基于特征的蒙皮碎面重构方法

基于特征的蒙皮碎面重构方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于特征的蒙皮碎面重构方法。该方法首先根据选取的工艺曲面进行搜索获得的组合曲面，再提取组合曲面的外轮廓线，对轮廓线进行拟合，根据完整的轮廓线自动创建引导线，并拟合成曲面，判断是否满足精度要求，如果满足精度要求则将曲面扩展延伸，创建扩展面。如精度无法满足要求，将精度加倍重新创建扩展面，用完整的轮廓线切割扩展面，保留曲面即为重构曲面。该方法针对蒙皮零件细碎曲面重新构建成与原本工艺曲面完全重合的完整的曲面，并且得到完整的拟合边界，拟合精度高，可以直接用蒙皮镜像铣削的数控编程，节省加工时间，提高加工效率，使加工过程更加稳定。
【专利说明】基于特征的蒙皮碎面重构方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种数控加工技术，尤其是一种蒙皮碎面重构技术，具体地说是一种 基于特征的蒙皮碎面重构方法。

【背景技术】
[0002] 飞机蒙皮零件一般具有尺寸比较大、形状比较复杂、多数呈双曲度等特点，因此在 建模的过程中一个曲面会出现由多张不规则碎面构成的情况，碎面会引起划线的局部性导 致生成的刀轨不完整、不连续，加工的过程中不稳定，加工操作繁琐，加工时间长、效率低。
[0003] 查阅现有技术与文献发现，沈阳飞机工业（集团）有限公司申请的专利（专利号 201310428984. 9)中提出一种将飞机结构件细碎曲面转化为直纹面的方法，但是此种方法 只局限于直纹面的拟合，蒙皮零件多数为双曲率零件，因而此种方法并不适用。
[0004] 南京航空航天大学申请的专利（专利号201110419464. 2)提出一种复杂组合曲面 的拟合方法，该方法基本可以实现曲面拟合，但是无法将曲面拟合完整，另外此方法没有考 虑拟合边界的完整性，由于蒙皮零件导轨生成需要完整的拟合曲面并且要保证曲面边界的 完整性，因此该方法不能满足要求。
[0005] 针对以上问题本专利提出一种基于特征的蒙皮碎面重构方法，该方法针对蒙皮零 件细碎曲面重新构建完整的曲面，并且得到完整的拟合边界，拟合精度高，可以直接用拟合 的曲面代替原有的细碎曲面进行编程，节省加工时间，提高加工效率，使加工过程更加稳 定。


【发明内容】
：
[0006] 本发明的目的是针对现有的蒙皮数控加工过程中进行建模时由于碎面较多引起 划线的局部性导致生成的刀轨不完整、不连续，加工的过程中不稳定，加工操作繁琐，加工 时间长、效率低等一系列问题，发明一种基于特征的蒙皮碎面重构方法。
[0007] -种基于特征的蒙皮碎面重构方法，其特征在于它包括以下步骤：
[0008] 步骤1、选取工艺曲面并输入相关参数；
[0009] 步骤2、根据工艺曲面搜索获取组合曲面；
[0010] 步骤3、排除组合曲面的重复边界获取其所有的外部轮廓线；
[0011] 步骤4、创建投影平面，将所有外部轮廓线在投影面上进行投影；
[0012] 步骤5、根据投影线依次获取轮廓线碎边；
[0013] 步骤6、将轮廓线进行拟合，获取完整的轮廓线；
[0014] 步骤7、选取最长的轮廓边，创建引导线；
[0015] 步骤8、根据截平面间距离散引导线，过离散点做截平面并与组合平面求交；
[0016] 步骤9、根据离散精度将交线拟合成B样条曲线，再将样条曲线拟合成曲面；
[0017] 步骤10、计算拟合误差，判断重构曲面是否满足精度要求，如果不满足将离散精度 加倍并重复步骤6、7、8、9 ;
[0018] 步骤11、将曲面进行向外延伸生成扩展曲面；
[0019] 步骤12、将完整的轮廓线投影到扩展面上并进行切割，保留与组合曲面重叠的部 分即为重构曲面。
[0020] 所述的选取工艺曲面，从待构建的碎面中选取一个或多个曲面作为工艺曲面；
[0021] 所述的获取组合曲面是指根据工艺曲面搜索与工艺曲面相邻的面，计算边角度Al 和面角度F1，边角度Al为两个相交面内各引一条直线并且交于交线上同一点，所得的两直 线的夹角，面角度Fl为两个相交面中心点法向量的夹角，如果边角度满足条件:Al?0°或 Al ^ 180°，面角度满足条件：Fl ^ 0°或Fl ^ 180°，则搜索与相邻面相邻的面，如果不 满足条件就继续搜索，按照此种方法获取的面即为组合曲面。
[0022] 所述的创建投影平面，获取轮廓线中三条最长的边，并分别获取三条边的中点创 建一个平面即为投影平面。
[0023] 所述的获取轮廓线碎边，由于蒙皮零件大多数为双曲率没有办法直接根据曲率判 断碎边是转角边还是普通边，因此通过获取投影线的端点和中心点的连线，计算两条直线 的夹角A2,满足普通边的条件为：A2?0°或A2?180°，如果不满足条件即为转角边，再 根据连接关系依次搜索相邻的边获取轮廓线碎边。
[0024] 所述的获取完整的轮廓线，对于普通边的拟合，先在普通边列表Ll中任意选取一 条边并搜索与其相邻的边，计算角度A3即为相邻两条边端点的连线，所得的两直线的夹 角，判断角度是否满足条件:A3?0°或A3?180°。如果满足条件再继续搜索，直到无法 搜索时停止，碎边存放在列表L2中，对碎边用B样条曲线拟合，将列表Ll中删除列表L2中 的边，将列表L2清空；再一次在普通边列表Ll中任意选取一条边重复上述的方法进行拟 合；对于转角边的拟合方法类似，但是不需要判断边角度是否满足条件；将拟合后的边与 最初完整的边进行接合，创建完整的轮廓线。
[0025] 所述的生成扩展曲面，由于生成的曲面大小有限没有覆盖组合曲面的整体区域， 因此将曲面进行扩展即为扩展面，再用完整轮廓线进行切割。
[0026] 本发明的有益效果是：
[0027] 1、本发明可以将多个蒙皮碎面重新构建成一个完整的面，并且保持边界的完整 性，实现了刀轨编程的完整性。
[0028] 2、本发明自动创建引导线，使系统的自动化程度提高。
[0029] 3、本发明曲面的构建精度高，可以代替原有碎面生成刀轨，计算速度快，提高加工 效率，使加工过程更加稳定。

【专利附图】

【附图说明】
[0030] 图1为本发明的基于特征的蒙皮碎面重构方法流程图。
[0031] 图2为本发明的搜索组合曲面方法示意图，图中SI、S2、S3表示三个曲面，E表示 Sl和S2的交线，Vl和V2表示S2、S3两个相交面中心点法向量。
[0032] 图3为本发明的多种组合曲面示意图。
[0033] 图4为本发明的获取外部轮廓线示意图，图中SI、S2表示两个碎面，L表示Sl和 S2的交线。
[0034] 图5为本发明的判别边类型的方法图，图中El、E2、E3为3条相互连接的边，P1、 P2、P3为边E2和E3的端点，Cl、C2为边E2和E3的中心点，Al为边E2端点与中心点连线 的夹角，A2为边E3端点与中心点连线的夹角。
[0035] 图6为本发明的创建完整轮廓线示意图，图中E1、E2、E3和E4为4条相互连接的 边，PI、P2、P3 和 P4 为边 El、E2、E3 的端点，AU A2、A3 分别边 El 和 E2、E2 和 E3、E3 和 E4 的边角度。
[0036] 图7为本发明的弦高误差示意图，图中C表示曲率圆，L表示曲线，Pp Pp1表示曲 率圆上的两点，Pj表不当如点的曲率半径；0表不为弦
[0037] 图8为本发明的扩展曲面示意图，Sl表示生成的曲面，S2表示延伸后的扩展面。
[0038] 图9为本发明的重构曲面示意图。

【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0040] 如图1所示。
[0041] 一种基于特征的蒙皮碎面重构方法，包括以下步骤：
[0042] 步骤1、从待构建的碎面中选取一个或多个曲面作为工艺曲面并输入相关参数；
[0043] 步骤2、根据工艺曲面搜索与工艺曲面相邻的面，计算边角度Al即为两个相交面 内各引一条直线并且交于交线上同一点，所得的两直线的夹角。面角度Fl即为两个相交 面中心点法向量的夹角，如果边角度满足条件:Al?0°或Al?180°，面角度满足条件： Fl?0°或Fl?180°，则搜索与相邻面相邻的面，如果不满足条件就继续搜索，按照此种 方法获取组合曲面；
[0044] 步骤3、排除组合曲面的重复边界获取其所有的外部轮廓线；
[0045] 步骤4、获取轮廓线中三条最长的边，并分别获取三条边的中点创建投影平面，将 所有外部轮廓线在投影面上进行投影；
[0046] 步骤5、由于蒙皮零件大多数为双曲率没有办法直接根据曲率判断碎边是转角边 还是普通边，因此通过获取投影线的端点和中心点的连线，计算两条边的夹角A2,满足普通 边的条件为：A2?0°或A2?180°，如果不满足条件即为转角边，再根据连接关系依次搜 索相邻的边获取轮廓线碎边；
[0047] 步骤6、将轮廓线进行拟合，获取完整的轮廓线；对于普通边的拟合，先在普通边 列表Ll中任意选取一条边并搜索与其相邻的边，计算角度A3即为相邻两条边端点的连线， 所得的两直线的夹角，判断角度是否满足条件：A3?0°或A3?180°。如果满足条件再 继续搜索，直到无法搜索时停止，碎边存放在列表L2中，对碎边用B样条曲线拟合，将Ll中 删除列表L2中的边，将列表L2清空。再一次在普通边列表Ll中任意选取一条边重复上述 的方法进行拟合。对于转角边的拟合方法类似，但是不需要判断边角度是否满足条件。将 拟合后的边与最初完整的边进行接合，创建完整的轮廓线；
[0048] 步骤7、在拟合后的轮廓线中搜索找到最长的边作为轮廓边，创建引导线；
[0049] 步骤8、根据截平面间距离散引导线，过离散点做截平面并与组合平面求交；
[0050] 步骤9、根据离散精度将交线拟合成B样条曲线，再将样条曲线拟合成曲面；
[0051] 步骤10、计算拟合误差，判断重构曲面是否满足精度要求，如果不满足将离散精度 加倍并重复步骤6、7、8、9 ;
[0052] 步骤11、将曲面进行向外延伸生成扩展曲面；由于生成的曲面大小有限没有覆盖 组合曲面的整体区域，因此将曲面进行扩展即为扩展面，再用完整轮廓线进行切割；
[0053] 步骤12、将完整的轮廓线投影到扩展面上并进行切割，保留与组合曲面重叠的部 分即为重构曲面。
[0054] 下面以蒙皮零件的下陷面作为例子，结合附图作进一步的详细说明。
[0055] 图1是本发明的基于特征的蒙皮碎面重构方法流程图。如图所示，包括以下各步 骤：
[0056] 1、选取工艺曲面并填写相关参数，如：截平面间距指引导线平分点间的距离，离散 精度指最大弦高误差值和初步设定的离散步，重构精度指重构的曲面与理论曲面的接近程 度。
[0057] 2、如图2所示，Sl为工艺曲面，S2表示与工艺曲面相邻的面，Al为边角度即为两 个相交面内各引一条直线并且交于交线上同一点，所得的两直线的夹角，Fl为面角度即为 两个相交面中心点法向量Vl和V2的夹角，如果边角度满足条件:Al?0°或Al?180°， 面角度满足条件：Fl?0°或Fl?180°，则把该面存入列表co_s中并搜索与相邻面相邻 的面S3并再判断是否满足要求，反复搜索直到无法找到符合要求的面为止，按照此种方法 获取的面即为组合曲面表示为：
[0058] co_s = {SI, S2......}。
[0059] 如图3所示，蒙皮零件中，组合曲面的类型多种多样，且组合曲面数量较多，基于 蒙皮特征的碎面重构方法，可以自动快速的完成组合曲面的重构。
[0060] 3、搜索组合曲面中碎面的边界存放在边列表中，将重复的边界在列表中删除，其 余的边界即为组合曲面的外部轮廓线。如图4所示，提取碎面Sl和S2的边界存放在边列 表中，将重复边界L从边列表中删除，其余的边界即为组合曲面的外部轮廓线。
[0061] 4、获取所有轮廓线存放在列表Ll中，计算每条边的长度存放在列表L2中，用比 较法选取3条最长的边，分别获取3条边的中点，过三点创建一个平面即为投影平面，表示 为：
[0062] AX+BY+CZ = D ；
[0063] 其中A、B、C为方程系数，X、Y、Z为未知数，将三个点带入即可求得平面方程；
[0064] 5、遍历所有碎轮廓线的投影线，通过判断投影线是否为直线来判断轮廓线为普通 边还是转角边，具体方法为：如图5所示，设从El开始搜索，通过交点找到与其相邻的边 E2,再继续搜索找到与边E2相邻的边E3按此方法依次搜索，遍历所有的轮廓线，在轮廓线 中判断是普通边还是转角边，如果是普通边存放在列表L1，如果是转角边存放在列表L2， 在两个列表中分别按上述方法搜索得到相互连接的碎边并组合成轮廓线。
[0065] 判断轮廓线为普通边还是转角边的方法如下：
[0066] 如图5所示，选取两条投影线，其端点表示为P1、P2、P3,中心点为C1、C2,将Cl分 别与Pl和P2连线，C2分别与P2和P3连线，计算边夹角Al和A2,判断是否满足普通边的 条件，:A1(A2) ~0°或A1(A2) ^180°，如果不满足为转角边。如图所示，El和E2为普通 边，E3为转角边。
[0067] 6、如图6所示，对于普通边的拟合，在普通边列表Ll中任意选取一条边E2放在列 表L2中，搜索与这条边相邻的边获取El和E3,求得El与E2的角度Al，E2与E3的角度A2， 判断角度是否满足条件，Al (A2)?0°或Al (A2)?180°。经判断El和E3满足条件并存 放在列表L2中并继续搜索与El和E3相邻的边E4和E5,经判断不满足上述条件，因此本次 搜索停止，当搜索不到边时搜索也停止，如果L2中边的数目大于1，则将边利用B样条曲线 进行拟合，拟合的边存放在列表L3中，如果L2中边的数目等于1，则将列表中的边存放在列 表L4中。将Ll中删除列表L2中的边，将L2清空。再一次在普通边列表Ll中任意选取一 条边重复上述的方法进行拟合，拟合的边存放在列表L3中。
[0068] 对于转角边的拟合，从转角边列表L5中任意选取一条边，搜索与其相连的边，存 放在列表L6中，当搜索不到边时，本次搜索停止，如果列表L6中边的数目大于1，则将边利 用B样条曲线进行拟合，拟合的边存放在列表L3中，如果L6中边的数目等于1，则将列表中 的边存放在列表L4中。将列表L5中删除列表L6中的碎边，将L6列表清空，再一次在列表 L5中任意选取一条边重复上述的方法进行拟合，拟合的边存放在列表L3中。
[0069] 具体的拟合方法如下：先将碎边离散成点，离散点之间的间距由等弦高误差和最 大离散步长共同确定。如图7所示，取曲线在第j个离散点&处的曲率圆代替曲线，由于 离散距离微小，所以这样的处理造成的误差可以忽略不计。根据简单的几何关系可知，参数 曲线的弦高误差e如式所示：

【权利要求】
1. 一种基于特征的蒙皮碎面重构方法，其特征在于它包括以下步骤： 步骤1、选取工艺曲面并输入相关参数； 步骤2、根据工艺曲面搜索获取组合曲面； 步骤3、排除组合曲面的重复边界获取其所有的外部轮廓线； 步骤4、创建投影平面，将所有外部轮廓线在投影面上进行投影； 步骤5、根据投影线依次获取轮廓线碎边； 步骤6、将轮廓线进行拟合，获取完整的轮廓线； 步骤7、选取最长的轮廓边，创建引导线； 步骤8、根据截平面间距离散引导线，过离散点做截平面并与组合平面求交； 步骤9、根据离散精度将交线离散成点并拟合成B样条曲线，再将样条曲线拟合成曲 面； 步骤10、计算拟合误差，判断重构曲面是否满足精度要求，如果不满足将离散精度提高 并重复步骤6、7、8、9 ; 步骤11、将曲面进行向外延伸生成扩展曲面； 步骤12、将完整的轮廓线投影到扩展面上并进行切割，保留与组合曲面重叠的部分即 为重构曲面。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的选取工艺曲面是指从待构建的碎面中 选取一个或多个曲面作为工艺曲面。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的获取组合曲面是指根据工艺曲面搜 索与工艺曲面相邻的面，计算边角度A1和面角度F1，边角度A1为两个相交面内各引一条 直线并且交于交线上同一点，所得的两直线的夹角，面角度F1为两个相交面中心点法向 量的夹角，如果边角度满足条件：A1?0°或A1?180°，面角度满足条件：F1?0°或 F1?180°，则搜索与相邻面相邻的面，如果不满足条件就继续搜索，按照此种方法获取的 面即为组合曲面。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的创建投影平面是指获取轮廓线中三条 最长的边，并分别获取三条边的中点创建一个平面即为投影平面。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的获取轮廓线碎边是指由于蒙皮零件 大多数为双曲率没有办法直接根据曲率判断碎边是转角边还是普通边，因此通过获取投 影线的端点和中心点的连线，计算两条直线的夹角A2,满足普通边的条件为：A2?0°或 A2?180°，如果不满足条件即为转角边，再根据连接关系依次搜索相邻的边获取轮廓线 碎边。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的获取完整的轮廓线是指对于普通边的 拟合，先在普通边列表L1中任意选取一条边并搜索与其相邻的边，计算角度A3即为相邻两 条边端点的连线，所得的两直线的夹角，判断角度是否满足条件:A3?0°或A3?180°。 如果满足条件再继续搜索，直到无法搜索时停止，碎边存放在列表L2中，对碎边用B样条曲 线拟合，将列表L1中删除列表L2中的边，将L2清空；再一次在普通边列表L1中任意选取 一条边重复上述的方法进行拟合；对于转角边的拟合方法类似，但是不需要判断边角度是 否满足条件；将拟合后的边与最初完整的边进行接合，创建完整的轮廓线。
7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的生成扩展曲面是指由于生成的曲面大 小有限没有覆盖组合曲面的整体区域，因此将曲面进行扩展即为扩展面，再用完整轮廓线 进行切割。
【文档编号】G05B19/18GK104407567SQ201410570931
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】李迎光, 郝小忠, 徐 明, 李响, 周冠妍 申请人:南京航空航天大学