一种五轴增材几何仿真方法与流程

本发明属于增材加工技术领域，更具体地，涉及一种基于微观长方体增长模型的五轴增材几何仿真方法。

背景技术：

增材加工制造技术是基于离散-堆积原理，通过材料累加的方法制造实体零件的技术。根据所使用的增材材质不同，主要分为两大类：塑料，金属；陶瓷，石膏等也可作为增材加工原材料；现在主要增材技术有熔融沉积型(FDM)、直接金属激光烧结(DMLS)、激光工程化净成形(LENS)，激光选择性烧结(SLS)，立体光刻(SLA)。

相对于发展较早的减材制造技术，增材加工制造技术缺乏成熟的计算机辅助制造(CAM)仿真软件；在减材制造方面，成熟的CAM软件如西门子NX，CATIA提供复杂五轴轨迹仿真功能，模拟加工中材料去除过程，并能检测轨迹加工缺陷如过切、欠切，针对检测出的缺陷进行轨迹优化，提高加工质量。目前在增材加工制造方面，欠缺对复杂轨迹仿真的方法，难以实现增材加工过程中材料逐渐增加过程，不能实现如同减材仿真所具有的功能，制约了增材技术的发展。

在增材过程仿真方面，已有的研究是采用Tri-dexel模型，将工件模型沿x，y，z三个方向分解获得Tri-dexel模型，使用长方体体素，通过Y方向体素的合并，将Tri-dexel模型转化为用大体素表示的单向Dexel模型，再提取三角面片进行显示。此方法实现了平面三轴快速原型过程仿真，但还未能解决复杂的五轴增材轨迹仿真问题。

五轴轨迹运动包括平移，旋转和平移加旋转三种运动，其中平移加旋转运动为主要运动，五轴增材过程仿真的难点在于五轴增材轨迹中刀轴方向不固定，轨迹变化复杂，增材模型计算困难，由于旋转导致刀轴不再固定沿Z轴方向，微观增长模型的求交计算困难，导致五轴增材仿真算法设计难度大。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种通过建立微观长方体增长模型，分解五轴增材加工轨迹，采用布尔运算，利用Tri-dexel模型，计算增材成形模型，再通过三角面片显示增材成形模型，以实现五轴增材过程仿真的五轴增材仿真方法。

本发明的五轴增材几何仿真方法，包括以下步骤：

步骤(1)：建立微观长方体增长模型；

步骤(2)：根据增材轨迹特点优化微观长方体增长模型；

步骤(3)：获取CAM软件中的增材加工轨迹，解析增材加工轨迹文件，获取刀位点信息；

步骤(4)：刀位点之间进行插值，计算五轴增材扫掠体模型；

步骤(5)：将增材扫掠体模型转换为Tri-dexel模型；

步骤(6)：将步骤(5)中的Tri-dexel模型通过三角面片显示。

本发明的五轴增材几何仿真方法，其中，所述步骤(1)具体为：根据增材加工成形过程，建立微观长方体增长模型，激光光斑直径D即为长方体宽W，两插值点之间的距离为长方体长L，解析的层厚为长方体的高H。

本发明的五轴增材几何仿真方法，其中，所述步骤(2)具体为：针对步骤(1)中建立的微观长方体增长模型，优化微观长方体增长模型，即将微观长方体增长模型的末端优化为半圆形状。

本发明的五轴增材几何仿真方法，其中，所述步骤(3)具体为：在CAM软件中，解析输入的五轴增材加工轨迹，提取五轴轨迹的刀位点和刀轴矢量，得到有序的路径点序列P1，P2，…，Pn，点的总数为n，n为正整数。

本发明的五轴增材几何仿真方法，其中，所述步骤(4)具体为：对步骤(3)中获取的刀位点和刀轴矢量根据时间进行线性差值，获得中间差值I1，I2，…，It，t为正整数，根据步骤(2)中获得的优化后的微观长方体增长模型，获得微观长方体增长模型的宽W，长L，高H，生成扫掠体。

本发明的五轴增材几何仿真方法，其中，所述步骤(5)具体为：利用步骤(4)中计算得到的增材扫掠体，计算扫掠体的矩形包容盒，根据包容盒在坐标系中的投影范围规划扫描线，根据刀具的刀轴矢量建立局部坐标系，建立局部坐标系与加工坐标系之间的转换关系，在局部坐标系中，根据矩形包容盒将增材扫掠体沿X，Y，Z三个方向离散，增材扫掠体分解为上下，左右侧平面，开始和终止圆柱面，与X,Y，Z三个方向上的扫描线求交，获得增材扫掠体的Tri-dexel模型，并与之前生成的优化后的微观长方体增长模型求和。

本发明的五轴增材几何仿真方法，其中，所述步骤(6)具体为：根据步骤(5)中获得的Tri-dexel模型，将Tri-dexel模型转化为Voxel模型，再使用Marching Cube算法提取三角面片模型，通过三角面片显示增材成形模型。

本发明有益效果：本发明能够实现增材制造几何仿真，能够完成五轴复杂轨迹的增材仿真过程，能够生成增材成型模型，且生成的增材成形模型可以作为减材加工的输入模型。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本发明建立的微观长方体增长模型；

图2为本发明微观长方体增长模型优化前的示意图；

图3为本发明微观长方体增长模型优化后的示意图；

图4为本发明优化后的微观长方体增长模型的增材扫掠体模型；

图5为本发明中扫描线与斜圆柱面求交图；

图6为本发明的流程图；

图7为本发明中根据差值点计算增材扫掠体示意图；

图8为本发明增材布尔运算的示意图；

图9为本发明实施例一输入的五轴增材轨迹图；

图10为本发明实施例一计算得到的Tri-dexel线框模型图；

图11为本发明实施例一仿真生成的增材成形模型图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-11所示，为了能够实现五轴增材过程仿真，本发明提供了一种五轴增材几何仿真方法，包括以下步骤：

步骤(1)：建立微观长方体增长模型；

步骤(2)：根据增材轨迹特点优化微观长方体增长模型；

步骤(3)：获取CAM软件中的增材加工轨迹，解析增材加工轨迹文件，获取刀位点信息；其中增材加工轨迹文件采用APT格式，APT是一种自动编程语言；在CAM软件NX中称为CLSF(刀位数据文件)；

步骤(4)：刀位点之间进行插值，计算五轴增材扫掠体模型；

步骤(5)：将增材扫掠体模型转换为Tri-dexel模型；

步骤(6)：将步骤(5)中的Tri-dexel模型通过三角面片显示。

所述步骤(1)具体为：根据增材加工成形过程，建立微观长方体增长模型，激光光斑直径D即为长方体宽W，两插值点之间的距离为长方体长L，解析的层厚为长方体的高H。

所述步骤(2)具体为：针对步骤(1)中建立的微观长方体增长模型，优化微观长方体增长模型，即将微观长方体增长模型的末端优化为半圆形状。

所述步骤(3)具体为：在CAM软件中，解析输入的五轴增材加工轨迹，提取五轴轨迹的刀位点和刀轴矢量，得到有序的路径点序列P1，P2，…，Pn，点的总数为n，n 为正整数。

所述步骤(4)具体为：对步骤(3)中获取的刀位点和刀轴矢量根据时间进行线性差值，获得中间差值I1，I2，…，It，t为正整数，根据步骤(2)中获得的优化后的微观长方体增长模型，获得微观长方体增长模型的宽W，长L，高H，生成扫掠体。

所述步骤(5)具体为：利用步骤(4)中计算得到的增材扫掠体，计算扫掠体的矩形包容盒，根据包容盒在坐标系中的投影范围规划扫描线，根据刀具的刀轴矢量建立局部坐标系，建立局部坐标系与加工坐标系之间的转换关系，在局部坐标系中，根据矩形包容盒将增材扫掠体沿X，Y，Z三个方向离散，增材扫掠体分解为上下，左右侧平面，开始和终止圆柱面，与X,Y，Z三个方向上的扫描线求交，获得增材扫掠体的Tri-dexel模型，并与之前生成的优化后的微观长方体增长模型求和。

所述步骤(6)具体为：根据步骤(5)中获得的Tri-dexel模型，将Tri-dexel模型转化为Voxel模型，再使用Marching Cube算法提取三角面片模型，通过三角面片显示增材成形模型。

实施例一：

本实施例提供一种五轴增材几何仿真方法，包括以下步骤：

步骤(1)：建立微观长方体增长模型，如图1所示；

步骤(2)：优化微观长方体增长模型；

本步骤中，根据增材加工的工艺特点，优化微观长方体增长模型，在轨迹拐弯或转角处，直接使用长方体增长模型会出现缝隙如图2所示，将长方体两端优化为半圆柱，如图3所示，优化后的增长模型为增材扫掠体模型。

步骤(3)：获取增材加工工艺模型和CLSF，解析CLSF文件，获取刀位点信息；

本步骤中，根据用户输入的增材加工工艺模型，获取工艺模型中的激光光斑直径D，及微观长方体增长模型高H；解析CLSF文件，获取刀位点的坐标和刀位点处的刀轴方向。

步骤(4)：在相邻刀位点之间进行插值，计算增材扫掠体；

本步骤中，在步骤(3)中获取的相邻刀位点坐标及刀轴信息根据时间进行线性插值，获得中间插值I1，I2，…，It，t为正整数，从而将增材轨迹离散成由插值点构成的许多小线段。根据插值点之间的距离和刀轴方向，计算对应离散点处的增材扫掠体。

步骤5：根据步骤(4)中获得的增材扫掠体，计算扫掠体包容盒，建立扫描线，将增材扫掠体转换为Tri—dexel模型。

本步骤中，根据插值点信息例如I1，I2两点，这两相邻插值点之间为一段增材路径，根据激光光斑直径大小和增材刀路的层厚建立的微观长方体增长模型确定增材扫掠体的最小包容盒，最小包容盒分别沿X，Y，Z的方向在坐标系的投影范围为(minX,maxX,minY,maxY,minZ,maxZ)，根据扫掠体包容盒大小确定扫掠体的Tri-dexel模型的原点：sweptOrigin＝(minX,minY,minZ)，获得X，Y，Z三个方向上的最大坐标值swNumX，swNumY，swNumZ，再根据设定的网格间隔距离girdInterval获得扫描线：

其中swnumX＝(maxX-swepOrigin.x)/girdInterval(取整)

swnumY＝(maxY-swepOrigin.y)/girdInterval(取整)

swnumZ＝(maxZ-swepOrigin.z)/girdInterval(取整)

沿Z方向的扫描线x，y坐标分别为：

x＝swepOrigin.x+n*gridInterval；n∈[0，swnumX]

y＝swepOrigin.y+n*gridInterval；n∈[0，swnumY]

沿X方向的扫描线y，z坐标分别为：

y＝swepOrigin.y+n*gridInterval；n∈[0，swnumy]

z＝swepOrigin.z+n*gridInterval；n∈[0，swnumZ]

沿Y方向的扫描线z，x坐标分别为：

z＝swepOrigin.z+n*gridInterval；n∈[0，swnumZ]

x＝swepOrigin.x+n*gridInterval；n∈[0，swnumX]

得到所有扫描线，再用这些扫描线与增材扫掠体求交。

创建局部坐标系，刀具的轴向为局部坐标系的Z轴，Y轴方向由Z轴与刀具移动方向为向量积确定，X轴方向由Y轴与Z轴向量积确定。如果令(i,j,k分别代表X,Y,Z坐标值)

(分别代表局部坐标系的Z，Y，X轴)创建上述局部坐标系后，刀具在局部坐标系X-Z平面内移动。

增材扫掠体模型表面由规则曲面组成，主要分为增材扫掠体模型的上下、左右侧平面、起始和终止处的圆柱面。将扫描线求交转化为扫描线与平面，扫描线与圆柱面求交。

在所要求交的平面上三个点P1(x1,y1,z2),P2(x2,,y2,z2),P3(x3,y3,z3)平面方程为：

P＝P1+a(P2-P1)+b(P3-P1)

则

求得交点Z值为Z＝b*(z₃-z₁)+a*(z₂-z₁)+z₁

与圆柱面求交，在局部坐标系中，圆柱面方程为C_L＝[r cosθ r sinθ sL]^T，r为圆柱半径，θ为圆柱点与X轴的夹角，L为圆柱的高度。将各个方向的扫描线转换到局部坐标系中。根据局部坐标系与加工坐标系的关系，得到空间转化矩阵transformationMatrix。

通过转换矩阵将扫描线转换到局部坐标系中，与圆柱面求交。交点s1，s2,Δs为比例参数，C为直线AB上到直线PQ最近距离点，为直线AB的方向向量。为圆柱中轴线方向向量。根据勾股定理可解得

可以求得

再通过transformationMatrix逆转换矩阵得到加工坐标系的交点对。

使用扫描线对斜圆柱面求交，建立斜圆柱面方程，将扫描线转换到局部坐标系中。求得交点对。二维圆环沿速度方向V扫掠可得到一个倾斜的圆柱面。在局部坐标系中，设圆环半径为r，圆心位于局部坐标系Z轴上，到原点的距离为Zh，表示扫掠体移动的方向，其扫掠面上任意一点可表示为：

其中s为移动方向的参数，θ为圆环角度参数。

扫描线在局部坐标系中可表示为：

其中A(A_x，A_y，A_z)为扫描线的起点坐标，为扫描线的方向向量。要求得扫描线与圆柱的交点，求解方程：

可得：

其中

通过求解式(5)一元二次方程，可得s1、s2、θ₁、θ₂。判断s1、s2是否在区间[0，1]，确定所求交点是存在。

对圆柱体端面求交，直线与平面求交，获得交点对。由于在求解增材扫掠体的过程中，已经将增材轨迹离散为许多小线段，因此对于每一小段的扫掠体，扫描线只会穿过一次，即每条扫描线与扫掠体最多有两个交点。每条扫描线分别与上述扫掠体的几个部分求交后，可以获得一系列交点，根据扫描线方向的不同，分别比较这些交点的x,y,z方向的最大值和最小值，获得交点对，构成材料堆积区间，进而得到相应方向的Dexel模型。再与已堆积的材料进行布尔运算。形成增材成形材料的Tri—dexel模型。

如图8所示，布尔运算六种情况：

Dexel[mlow,mup]表示已堆积的材料区间，Dexel[slow,sup]表示增材扫掠体区间

1.扫掠体在沿Dexel方向上端进行材料堆积，工件的Dexel区间由[mlow,mup],变为[mlow,sup]；

2.扫掠体在沿Dexel方向下端进行材料堆积，工件的Dexel区间由[mlow,mup]变为[slow,mup]；

3.扫掠体沿Dexel方向的上端堆积，未与堆积的Dexel发生重叠，此时给工件重新分配一个Dexel，新增加的Dexel段在原有Dexel段的后面，保持Dexel链按递减顺序排列；

4.扫掠体沿Dexel方向的下端堆积未与堆积的Dexel发生重叠，此时给工件重新分配一个Dexel，新增加的Dexel段在原有Dexel段的后面，保持Dexel链按递减顺序排列；

5.已堆积的工件链表存在多个区间，扫掠体的Dexel在已堆积工件区间间隙中；扫掠体将区间间隙填充，使工件区间合并。此时需要将重叠更新为[m1low,m2up],并将多余的Dexel删除；

6.工件在坐标点处沿扫描线方向不存在Dexel，此时将扫掠体在该处的Dexel区间添加到已堆积的工件Dexel中；

步骤(6)：检查所有点是否都计算完，若刀位点计算完则将步骤(5)得到的增材成形模型，提取三角面片，使用三角面片显示增材成形模型。

本步骤中，首先检查插值点是否计算完，若未计算完，重复步骤(4)中的计算增材扫掠体，若插值点计算完，再检查刀位点(步骤3中获得的CLSF原始刀位点)是否都计算完，未计算完则重复步骤(4)及后续步骤，若刀位点也计算完，将步骤(5)中计算得到的最终增材成形模型的Tri-dexel模型，转换为Voxel模型，再使用MarchingCub算法提取模型的三角面片。使用三角面片显示增材成形模型。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。