产品三角网格模型的环切粗加工nc刀轨生成方法

专利名称：产品三角网格模型的环切粗加工nc刀轨生成方法
技术领域：
本发明提供一种产品三角网格模型的环切粗加工NC刀轨生成方法，属于计算机辅助制造 技术领域。
背景技术：
在产品逆向工程中，通常采用激光扫描仪等设备获取产品实体模型表面的散乱点云数据， 并对该数据进行三角剖分生成三角网格模型，逼近原实体模型。基于三角网格模型直接生成 数控加工刀轨，可避免产品CAD模型的重建过程及模型重建的累计误差，从而有效提高基 于逆向工程的产品开发效率及加工精度。
对现有技术文献检索发现，刘磊等在学术期刊《华中理工大学学报》1999， 27(2): P10-12 上发表的学术论文"基于仿型测量数据的层切法数控加工"中，将仿型测量数据数据剖分为 三角多面体模型，将该三角多面体模型与切削平面求交获取轮廓环，依据轮廓环间的拓扑关 系确定加工区域，偏置轮廓环生成环切粗加工NC刀轨，在加工过程中所选刀具的尺寸、形 状必须与测头一致，严重制约了其应用范围，算法适用性差。刘芬等在学术期刊《计算机工 程与设计》2003， 24(11): P119-12上发表的学术论文"多实体截面轮廓环的管理及边界的自 动提取"中，对由实体生成的STL文件进行分层，并获取封闭的轮廓环，采用二叉树组织轮 廓环间的拓扑关系，确定加工区域，通过对轮廓环进行偏置生成环切粗加工NC刀轨，该方 法只适用于实体模型，不能对非封闭的三角网格模型生成正确的加工刀轨。
综上所述，现有文献中所述方法对一般三角网格模型不能有效的提取出其轮廓环，并进 行相应的拓扑关系建立以实现环切加工刀路的生成，基于三角网格模型快速生成环切粗加工 NC刀轨成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容
本发明的目的在于提供一种能克服上述缺陷、适应性强的产品三角网格模型的环切粗加 工NC刀轨生成方法
一种产品三角网格模型的环切粗加工NC刀轨生成方法，其特征在于步骤依次为1)改
进Rt树得到适合于存储产品三角网格模型的动态空间索引结构基于该结构建立产 品三角网格模型的动态空间索引结构；2)基于产品三角网格模型的动态空间索引结构快速建立三角网格模型的Z向包络面；3)采用11*3-树建立包络面的动态空间索引结构，基于该结 构对包络面与切削平面进行求交，获取各轮廓环，并逐个调整轮廓环方向；4)建立嵌套加工 单元，组织各轮廓环之间的拓扑关系，确定各加工区域；5)对轮廓环进行等距偏置生成环切 粗加工NC刀轨。
为实现发明目的，所述的一种产品三角网格模型的环切粗加工NC刀轨生成方法，在步 骤l)中，改进R、树动态空间索引数据结构得到R+S-树的方法具体是将三角面片及索引结
点MBR即最小包国矩形统一表示为四维点对象(;c,y,z，/0 ，其中x， 乂 z为MBR中心坐标，/
为MBR外接球半径值，通过三角面片集合的聚类分簇，构建产品三角网格模型动态空间索 引结构。
为实现发明目的，所述的一种产品三角网格模型的环切粗加工NC刀轨生成方法，在步 骤2)中，在笛卡尔坐标系中计算产品三角网格模型在:cqy面内投影的轴向包围矩形Box，将 Box的各边均匀向外偏置，偏置距离d为刀具半径、加工余量与加工公差之和，将偏置后的 Box划分为网格点阵，网格间距为加工误差S;采用投影法计算网格中的每个网格点对应的
刀位点，并分两种情况处理(l)刀位点存在，以刀位点的Z向高度作为该网格点的高度；(2)
刀位点不存在，以模型底部高度作为该网格点的高度，依次连接各网格点获取三角网格模型 的包络面。
为实现发明目的，所述的一种产品三角网格模型的环切粗加工NC刀轨生成方法，在步 骤2)中，投影法计算刀位点的过程具体是以网格点为驱动点，以Z向为刀具轴向，将刀具
从高处沿由驱动点及刀具轴向确定的轴线落下时，若与三角网格模型相接触，则刚接触时刀 具的位置即为该驱动点对应的刀位点。
为实现发明目的，所述的一种产品三角网格模型的环切粗加工NC刀轨生成方法，在步 骤3)中，获取各轮廓环的方法具体是以垂直于Z轴的粗加工层所在平面为切削平面，依据
切削平面与三角网格模型空间索引结构各层结点的位置关系，逐层查找与切削平面相交的各 层索引结点，最终获取与切削平面相交的数据结点，进而获取与切削平面相交的三角面片， 将三角面片与切削平面求交获取交线段后，采用跟踪法对交线段进行排序获取轮廓环。
为实现发明目的，所述的一种产品三角网格模型的环切粗加工NC刀轨生成方法，在步
骤4)中，加工区域的确定方法具体是依据轮廓环所截三角面片的法矢调整轮廓环的环向，
使得待去除的材料均位于轮廓环的左侧，依据各轮廓环的环向及它们之间的包含关系建立嵌 套加工单元，组织各轮廓环之间的拓扑关系确定各加工区域。
为实现发明目的，所述的一种产品三角网格模型的环切粗加工NC刀轨生成方法，在步骤4)中嵌套加工单元的建立过程具体是每个嵌套加工单元由一个逆时针轮廓环、该逆时针 轮廓环直接包含的顺时针廓环的序列￡ j及该逆时针轮廓环直接包含的子嵌套加工单元的序 列Z一C构成，先为各逆时针轮廓环建立初始化嵌套加工单元"//，该加工单元ce/Z仅包含一个 由逆时针轮廓环确定的边界环，建立首层嵌套加工单元序列Z，初始为空，令当前序列S等 于首层嵌套加工单元序列丄，当前待插入的初始化嵌套加工单元为Ce//_J'W^W，则各边界环环 之间的嵌套关系的构建步骤如下(1):检测待插入初始化嵌套加工单元的边界环 与当前序列S中各嵌套加工单元的边界环之间的包含关系；(2):如果待插入初始化嵌套加工 单元"//jmew的边界环不被当前序列S中任何嵌套加工单元的边界环所包含，直接将待插 入初始化嵌套加工单元ce//—/"^W添加到当前序列S中，执行(5); (3):如果待插入初始化嵌 套加工单元ce/Zj"sert的边界环包含当前序列S中嵌套加工单元ce//_l、 ce//_2……、ce//—n 的边界环，将嵌套加工单元ce〃—1、 ce〃一2……、"//_11作为"〃—z7wew直接包含的子嵌套加工 单元的序列Z—c，并在当前序列S中删除嵌套加工单元ce//—1、 "〃一2 、 ce//—n，执行(5);
(4):如果待插入初始化嵌套加工单元cell—insert的边界环被当前序列S中嵌套加工单元ce// 的边界环所包含，令当前序列S为嵌套加工单元ce//直接包含的子嵌套加工单元的序列￡_c， 执行(l); (5):如果下一待插入初始化嵌套加工单元存在，令当前序列S为首层嵌套加工单元 序列￡，待插入初始化嵌套加工单元"//_/似6^为下一待插入嵌套加工单元，执行(l)，否则各 边界环环之间的嵌套关系构建完毕，执行(6); (6):深度优先遍历嵌套加工单元，将各顺时针 环添加到边界环直接包含它的加工单元中，完成所获取轮廓环的嵌套加工单元序列的建立。 建立完毕后，每个加工单元对应于一个由其边界环及其边界环直接包含的顺时针廓环确定加 工区域。
本发明与现有技术相比，具有以下三个优点-
(1) 采用投影法计算包络面的网格点高度，保证了后续生成的刀轨不存在干涉；
(2) 通过建立包络面获取各轮廓环，避免了原始三角网格模型中间隙、重叠及孔洞的影 响，算法适应性强；
(3) 通过建立加工单元组织各轮廓环之间的包含关系确定加工区域，快速准确实现了各 加工区域的获取。


图l是本发明程序流程图2是本发明实施例一中汽车引擎盖三角网格模型的动态空间索引结构各层索引结点 MBR模型图3是本发明包络面建立过程中网格点的获取过程示意图；图4是本发明中刀位点计算示意图； 图5是本发明所建立的包络面； 图6是本发明轮廓环获取过程示意图； 图7是本发明环切刀轨生成程序流程图； 图8是本发明轮廓环环形调整示意图9是本发明中嵌套加工单元的数据结构及其具体应用； 图10是本发明实施例一中生成的单层环切刀轨； 图ll是本发明实施例一的环切粗加工NC刀轨及其仿真效果； 图12是本发明实施例二中人脸面部三角网格模型生成的刀轨及其仿真效果。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明
图1是本发明三角网格模型的环切粗加工NC刀轨生成程序的实现流程图。动态空间索 引结构构建程序1负责读入三角网格模型数据，并为其建立动态空间索引结构，基于该空间
索引结构调用包络面建立程序2实现包络面的建立，调用程序1为包络面建立动态空间索引 结构，调用轮廓环获取程序3深度优先遍历包络面的动态空间索引结构，对切削平面与包络 面进行快速求交，对交点进行排序获取轮廓环，调用环切刀轨生成程序4对获取的各轮廓环 进行调整并建立嵌套加工单元确定加工区域，偏置轮廓环生成环切加工刀轨。 实施例一对如图2a)所示的三角网格模型生成环切粗加工NC刀轨。 图2是本发明调用动态空间索引结构构建程序1对汽车引擎盖三角网格模型所建立的动 态空间索引结构各层结点MBR模型图。实例所用三角网格模型三角面片数量为14325,所采 用的索引参数附=8、 M=20，重新插入结点数及=6，其中，图2a)显示了汽车引擎盖三角网格 模型，图2b)显示了动态空间索引结构根结点MBR,图2c)显示了第二层结点MBR，图2d) 显示了第三层结点MBR叶结点MBR，图2e)显示了叶结点MBR，图2f)显示了数据结点 MBR。该实验表明，采用动态空间索引结构可准确实现三角网格模型数据的空间聚类划分。
包络面建立程序2的实现过程在笛卡尔坐标系中，计算三角网格模型在JcQy面上的包 围盒Box,向外偏置Box的各边，偏置距离d为刀具半径、加工余量与加工公差之和，值为 7.0，将Box划分为网格点阵，网格间距为加工误差f，取值为l.O。以Z向为刀具轴线，以 投影法计算网格中的每个网格点对应的刀位点，并分两种情况处理1)刀位点存在，以Z向 高度作为该网格点的高度；2)刀位点不存在，以模型底部高度作为该网格点的高度。设Box 共有216X174个网格点，/^)位于网格模型中第/行/列，其中1^、216，1"、174。依次连其中l《K 216,1 174，建立网格模型的包络面。如图3a)为三角网格模型在xQy面上的
Box及其边界偏置示意图，如图3b)为Box网格划分示意图；如图4投影法计算刀位点示意 图，刀具从高处沿Z轴落下时，如与三角网格模型相接触，根据刀具几何体表面与三角片的 位置关系计算接触时刀位点高度；如图5为所建立的包络面。
图6为本发明中轮廓环获取过程示意图。图6a)、图6b)为査询到的与切削平面相交的各 层索引结点，图6c)为査询到的与切削平面相交的数据结点，图6d)为査询到的与切削平面相 交的三角面片，图6e)为交点经排序后生成的轮廓环。
图7为本发明环切刀轨生成程序流程图。轮廓环环向调整程序5负责调整各轮廓环环向， 以保证轮廓环左侧始终为加工区域；嵌套加工单元建立程序6通过建立轮廓环的存储结构， 构建各轮廓环之间的拓扑关系，确定加工区域；轮廓偏置程序7对同一加工区域内各轮廓环 进行偏置实现环切粗加工NC刀轨的生成。
图8为本发明轮廓环环形调整示意图。获取轮廓环上一单段交线段所在三角面片，将该
三角面片的法矢W投影切削平面上得向量/I'，根据轮廓环的走向获取交线段的方向向量V，
如向量/l'在方向向量V的右侧则该环走向符合规则，否则对轮廓环进行倒序处理，调整后使
得轮廓环左侧始终为加工区域。
图9为本发明嵌套加工单元的数据结构及其具体应用。每个嵌套加工单元由一个逆时针 轮廓环、逆时针轮廓环直接包含的顺时针廓环的序列L—s及逆时针轮廓环直接包含的子嵌套 加工单元的序列Z—c构成，如图9a)为嵌套加工单元数据结构的示意图，先为各逆时针轮廓环 建立初始化嵌套加工单元ce仏该加工单元ce/M又包含一个由逆时针轮廓环确定的边界环，建 立首层嵌套加工单元序列￡，初始为空，令当前序列S等于首层嵌套加工单元序列丄，当前待 插入的初始化嵌套加工单元为ce//_/raeW，则各边界环环之间的嵌套关系的构建步骤如下(1): 检测待插入初始化嵌套加工单元的边界环与当前序列S中各嵌套加工单元的边界 环之间的包含关系；(2):如果待插入初始化嵌套加工单元"//_^^^的边界环不被当前序列5 中任何嵌套加工单元的边界环所包含，直接将待插入初始化嵌套加工单元添加到 当前序列S中，执行(5); (3):如果待插入初始化嵌套加工单元ce/Zj似eW的边界环包含当前 序列S中嵌套加工单元、ce//_2 、ce//_n的边界环，将嵌套加工单元ce//—1 、"//_2 、
n作为ce/Z」7w抓直接包含的子嵌套加工单元的序列丄—c，并在当前序列S中删除嵌套加 工单元ce//—1、 ce//—2 、 ce//_n，执行(5); (4):如果待插入初始化嵌套加工单元cell_insert的边界环被当前序列S中嵌套加工单元ce//的边界环所包含，令当前序列S为嵌套加工单元
"//直接包含的子嵌套加工单元的序列^—C，执行(l); (5):如果下一待插入初始化嵌套加工单
元存在，令当前序列s为首层嵌套加工单元序列z:,待插入初始化嵌套加工单元ce//—/raew
为下一待插入嵌套加工单元，执行(l)，否则各边界环环之间的嵌套关系构建完毕，执行(6); (6):深度优先遍历嵌套加工单元，将各顺时针环添加到边界环直接包含它的加工单元中，完
成所获取轮廓环的嵌套加工单元序列的构建。建立完毕后，每个加工单元对应于一个由其边
界环及其边界环直接包含的顺时针廓环确定加工区域。如图9b)中逆时针环①、 ,顺时针环 @、③的嵌套加工单元如图9c)，确定的加工区域为A和B。
图IO为本发明实施例一中生成的单层环切刀轨。以包络面的边界为毛坯边界对求交获取 的顺指针环添加边界环(逆时针环)并建立嵌套加工单元确定加工区域后，偏置加工单元内的 各轮廓环获取单层环切粗加工NC刀轨。
图11为本发明实施例一的环切粗加工NC刀轨及其仿真效果，其中图lla)为环切粗加工 NC刀轨，图lib)为图lla)中刀轨的切削仿真效果；
实施例二对如图12a)人脸面部三角网格模型生成环切粗加工NC刀轨，方法同上，生 成的环切粗加工NC刀轨如图12b)所示，切削仿真效果如图12b)所示； 其他产品三角网格模型的环切粗加工NC刀轨生成方法同上。
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权利要求
1、一种产品三角网格模型的环切粗加工NC刀轨生成方法，其特征在于步骤依次为1)改进R*-树得到适合于存储产品三角网格模型的动态空间索引结构R*S-树，基于该结构建立产品三角网格模型的动态空间索引结构；2)基于产品三角网格模型的动态空间索引结构快速建立三角网格模型的Z向包络面；3)采用R*S-树建立包络面的动态空间索引结构，基于该结构对包络面与切削平面进行求交，获取各轮廓环，并逐个调整轮廓环方向；4)建立嵌套加工单元，组织各轮廓环之间的拓扑关系，确定各加工区域；5)对轮廓环进行等距偏置生成环切粗加工NC刀轨。
2、 如权利要求1所述的产品三角网格模型的环切粗加工NC刀轨生成方法，其特征在于步骤l)中，改进R、树动态空间索引数据结构得到RtS-树的方法具体是将三角面片及索引 结点MBR即最小包围矩形统一表示为四维点对象Oe，y，z，/"),其中u, z为MBR中心坐标，r为MBR外接球半径值，通过三角面片集合的聚类分簇，构建产品三角网格模型动态空间索 引结构。
3、 如权利要求1所述的产品三角网格模型的环切粗加工NC刀轨生成方法,其特征在于 步骤2)中，在笛卡尔坐标系中计算三角网格模型在;cQv面内投影的轴向包围矩形Box，将 Box的各边均匀向外偏置，偏置距离d为刀具半径、加工余量与加工公差之和，将偏置后的 Box划分为网格点阵，网格间距为加工误差S;采用投影法计算网格中的每个网格点对应的 刀位点，并分两种情况处理(l)刀位点存在，以刀位点的Z向高度作为该网格点的高度；(2)刀位点不存在，以模型底部高度作为该网格点的高度，依次连接各网格点获取三角网格模型 的包络面。
4、 如权利要求3所述的产品三角网格模型的环切粗加工NC刀轨生成方法，其特征在于 步骤2)中，投影法计算刀位点的过程具体是以网格点为驱动点，以Z向为刀具轴向，将刀具从高处沿由驱动点及刀具轴向确定的轴线落下时，若与三角网格模型相接触，则刚接触时 刀具的位置即为该驱动点对应的刀位点。
5、 如权利要求1所述的产品三角网格模型的环切粗加工NC刀轨生成方法,其特征在于 步骤3)中，获取各轮廓环的方法具体是以垂直于Z轴的粗加工层所在平面为切削平面，依据切削平面与三角网格模型空间索引结构各层结点的位置关系，逐层査找与切削平面相交的 各层索引结点，最终获取与切削平面相交的数据结点，进而获取与切削平面相交的三角面片，将三角面片与切削平面求交获取交线段后，采用跟踪法对交线段进行排序获取轮廓环。
6、如权利要求l所述的产品三角网格模型的环切粗加工NC刀轨生成方法，其特征在于: 步骤4)中，加工区域的确定方法具体是依据轮廓环所截三角面片的法矢调整轮廓环的环向， 使得待去除的材料均位于轮廓环的左侧，依据各轮廓环的环向及它们之间的包含关系建立嵌 套加工单元，组织各轮廓环之间的拓扑关系确定各加工区域。
7.如权利要求6所述的产品三角网格模型的环切粗加工NC刀轨生成方法，其特征在于 嵌套加工单元的建立过程具体是每个嵌套加工单元由一个逆时针轮廓环、该逆时针轮廓环 直接包含的顺时针廓环的序列丄j及该逆时针轮廓环直接包含的子嵌套加工单元的序列Z_C 构成，先为各逆时针轮廓环建立初始化嵌套加工单元ce//,该加工单元ce/Z仅包含一个由逆时 针轮廓环确定的边界环，建立首层嵌套加工单元序列Z，初始为空，令当前序列S等于首层 嵌套加工单元序列丄，当前待插入的初始化嵌套加工单元为ce/ZjmeW，则各边界环环之间的嵌套关系的构建步骤如下(1):检测待插入初始化嵌套加工单元"//—/"WW的边界环与当前 序列S中各嵌套加工单元的边界环之间的包含关系；(2):如果待插入初始化嵌套加工单元的边界环不被当前序列S中任何嵌套加工单元的边界环所包含，直接将待插入初始化嵌套加工单元"//—/"MW添加到当前序列S中，执行(5); (3):如果待插入初始化嵌套加工 单元ce//—/raew的边界环包含当前序列S中嵌套加工单元ce//_l、ce//_2 、ce//—n的边界环，将嵌套加工单元ce//—1、 ce//_2 、 ce/Z—n作为ce//jraeW直接包含的子嵌套加工单元的序列丄—c,并在当前序列S中删除嵌套加工单元"//—1、 ce//—2……、ce〃_n,执行(5); (4):如果待 插入初始化嵌套加工单元celljnsert的边界环被当前序列S中嵌套加工单元"//的边界环所包 含，令当前序列S为嵌套加工单元c^/直接包含的子嵌套加工单元的序列丄^，执行(l); (5): 如果下一待插入初始化嵌套加工单元存在，令当前序列5"为首层嵌套加工单元序列丄，待插 入初始化嵌套加工单元"//jTweW为下一待插入嵌套加工单元，执行(l)，否则各边界环环之 间的嵌套关系构建完毕，执行(6); (6):深度优先遍历嵌套加工单元，将各顺时针环添加到边 界环直接包含它的加工单元中，完成所获取轮廓环的嵌套加工单元序列的建立。建立完毕后， 每个加工单元对应于一个由其边界环及其边界环直接包含的顺时针廓环确定加工区域。
全文摘要
本发明提供一种产品三角网格模型的环切粗加工NC刀轨生成方法，其特征在于采用R^*S-树动态空间索引结构组织产品三角网格模型的拓扑近邻关系，基于该动态索引结构快速建立产品三角网格模型的Z向包络面，采用R^*S-树建立包络面的动态空间索引结构，基于该结构对包络面与切削截平面进行求交，获取各轮廓环，逐个调整轮廓环方向，建立各轮廓环之间的拓扑关系，确定加工区域，对轮廓环进行等距偏置获取环切粗加工刀轨，实例证明该算法可生成各种复杂产品三角网格模型的环切粗加工刀轨，算法的适应性强。
文档编号G05B19/4099GK101515168SQ20091002020
公开日2009年8月26日 申请日期2009年3月26日 优先权日2009年3月26日
发明者健 刘, 孙殿柱, 崔传辉, 朱昌志 申请人:山东理工大学