CN101025831A - 复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法 - Google Patents

复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法，其特征在于步骤依次为：(1)采集数据并对其进行预处理；(2)创建初始波前环；(3)定义饱和点、自由点、波前边、波前点、波前边两翼及边张角，生成原始测量数据的网格模型；(4)计算所有结点的法矢，计算沿法矢偏移后的数据点坐标值，生成偏移层数据点的三角网格单元；(5)缝合原始层和偏移层的边界；(6)输出STL文件，制作原型样件。采用本方法大大缩短了产品生产周期、提高了成型产品的质量。

Description

复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法
所属技术领域
本发明提供一种复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法，属于快速原型技术领域。
背景技术
在产品的曲面构建及快速成型中，构建曲面通常有两种方法：一种方法是中轴法，将空间测量数据点投影到平面上实现的二维划分方法，对每一个投影点划定一个区域，区域的边界由结点与相邻结点连线的中垂线所构成，连接两相邻区域中的结点可以形成三角网格曲面；另一种方法是采用局部增量法，在已生成网格曲面的边界上，根据相同法则向外扩展网格曲面，具体揭示在授予Bernardini等人的美国发明专利NO.6,968,299中，从一个种子单元开始，令半径为r的球沿着单元的边旋转，把与旋转球相交的测量点作为插入节点，依次循环，生成产品的网格曲面。
上述方法存在的缺陷是：对开曲面产品构建的曲面网格不封闭，对其进行分层处理后无法生成加工路径，且存在构建网格曲面时间长、网格曲面不能真实地反映产品外形、存在薄元及冗余单元等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法，以缩短产品生产周期、提高产品质量。其技术方案为：
一种复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法，其特征在于步骤依次为：(1)采集数据并对其进行预处理；(2)创建初始波前环；(3)定义饱和点、自由点、波前边、波前点、波前边两翼及边张角，生成原始测量数据的网格模型；(4)计算所有结点的法矢，计算沿法矢偏移后的数据点坐标值，生成偏移层数据点的三角网格单元；(5)缝合原始层和偏移层的边界；(6)输出STL文件，制作原型样件。
为实现发明目的，所述的复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法，在步骤1中，用激光测量机采集实物的表面数据，并采用R*-tree作为索引结构建立散乱点的拓扑邻接关系，并用剪枝策略计算每个数据点的K近邻。
为实现发明目的，所述的复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法，步骤2中，在测量数据中选取Z坐标最大的数据点并查找与其空间距离最近的两个点，然后将这三个点连接为三角形，调整该三角形顶点的排列顺序使其法矢指向与Z坐标轴指向一致，将调整后的三角形作为初始波前环，同时将其定义为当前波前环。
为实现发明目的，所述的复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法，在步骤3中，定义波前环内的网格点为饱和点，定义波前环外的点为自由点，定义波前环上的点为波前点，定义波前环上的边为波前边，定义共享波前边的两个三角形为波前边的两翼，定义共享一个顶点的两条波前边的夹角为顶点的边张角。
为实现发明目的，所述的复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法，在步骤3中，生成网格模型的具体步骤为：①取当前波前环的任意非边界边作为当前波前边E0；②查找当前波前边E0的两端点P01和P02的K近邻，K的取值在8～20，具体根据数据点分布的均匀程度设定；③在两端点P01与P02邻近点的交集中，选择非饱和且其对应当前波前边E0两翼法矢夹角小于90°的点构成当前波前边E0的候选点集；④将候选点集中的候选点按照边张角由大到小的顺序排序；⑤从候选点集中选择匹配点，通常选择边张角最大的候选点为匹配点Q，如果边张角最大的候选点P0和边张角次大的候选点P1的边张角值之差小于给定的阈值，则匹配点Q选定候选点P1；⑥根据匹配点Q的查询情况，更新波前环及标记数据点：(a)如果当前波前边E0找不到匹配点Q，则标记当前波前边E0为边界边；(b)如果匹配点Q是自由点，则生成新单元ΔQP01P02，用两条新波前边P01Q和QP02代替当前波前边E0，将匹配点Q的状态由自由点改为波前点；(c)如果匹配点Q是相邻波前点，则生成新单元ΔQP01P02，用新波前边P01Q代替当前波前边E0及其相邻边E1，同时将当前波前边E0和相邻边E1的公共端点P02的状态由波前点改为饱和点；(d)如果匹配点Q是波前点且不是当前波前边E0的相邻波前点，则波前环被新三角形单元ΔQP01P02分裂生成两个与其旋向一致的新波前环；⑦判断当前波前环的扩展是否结束，波前环扩展结束时的两种情况为：一是当前波前环中只剩下3条边，且这3条边不是初始波前环，则用这三条边组成新的三角形单元；二是当前波前环中所有波前边都是边界边，将该当前波前环标记为边界环，如果当前波前环扩展未结束，则重复上述步骤①～⑥继续扩展，直到当前波前环扩展结束；⑧判断是否存在非边界环，如果有，将其作为当前波前环，并重复上述步骤①～⑦继续扩展，直到当前波前环扩展结束，当所有的波前环均为边界环时，原始测量数据的三角剖分过程结束。
为实现发明目的，所述的复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法，在步骤4中，假设曲面的偏置量为δ，δ应小于最小网格边长，以共享结点的所有三角单元的平均法矢为结点法矢，将每个数据点按照给定的偏置方向沿其法矢线偏移δ，产生与原结点对应的新结点，如此遍历每个结点生成一组偏移数据，重复步骤3生成偏移层网格。
为实现发明目的，所述的复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法，在步骤5中，将原始数据和偏移数据的边界点作为新的划分对象，生成内外边界的网格单元以实现两片网格的缝合。
为实现发明目的，所述的复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法，在步骤6中，输出网格单元的标准STL格式文件至快速原型机，进行分层、做导路、做支撑后，制作原型样件。
本发明与现有技术相比，具有以下四个优点：
(1)在寻找匹配点的过程中，通过识别饱和点和限制两翼法矢夹角就可以避免三角形单元自相交和包含现象，节省了大量的判断时间；
(2)在匹配点的查找过程中，对边张角的大小限制能够产生局部最优的三角形单元；
(3)在波前环更新及分裂的过程中，环的旋向始终保持不变，保证了网格模型中所有三角面片法矢指向的一致性；
(4)对网格进行了偏置和缝合处理生成了封闭的三角网格模型。
附图说明
图1是本发明实施例1曲面构建过程中匹配点是自由点时生成新单元的示意图；
图2是本发明实施例1曲面构建过程中匹配点是相邻波前点时生成新单元的示意图；
图3是本发明实施例1曲面构建过程中生成新单元时的分裂现象示意图；
图4是本发明实施例1中曲面构建的流程图；
图5是本发明实施例1产生的三角网格模型的光照渲染图；
图6是本发明实施例2产生的三角网格模型的光照渲染图；
图7是本发明实施例3产生的三角网格模型的光照渲染图。
具体实施方式
实施例1：对人头模型进行曲面构建与快速成型，其实验步骤为：
1、用激光测量机获取人头模型的表面数据，数据点个数为40146，并采用R*-tree作为索引结构建立散乱点的拓扑邻接关系，并用剪枝策略计算每个数据点的K近邻，由于在眼睛、耳朵和鼻子等具有复杂特征的地方采集后保留的数据点比较密集，而在其他部位保留的数据点相对稀疏，因此取K＝20；
2、在测量的40146个数据中，选取Z坐标最大的数据点并查找与其空间距离最近的两个点，然后将这三个点连接为三角形，调整该三角形顶点的排列顺序使其法矢指向与Z坐标轴指向一致，将调整后的三角形作为初始波前环，并将其作为当前波前环；
3、定义波前环内的网格点为饱和点，定义波前环外的点为自由点，定义波前环上的点为波前点，定义波前环上的边为波前边，定义共享波前边的两个三角形为波前边的两翼，定义共享一个顶点的两条波前边的夹角为顶点的边张角，然后生成网格模型，其具体步骤为：①取当前波前环的任意非边界边作为当前波前边E0；②查找当前波前边E0的两端点P01和P02的K近邻；③在两端点P01与P02邻近点的交集中，选择非饱和且其对应当前波前边E0两翼法矢夹角小于90°的点构成当前波前边E0的候选点集；④将候选点集中的候选点按照边张角由大到小的顺序排序；⑤从候选点集中选择匹配点，通常选择边张角最大的候选点为匹配点Q，如果边张角最大的候选点P0和边张角次大的候选点P1的边张角值之差小于5，则匹配点Q选定候选点P1；⑥根据匹配点Q的查询情况，更新波前环及标记数据点：(a)如果当前波前边E0找不到匹配点Q，则标记当前波前边E0为边界边；(b)如果匹配点Q是自由点，则如图1所示，生成新单元ΔQP01P02，用两条新波前边P01Q和QP02代替当前波前边E0，将匹配点Q的状态由自由点改为波前点；(c)如果匹配点Q是相邻波前点，则如图2所示，生成新单元ΔQP01P02，用新波前边P01Q代替当前波前边E0及其相邻边E1，同时将当前波前边E0和相邻边E1的公共端点P02的状态由波前点改为饱和点；(d)如果匹配点Q是波前点且不是当前波前边E0的相邻波前点，则如图3所示，波前环F0被新三角形单元ΔQP01P02分裂生成两个与其旋向一致的新波前环F1和F2；⑦判断当前波前环的扩展是否结束，波前环扩展结束时的两种情况为：一是当前波前环中只剩下3条边，且这3条边不是初始波前环，则用这三条边组成新的三角形单元；二是当前波前环中所有波前边都是边界边，将该当前波前环标记为边界环，如果当前波前环扩展未结束，则重复上述步骤①～⑥继续扩展，直到当前波前环扩展结束；⑧判断是否存在非边界环，如果有重复上述步骤①～⑦继续扩展，直到当前波前环扩展结束，当所有的波前环均为边界环时，原始测量数据的三角剖分过程结束。
4、设定曲面的偏置量δ等于2.5mm，以共享结点的所有三角单元的平均法矢为结点法矢，将40146个数据点按照给定的偏置方向沿其法矢线偏移2.5mm，产生与原结点对应的新结点，如此遍历每个结点生成一组偏移数据，重复步骤3生成偏移层网格。
5、将40146个原始数据和偏移数据的边界点作为新的划分对象，生成内外边界的网格单元以实现两片网格的缝合，由初始化波前环到完成曲面构建的流程如图4所示，生成的三角面片数为156780，耗时为17s，产生的人头三角网格模型的光照渲染效果如图5所示。
6、输出网格单元的标准STL格式文件至快速原型机，进行分层、做导路、做支撑后，制作原型样件。
实施例2：对Venus头像模型进行曲面构建与快速成型，其实验步骤同实施例1，只是在步骤1中，用激光测量机获取Venus头像模型的19928个表面数据点，寻找的近邻点个数为10；在步骤4中，网格模型的偏置厚度为3mm，产生的三角网格模型的光照渲染效果如图6所示，面片数为39473，耗时为14s。
实施例3：对兔子模型进行曲面构建与快速成型，其实验步骤同实施例1，只是在步骤1中，用激光测量机获取兔子头像模型的34833个表面数据点，寻找的近邻点个数为12；在步骤4中，网格模型的偏置厚度为3mm，产生的三角网格模型的光照渲染效果如图7所示，面片数为134456，耗时为15s。
其它复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法同上。

Claims (8)

1、一种复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法，其特征在于步骤依次为：(1)采集数据并对其进行预处理；(2)创建初始波前环；(3)定义饱和点、自由点、波前边、波前点、波前边两翼及边张角，生成原始测量数据的网格模型；(4)计算所有结点的法矢，计算沿法矢偏移后的数据点坐标值，生成偏移层数据点的三角网格单元；(5)缝合原始层和偏移层的边界；(6)输出STL文件，制作原型样件。
2、如权利要求1所述的复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法，其特征在于：步骤1中，用激光测量机采集实物的表面数据，并采用R*-tree作为索引结构建立散乱点的拓扑邻接关系，并用剪枝策略计算每个数据点的K近邻。
3、如权利要求1所述的复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法，其特征在于：步骤2中，在测量数据中选取Z坐标最大的数据点并查找与其空间距离最近的两个点，然后将这三个点连接为三角形，调整该三角形顶点的排列顺序使其法矢指向与Z坐标轴指向一致，将调整后的三角形作为初始波前环，同时将其定义为当前波前环。
4、如权利要求1所述的复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法，其特征在于：步骤3中，定义波前环内的网格点为饱和点，定义波前环外的点为自由点，定义波前环上的点为波前点，定义波前环上的边为波前边，定义共享波前边的两个三角形为波前边的两翼，定义共享一个顶点的两条波前边的夹角为顶点的边张角。
5、如权利要求1所述的复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法，其特征在于：步骤3中，生成网格模型的具体步骤为：①取当前波前环的任意非边界边作为当前波前边E0；②查找当前波前边E0的两端点P01和P02的K近邻，K的取值在8～20；③在两端点P01与P02邻近点的交集中，选择非饱和且其对应当前波前边E0两翼法矢夹角小于90°的点构成当前波前边E0的候选点集；④将候选点集中的候选点按照边张角由大到小的顺序排序；⑤从候选点集中选择匹配点，通常选择边张角最大的候选点为匹配点Q，如果边张角最大的候选点P0和边张角次大的候选点P1的边张角值之差小于给定的阈值，则匹配点Q选定候选点P1；⑥根据匹配点Q的查询情况，更新波前环及标记数据点：(a)如果当前波前边E0找不到匹配点Q，则标记当前波前边E0为边界边；(b)如果匹配点Q是自由点，则生成新单元ΔQP01P02，用两条新波前边P01Q和QP02代替当前波前边E0，将匹配点Q的状态由自由点改为波前点；(c)如果匹配点Q是相邻波前点，则生成新单元ΔQP01P02，用新波前边P01Q代替当前波前边E0及其相邻边E1，同时将当前波前边E0和相邻边E1的公共端点P02的状态由波前点改为饱和点；(d)如果匹配点Q是波前点且不是当前波前边E0的相邻波前点，则波前环被新三角形单元ΔQP01P02分裂生成两个与其旋向一致的新波前环；⑦判断当前波前环的扩展是否结束，波前环扩展结束时的两种情况为：一是当前波前环中只剩下3条边，且这3条边不是初始波前环，则用这三条边组成新的三角形单元；二是当前波前环中所有波前边都是边界边，将该当前波前环标记为边界环，如果当前波前环扩展未结束，则重复上述步骤①～⑥继续扩展，直到当前波前环扩展结束；⑧判断是否存在非边界环，如果有重复上述步骤①～⑦继续扩展，直到当前波前环扩展结束，当所有的波前环均为边界环时，原始测量数据的三角剖分过程结束。
6、如权利要求1所述的复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法，其特征在于：步骤4中，假设曲面的偏置量为δ，δ应小于最小网格边长，以共享结点的所有三角单元的平均法矢为结点法矢，将每个数据点按照给定的偏置方向沿其法矢线偏移δ，产生与原结点对应的新结点，如此遍历每个结点生成一组偏移数据，重复步骤3生成偏移层网格。
7、如权利要求1所述的复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法，其特征在于：步骤5中，将原始数据和偏移数据的边界点作为新的划分对象，生成内外边界的网格单元以实现两片网格的缝合。
8、如权利要求1所述的复杂曲面产品的快速精确构建与成型方法，其特征在于：步骤6中，输出网格单元的标准STL格式文件至快速原型机，进行分层、做导路、做支撑后，制作原型样件。
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