-14 09:05:06
專利名稱：產品三角網格模型的環切粗加工nc刀軌生成方法
技術領域：
本發明提供一種產品三角網格模型的環切粗加工NC刀軌生成方法，屬於計算機輔助製造 技術領域。
背景技術：
在產品逆向工程中，通常採用雷射掃描儀等設備獲取產品實體模型表面的散亂點雲數據， 並對該數據進行三角剖分生成三角網格模型，逼近原實體模型。基於三角網格模型直接生成 數控加工刀軌，可避免產品CAD模型的重建過程及模型重建的累計誤差，從而有效提高基 於逆向工程的產品開發效率及加工精度。
對現有技術文獻檢索發現，劉磊等在學術期刊《華中理工大學學報》1999， 27(2): P10-12 上發表的學術論文"基於仿型測量數據的層切法數控加工"中，將仿型測量數據數據剖分為 三角多面體模型，將該三角多面體模型與切削平面求交獲取輪廓環，依據輪廓環間的拓撲關 系確定加工區域，偏置輪廓環生成環切粗加工NC刀軌，在加工過程中所選刀具的尺寸、形 狀必須與測頭一致，嚴重製約了其應用範圍，算法適用性差。劉芬等在學術期刊《計算機工 程與設計》2003， 24(11): P119-12上發表的學術論文"多實體截面輪廓環的管理及邊界的自 動提取"中，對由實體生成的STL文件進行分層，並獲取封閉的輪廓環，採用二叉樹組織輪 廓環間的拓撲關係，確定加工區域，通過對輪廓環進行偏置生成環切粗加工NC刀軌，該方 法只適用於實體模型，不能對非封閉的三角網格模型生成正確的加工刀軌。
綜上所述，現有文獻中所述方法對一般三角網格模型不能有效的提取出其輪廓環，並進 行相應的拓撲關係建立以實現環切加工刀路的生成，基於三角網格模型快速生成環切粗加工 NC刀軌成為本領域技術人員亟待解決的技術問題。
發明內容
本發明的目的在於提供一種能克服上述缺陷、適應性強的產品三角網格模型的環切粗加 工NC刀軌生成方法
一種產品三角網格模型的環切粗加工NC刀軌生成方法，其特徵在於步驟依次為1)改
進Rt樹得到適合於存儲產品三角網格模型的動態空間索引結構基於該結構建立產 品三角網格模型的動態空間索引結構；2)基於產品三角網格模型的動態空間索引結構快速建立三角網格模型的Z向包絡面；3)採用11*3-樹建立包絡面的動態空間索引結構，基於該結 構對包絡面與切削平面進行求交，獲取各輪廓環，並逐個調整輪廓環方向；4)建立嵌套加工 單元，組織各輪廓環之間的拓撲關係，確定各加工區域；5)對輪廓環進行等距偏置生成環切 粗加工NC刀軌。
為實現發明目的，所述的一種產品三角網格模型的環切粗加工NC刀軌生成方法，在步 驟l)中，改進R、樹動態空間索引數據結構得到R+S-樹的方法具體是將三角面片及索引結
點MBR即最小包國矩形統一表示為四維點對象(;c,y,z，/0 ，其中x， 乂 z為MBR中心坐標，/
為MBR外接球半徑值，通過三角面片集合的聚類分簇，構建產品三角網格模型動態空間索 引結構。
為實現發明目的，所述的一種產品三角網格模型的環切粗加工NC刀軌生成方法，在步 驟2)中，在笛卡爾坐標系中計算產品三角網格模型在:cqy面內投影的軸向包圍矩形Box，將 Box的各邊均勻向外偏置，偏置距離d為刀具半徑、加工餘量與加工公差之和，將偏置後的 Box劃分為網格點陣，網格間距為加工誤差S;採用投影法計算網格中的每個網格點對應的
刀位點，並分兩種情況處理(l)刀位點存在，以刀位點的Z向高度作為該網格點的高度；(2)
刀位點不存在，以模型底部高度作為該網格點的高度，依次連接各網格點獲取三角網格模型 的包絡面。
為實現發明目的，所述的一種產品三角網格模型的環切粗加工NC刀軌生成方法，在步 驟2)中，投影法計算刀位點的過程具體是以網格點為驅動點，以Z向為刀具軸向，將刀具
從高處沿由驅動點及刀具軸向確定的軸線落下時，若與三角網格模型相接觸，則剛接觸時刀 具的位置即為該驅動點對應的刀位點。
為實現發明目的，所述的一種產品三角網格模型的環切粗加工NC刀軌生成方法，在步 驟3)中，獲取各輪廓環的方法具體是以垂直於Z軸的粗加工層所在平面為切削平面，依據
切削平面與三角網格模型空間索引結構各層結點的位置關係，逐層查找與切削平面相交的各 層索引結點，最終獲取與切削平面相交的數據結點，進而獲取與切削平面相交的三角面片， 將三角面片與切削平面求交獲取交線段後，採用跟蹤法對交線段進行排序獲取輪廓環。
為實現發明目的，所述的一種產品三角網格模型的環切粗加工NC刀軌生成方法，在步
驟4)中，加工區域的確定方法具體是依據輪廓環所截三角面片的法矢調整輪廓環的環向，
使得待去除的材料均位於輪廓環的左側，依據各輪廓環的環向及它們之間的包含關係建立嵌 套加工單元，組織各輪廓環之間的拓撲關係確定各加工區域。
為實現發明目的，所述的一種產品三角網格模型的環切粗加工NC刀軌生成方法，在步驟4)中嵌套加工單元的建立過程具體是每個嵌套加工單元由一個逆時針輪廓環、該逆時針 輪廓環直接包含的順時針廓環的序列￡ j及該逆時針輪廓環直接包含的子嵌套加工單元的序 列Z一C構成，先為各逆時針輪廓環建立初始化嵌套加工單元"//，該加工單元ce/Z僅包含一個 由逆時針輪廓環確定的邊界環，建立首層嵌套加工單元序列Z，初始為空，令當前序列S等 於首層嵌套加工單元序列丄，當前待插入的初始化嵌套加工單元為Ce//_J'W^W，則各邊界環環 之間的嵌套關係的構建步驟如下(1):檢測待插入初始化嵌套加工單元的邊界環 與當前序列S中各嵌套加工單元的邊界環之間的包含關係；(2):如果待插入初始化嵌套加工 單元"//jmew的邊界環不被當前序列S中任何嵌套加工單元的邊界環所包含，直接將待插 入初始化嵌套加工單元ce//—/"^W添加到當前序列S中，執行(5); (3):如果待插入初始化嵌 套加工單元ce/Zj"sert的邊界環包含當前序列S中嵌套加工單元ce//_l、 ce//_2……、ce//—n 的邊界環，將嵌套加工單元ce〃—1、 ce〃一2……、"//_11作為"〃—z7wew直接包含的子嵌套加工 單元的序列Z—c，並在當前序列S中刪除嵌套加工單元ce//—1、 "〃一2 、 ce//—n，執行(5);
(4):如果待插入初始化嵌套加工單元cell—insert的邊界環被當前序列S中嵌套加工單元ce// 的邊界環所包含，令當前序列S為嵌套加工單元ce//直接包含的子嵌套加工單元的序列￡_c， 執行(l); (5):如果下一待插入初始化嵌套加工單元存在，令當前序列S為首層嵌套加工單元 序列￡，待插入初始化嵌套加工單元"//_/似6^為下一待插入嵌套加工單元，執行(l)，否則各 邊界環環之間的嵌套關係構建完畢，執行(6); (6):深度優先遍歷嵌套加工單元，將各順時針 環添加到邊界環直接包含它的加工單元中，完成所獲取輪廓環的嵌套加工單元序列的建立。 建立完畢後，每個加工單元對應於一個由其邊界環及其邊界環直接包含的順時針廓環確定加 工區域。
本發明與現有技術相比，具有以下三個優點-
(1) 採用投影法計算包絡面的網格點高度，保證了後續生成的刀軌不存在幹涉；
(2) 通過建立包絡面獲取各輪廓環，避免了原始三角網格模型中間隙、重疊及孔洞的影 響，算法適應性強；
(3) 通過建立加工單元組織各輪廓環之間的包含關係確定加工區域，快速準確實現了各 加工區域的獲取。
圖l是本發明程序流程圖2是本發明實施例一中汽車引擎蓋三角網格模型的動態空間索引結構各層索引結點 MBR模型圖3是本發明包絡面建立過程中網格點的獲取過程示意圖；圖4是本發明中刀位點計算示意圖； 圖5是本發明所建立的包絡面； 圖6是本發明輪廓環獲取過程示意圖； 圖7是本發明環切刀軌生成程序流程圖； 圖8是本發明輪廓環環形調整示意圖9是本發明中嵌套加工單元的數據結構及其具體應用； 圖10是本發明實施例一中生成的單層環切刀軌； 圖ll是本發明實施例一的環切粗加工NC刀軌及其仿真效果； 圖12是本發明實施例二中人臉面部三角網格模型生成的刀軌及其仿真效果。
具體實施例方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步說明
圖1是本發明三角網格模型的環切粗加工NC刀軌生成程序的實現流程圖。動態空間索 引結構構建程序1負責讀入三角網格模型數據，並為其建立動態空間索引結構，基於該空間
索引結構調用包絡面建立程序2實現包絡面的建立，調用程序1為包絡面建立動態空間索引 結構，調用輪廓環獲取程序3深度優先遍歷包絡面的動態空間索引結構，對切削平面與包絡 面進行快速求交，對交點進行排序獲取輪廓環，調用環切刀軌生成程序4對獲取的各輪廓環 進行調整並建立嵌套加工單元確定加工區域，偏置輪廓環生成環切加工刀軌。 實施例一對如圖2a)所示的三角網格模型生成環切粗加工NC刀軌。 圖2是本發明調用動態空間索引結構構建程序1對汽車引擎蓋三角網格模型所建立的動 態空間索引結構各層結點MBR模型圖。實例所用三角網格模型三角面片數量為14325,所採 用的索引參數附=8、 M=20，重新插入結點數及=6，其中，圖2a)顯示了汽車引擎蓋三角網格 模型，圖2b)顯示了動態空間索引結構根結點MBR,圖2c)顯示了第二層結點MBR，圖2d) 顯示了第三層結點MBR葉結點MBR，圖2e)顯示了葉結點MBR，圖2f)顯示了數據結點 MBR。該實驗表明，採用動態空間索引結構可準確實現三角網格模型數據的空間聚類劃分。
包絡面建立程序2的實現過程在笛卡爾坐標系中，計算三角網格模型在JcQy面上的包 圍盒Box,向外偏置Box的各邊，偏置距離d為刀具半徑、加工餘量與加工公差之和，值為 7.0，將Box劃分為網格點陣，網格間距為加工誤差f，取值為l.O。以Z向為刀具軸線，以 投影法計算網格中的每個網格點對應的刀位點，並分兩種情況處理1)刀位點存在，以Z向 高度作為該網格點的高度；2)刀位點不存在，以模型底部高度作為該網格點的高度。設Box 共有216X174個網格點，/^)位於網格模型中第/行/列，其中1^、216，1"、174。依次連其中l《K 216,1 174，建立網格模型的包絡面。如圖3a)為三角網格模型在xQy面上的
Box及其邊界偏置示意圖，如圖3b)為Box網格劃分示意圖；如圖4投影法計算刀位點示意 圖，刀具從高處沿Z軸落下時，如與三角網格模型相接觸，根據刀具幾何體表面與三角片的 位置關係計算接觸時刀位點高度；如圖5為所建立的包絡面。
圖6為本發明中輪廓環獲取過程示意圖。圖6a)、圖6b)為査詢到的與切削平面相交的各 層索引結點，圖6c)為査詢到的與切削平面相交的數據結點，圖6d)為査詢到的與切削平面相 交的三角面片，圖6e)為交點經排序後生成的輪廓環。
圖7為本發明環切刀軌生成程序流程圖。輪廓環環向調整程序5負責調整各輪廓環環向， 以保證輪廓環左側始終為加工區域；嵌套加工單元建立程序6通過建立輪廓環的存儲結構， 構建各輪廓環之間的拓撲關係，確定加工區域；輪廓偏置程序7對同一加工區域內各輪廓環 進行偏置實現環切粗加工NC刀軌的生成。
圖8為本發明輪廓環環形調整示意圖。獲取輪廓環上一單段交線段所在三角面片，將該
三角面片的法矢W投影切削平面上得向量/I'，根據輪廓環的走向獲取交線段的方向向量V，
如向量/l'在方向向量V的右側則該環走向符合規則，否則對輪廓環進行倒序處理，調整後使
得輪廓環左側始終為加工區域。
圖9為本發明嵌套加工單元的數據結構及其具體應用。每個嵌套加工單元由一個逆時針 輪廓環、逆時針輪廓環直接包含的順時針廓環的序列L—s及逆時針輪廓環直接包含的子嵌套 加工單元的序列Z—c構成，如圖9a)為嵌套加工單元數據結構的示意圖，先為各逆時針輪廓環 建立初始化嵌套加工單元ce仏該加工單元ce/M又包含一個由逆時針輪廓環確定的邊界環，建 立首層嵌套加工單元序列￡，初始為空，令當前序列S等於首層嵌套加工單元序列丄，當前待 插入的初始化嵌套加工單元為ce//_/raeW，則各邊界環環之間的嵌套關係的構建步驟如下(1): 檢測待插入初始化嵌套加工單元的邊界環與當前序列S中各嵌套加工單元的邊界 環之間的包含關係；(2):如果待插入初始化嵌套加工單元"//_^^^的邊界環不被當前序列5 中任何嵌套加工單元的邊界環所包含，直接將待插入初始化嵌套加工單元添加到 當前序列S中，執行(5); (3):如果待插入初始化嵌套加工單元ce/Zj似eW的邊界環包含當前 序列S中嵌套加工單元、ce//_2 、ce//_n的邊界環，將嵌套加工單元ce//—1 、"//_2 、
n作為ce/Z」7w抓直接包含的子嵌套加工單元的序列丄—c，並在當前序列S中刪除嵌套加 工單元ce//—1、 ce//—2 、 ce//_n，執行(5); (4):如果待插入初始化嵌套加工單元cell_insert的邊界環被當前序列S中嵌套加工單元ce//的邊界環所包含，令當前序列S為嵌套加工單元
"//直接包含的子嵌套加工單元的序列^—C，執行(l); (5):如果下一待插入初始化嵌套加工單
元存在，令當前序列s為首層嵌套加工單元序列z:,待插入初始化嵌套加工單元ce//—/raew
為下一待插入嵌套加工單元，執行(l)，否則各邊界環環之間的嵌套關係構建完畢，執行(6); (6):深度優先遍歷嵌套加工單元，將各順時針環添加到邊界環直接包含它的加工單元中，完
成所獲取輪廓環的嵌套加工單元序列的構建。建立完畢後，每個加工單元對應於一個由其邊
界環及其邊界環直接包含的順時針廓環確定加工區域。如圖9b)中逆時針環①、 ,順時針環 @、③的嵌套加工單元如圖9c)，確定的加工區域為A和B。
圖IO為本發明實施例一中生成的單層環切刀軌。以包絡面的邊界為毛坯邊界對求交獲取 的順指針環添加邊界環(逆時針環)並建立嵌套加工單元確定加工區域後，偏置加工單元內的 各輪廓環獲取單層環切粗加工NC刀軌。
圖11為本發明實施例一的環切粗加工NC刀軌及其仿真效果，其中圖lla)為環切粗加工 NC刀軌，圖lib)為圖lla)中刀軌的切削仿真效果；
實施例二對如圖12a)人臉面部三角網格模型生成環切粗加工NC刀軌，方法同上，生 成的環切粗加工NC刀軌如圖12b)所示，切削仿真效果如圖12b)所示； 其他產品三角網格模型的環切粗加工NC刀軌生成方法同上。
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權利要求
1、一種產品三角網格模型的環切粗加工NC刀軌生成方法，其特徵在於步驟依次為1)改進R*-樹得到適合於存儲產品三角網格模型的動態空間索引結構R*S-樹，基於該結構建立產品三角網格模型的動態空間索引結構；2)基於產品三角網格模型的動態空間索引結構快速建立三角網格模型的Z向包絡面；3)採用R*S-樹建立包絡面的動態空間索引結構，基於該結構對包絡面與切削平面進行求交，獲取各輪廓環，並逐個調整輪廓環方向；4)建立嵌套加工單元，組織各輪廓環之間的拓撲關係，確定各加工區域；5)對輪廓環進行等距偏置生成環切粗加工NC刀軌。
2、 如權利要求1所述的產品三角網格模型的環切粗加工NC刀軌生成方法，其特徵在於步驟l)中，改進R、樹動態空間索引數據結構得到RtS-樹的方法具體是將三角面片及索引 結點MBR即最小包圍矩形統一表示為四維點對象Oe，y，z，/"),其中u, z為MBR中心坐標，r為MBR外接球半徑值，通過三角面片集合的聚類分簇，構建產品三角網格模型動態空間索 引結構。
3、 如權利要求1所述的產品三角網格模型的環切粗加工NC刀軌生成方法,其特徵在於 步驟2)中，在笛卡爾坐標系中計算三角網格模型在;cQv面內投影的軸向包圍矩形Box，將 Box的各邊均勻向外偏置，偏置距離d為刀具半徑、加工餘量與加工公差之和，將偏置後的 Box劃分為網格點陣，網格間距為加工誤差S;採用投影法計算網格中的每個網格點對應的 刀位點，並分兩種情況處理(l)刀位點存在，以刀位點的Z向高度作為該網格點的高度；(2)刀位點不存在，以模型底部高度作為該網格點的高度，依次連接各網格點獲取三角網格模型 的包絡面。
4、 如權利要求3所述的產品三角網格模型的環切粗加工NC刀軌生成方法，其特徵在於 步驟2)中，投影法計算刀位點的過程具體是以網格點為驅動點，以Z向為刀具軸向，將刀具從高處沿由驅動點及刀具軸向確定的軸線落下時，若與三角網格模型相接觸，則剛接觸時 刀具的位置即為該驅動點對應的刀位點。
5、 如權利要求1所述的產品三角網格模型的環切粗加工NC刀軌生成方法,其特徵在於 步驟3)中，獲取各輪廓環的方法具體是以垂直於Z軸的粗加工層所在平面為切削平面，依據切削平面與三角網格模型空間索引結構各層結點的位置關係，逐層査找與切削平面相交的 各層索引結點，最終獲取與切削平面相交的數據結點，進而獲取與切削平面相交的三角面片，將三角面片與切削平面求交獲取交線段後，採用跟蹤法對交線段進行排序獲取輪廓環。
6、如權利要求l所述的產品三角網格模型的環切粗加工NC刀軌生成方法，其特徵在於: 步驟4)中，加工區域的確定方法具體是依據輪廓環所截三角面片的法矢調整輪廓環的環向， 使得待去除的材料均位於輪廓環的左側，依據各輪廓環的環向及它們之間的包含關係建立嵌 套加工單元，組織各輪廓環之間的拓撲關係確定各加工區域。
7.如權利要求6所述的產品三角網格模型的環切粗加工NC刀軌生成方法，其特徵在於 嵌套加工單元的建立過程具體是每個嵌套加工單元由一個逆時針輪廓環、該逆時針輪廓環 直接包含的順時針廓環的序列丄j及該逆時針輪廓環直接包含的子嵌套加工單元的序列Z_C 構成，先為各逆時針輪廓環建立初始化嵌套加工單元ce//,該加工單元ce/Z僅包含一個由逆時 針輪廓環確定的邊界環，建立首層嵌套加工單元序列Z，初始為空，令當前序列S等於首層 嵌套加工單元序列丄，當前待插入的初始化嵌套加工單元為ce/ZjmeW，則各邊界環環之間的嵌套關係的構建步驟如下(1):檢測待插入初始化嵌套加工單元"//—/"WW的邊界環與當前 序列S中各嵌套加工單元的邊界環之間的包含關係；(2):如果待插入初始化嵌套加工單元的邊界環不被當前序列S中任何嵌套加工單元的邊界環所包含，直接將待插入初始化嵌套加工單元"//—/"MW添加到當前序列S中，執行(5); (3):如果待插入初始化嵌套加工 單元ce//—/raew的邊界環包含當前序列S中嵌套加工單元ce//_l、ce//_2 、ce//—n的邊界環，將嵌套加工單元ce//—1、 ce//_2 、 ce/Z—n作為ce//jraeW直接包含的子嵌套加工單元的序列丄—c,並在當前序列S中刪除嵌套加工單元"//—1、 ce//—2……、ce〃_n,執行(5); (4):如果待 插入初始化嵌套加工單元celljnsert的邊界環被當前序列S中嵌套加工單元"//的邊界環所包 含，令當前序列S為嵌套加工單元c^/直接包含的子嵌套加工單元的序列丄^，執行(l); (5): 如果下一待插入初始化嵌套加工單元存在，令當前序列5"為首層嵌套加工單元序列丄，待插 入初始化嵌套加工單元"//jTweW為下一待插入嵌套加工單元，執行(l)，否則各邊界環環之 間的嵌套關係構建完畢，執行(6); (6):深度優先遍歷嵌套加工單元，將各順時針環添加到邊 界環直接包含它的加工單元中，完成所獲取輪廓環的嵌套加工單元序列的建立。建立完畢後， 每個加工單元對應於一個由其邊界環及其邊界環直接包含的順時針廓環確定加工區域。
全文摘要
本發明提供一種產品三角網格模型的環切粗加工NC刀軌生成方法，其特徵在於採用R*S-樹動態空間索引結構組織產品三角網格模型的拓撲近鄰關係，基於該動態索引結構快速建立產品三角網格模型的Z向包絡面，採用R*S-樹建立包絡面的動態空間索引結構，基於該結構對包絡面與切削截平面進行求交，獲取各輪廓環，逐個調整輪廓環方向，建立各輪廓環之間的拓撲關係，確定加工區域，對輪廓環進行等距偏置獲取環切粗加工刀軌，實例證明該算法可生成各種複雜產品三角網格模型的環切粗加工刀軌，算法的適應性強。
文檔編號G05B19/4099GK101515168SQ20091002020
公開日2009年8月26日 申請日期2009年3月26日 優先權日2009年3月26日
發明者健 劉, 孫殿柱, 崔傳輝, 朱昌志 申請人:山東理工大學