CN103761353B

CN103761353B - 基于三维边界提取的模具气压砂轮进动加工轨迹优化方法

Info

Publication number: CN103761353B
Application number: CN201310571504.4A
Authority: CN
Inventors: 金明生; 计时鸣; 张鹤腾; 张利; 蔡东海
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Langxi Pinxu Technology Development Co ltd
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2033-11-13
Also published as: CN103761353A

Abstract

基于三维边界提取的模具气压砂轮进动加工轨迹优化方法，所述轨迹优化方法包括以下步骤：(1)建立模型，保存轨迹规划的CLSF文件和模型的VRML文件；(2)读取VRML文件，采用正则表达式识别文本数据，然后将数据存储到数组中；(3)用户设定“法向量突变阈值”，其取值依据三维模型上的最大曲率值，曲率越大，阈值应取越大；(4)将单位法向量数组内的法向量进行两两作差后取向量模，同阈值进行比较，根据比较结果删除对角线和重复的边界线；(5)将剩余线段进行整理，得到边界线数组；(6)计算轨迹规划上任意加工点的接触面中心与每条边界的距离，对边界线与加工点的相对位置进行姿态优化。该方法考虑气压砂轮进动加工轨迹规划中的边界问题，效果显著。

Description

基于三维边界提取的模具气压砂轮进动加工轨迹优化方法

技术领域

本发明涉及计算机图形领域和机器人控制领域，是基于三维边界提取的模具气压砂轮进动加工轨迹优化方法。

背景技术

抛光是模具制造的重要工序，采用气压砂轮光整新技术可以有效地提高模具自由曲面的加工质量。进动抛光是气压砂轮光整的一种重要加工方式，这种方式不仅能够改变切削速度方向，且其去除函数近似高斯分布，有利于计算驻留时间。但是，经理论分析和实验观察发现，在气压砂轮光整过程中，进动加工方式仅适用于远离边界的连续曲面内部，而模具边界附近加工时对切削速度方向的分布有一定约束。若不加约束而采用进动方式，则在边界线附近加工时便会出现问题，如振动加剧、边界材料过度磨损等，甚至被锋利的模具边界破坏气压砂轮的磨粒层，造成气压砂轮整体失效。因此，在进行气压砂轮进动加工轨迹规划时，获得模具的边界线信息，以优化进动轨迹，是当前迫切需要解决的问题。

对于任意的复杂模具三维模型，三维软件在导出VRML文件时，会将所有表面分割成不重复也不遗漏的一系列三角面，各三角面的位置和相互关系可由组成三角面的顶点及顶点外法向计算得到。因此，本发明提出的基于三维模型边界线提取的模具气压砂轮进动加工轨迹优化方法，其前提条件是三维模型的边界线提取方法。该方法用于从VRML文件中提取数据，通过一定的算法获得对应三维模型的边界线数据，很有必要。

发明内容

为了解决无法从三维建模软件中直接获得模型边界线数据的问题，本发明从三维模型触发，提供一种基于三维边界提取的模具气压砂轮进动加工轨迹优化方法，该方法适用范围广，可任意处理复杂形貌的三维模型。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于三维边界提取的模具气压砂轮进动加工轨迹优化方法，所述轨迹优化方法包括以下步骤：

(1)通过三维软件建立模具模型，对模型加工表面进行轨迹规划，以CLSF文件格式保存，文件扩展名为cls；同时，将模型以VRWL文件格式保存，文件扩展名为wrl；

(2)读取所述VRML文件，采用正则表达式识别文本数据，然后将数据存储到数组中，数组包括单位法向量数组、线段数组和坐标数组；

(3)用户设定“法向量突变阈值T”，简称“阈值T”，取0.2，阈值T的取值依据三维模型上最大曲率值，曲率越大，阈值T应取越大；

(4)将单位法向量数组内每一条法向量进行两两作差，同阈值T进行比较，若差向量的模小于等于阈值T，则认为两个法向量所对应的三角面是连续的面，面内不存在边界线，并且，如果这两个三角面内存在相同顶点的线段，则一定为面内不存在的边界线，称为“对角线”，删除这两条对角线；如果不存在，则表示两个三角面不属于同一面，不作处理。若差向量的模大于阈值T，则认为这两个三角面是不连续的面，并且，如果这两个三角面内存在相同顶点的线段，则一定为边界线，删除其中一条；如果不存在，则表示两个三角面不相交，不作处理；

(5)将剩余线段进行整理，得到线段数组；

(6)提取步骤5中的线段数组，即边界线数据，将其用于气压砂轮进动抛光轨迹规划过程中，对轨迹上的任意一个加工点，计算其接触面中心与每条边界的距离，若其距离值小于设定的距离R，则对边界线与加工点的相对位置进行姿态优化。

进一步，所述的基于三维模型边界线提取的模具气压砂轮进动加工轨迹优化方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述的单位法向量数组是由三角面的三个顶点的法向量求和再取单位向量得到，所述的线段数组是由三角面三顶点两两相连得到。

再进一步，所述的基于三维模型边界线提取的模具气压砂轮进动加工轨迹优化方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，所述的阈值T的物理意义为：当法向量之差的模小于阈值时，法向量夹角较小，面夹角接近0度，曲面连续性好。再进一步，所述的基于三维模型边界线提取的模具气压砂轮进动加工轨迹优化方法，其特征在于：所述的步骤(6)中，姿态优化的具体实施方式为：添加一个约束条件，即气压砂轮的切削速度方向不能含有沿边界外法向相反方向的分量。

本发明的技术构思为：本发明提出的基于三维模型边界线提取的模具气压砂轮进动加工轨迹优化方法，是将VRML格式文本中的图形数据通过识别和计算，得到模具三维模型的所有边界线坐标信息，然后用于气压砂轮进动轨迹规划的姿态优化。

首先使用三维建模软件，如PRO/E、UG、SolidWorks、CATIA等，建立三维模型；然后进行轨迹规划，将其存储为CLSF文件格式，并将模型另存为VRML(后缀名为wrl)文件格式，选择输出版本为VRML 97；然后利用三维模型边界线提取方法从wrl格式文件中提取出模具三维模型的边界线数据；最后将边界数据用于气压砂轮进动加工的轨迹规划过程中。

边界线数据由两个数据表格组成，其中一个表格存储了所有的端点坐标值，每行三个元素表示端点空间直角坐标系中的坐标；另一个表格存储了每一条边界线的两个端点坐标的索引，每行两个元素表示一条边界线的两个端点的索引编号，这两个数组可以确定模型中的所有边界线。

气压砂轮进动加工轨迹规划过程中，对规划轨迹上的任意一个加工点，计算其接触面中心与每条边界的距离，若其距离值小于设定的距离R，则对边界线与加工点的相对位置进行优化。

本发明的有益效果在于：本发明所提及的三维模型边界线提取方法，无需额外的设备或测量工具，数据量小，辅助数据充分，计算过程简单可靠，易编程，操作难度低，能精确地得到三维模型边界线数据；只要调整法阈值即可识别具有不同曲率的曲面的三维模型；合理设置阈值，可以将大区率的圆角特征识别为边界线，而将小曲率的曲面识别为无边界的连续的面。

附图说明

图1是本发明提取边界线与优化轨迹的整体流程图

图2是对角线和重复线段去除流程图

图3是法向量突变阈值的物理含义示意图

图4是六棱柱处理前所有线段示意图

图5是六棱柱处理后所有线段示意图

图6弧形抛光面、抛光路径和边界线

图7无约束条件切削速度方向分布(俯视)

图8有约束条件切削速度方向分布(俯视)

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1至图8，并以六棱柱提取边界线和模具曲面轨迹优化为例，提供基于三维边界提取的模具气压砂轮进动加工轨迹优化方法。所述轨迹优化方法包括以下步骤：

第一步，通过三维软件建立模具模型，对模型加工表面进行轨迹规划，以CLSF文件格式保存，文件扩展名为cls；同时，将模型以VRWL文件格式保存，文件扩展名为wrl。

第二步，读取所述VRML文件，文件所描述的三维图形信息主要由以下四部分组成：坐标点(Coordinate point)、点法向量(Normal vector)、三角面顶点序列(CoordIndex)、点法向序列(NormalIndex)。六棱柱模型对应的VRML文件主要内容如下：

coord Coordinate{#坐标点

point[

-17.320509 0 0,-17.320509 0 20,

-8.660254-15 0,-8.660254-15 20,

-8.660254 15 0,-8.660254 15 20,

8.660254-15 0,8.660254-15 20,

8.660254 15 0,8.660254 15 20,

17.320509 0 0,17.320509 0 20

]

}

normal Normal{#点法向量列表

vector[

-0.866025-0.5 0,-0.866025 0.5 0,

0-1 0,0 0-1,0 0 1,0 1 0,

0.866025-0.5 0,0.866025 0.5 0

]

}

coordIndex[#三角面顶点序列

1,5,0,-1,0,5,4,-1,3,1,2,-1,

2,1,0,-1,7,3,6,-1,6,3,2,-1,

11,7,10,-1,10,7,6,-1,9,11,8,-1,

8,11,10,-1,5,9,4,-1,4,9,8,-1,

9,5,11,-1,11,5,1,-1,11,1,7,-1,

7,1,3,-1,6,2,10,-1,10,2,0,-1,

10,0,8,-1,8,0,4,-1

]

normalIndex[#点法向序列

1,1,1,-1,1,1,1,-1,0,0,0,-1,

0,0,0,-1,2,2,2,-1,2,2,2,-1,

6,6,6,-1,6,6,6,-1,7,7,7,-1,

7,7,7,-1,5,5,5,-1,5,5,5,-1,

4,4,4,-1,4,4,4,-1,4,4,4,-1,

4,4,4,-1,3,3,3,-1,3,3,3,-1,

3,3,3,-1,3,3,3,-1

]

坐标点记录了模型上所有的端点和曲面经过多面体近似后得到的点的坐标值，按出现顺序指定编号0,1,2,3…，组成“点数组”，如表1所示。

表1点数组

点法向量记录的是每个点在原三维模型中的外法向三坐标值，且相同的外法向向量只记录一次，并按出现顺序指定编号0,1,2,3…，组成“点法向量数组”，如表2所示。

表2点法向量数组

三角面顶点序列记录了组成整个三维图形的所有三角形小平面对应顶点编号。每个三角面由三个顶点的编号组成，这里称为“三角面”，可表示为i-j-k形式，-1表示一个面的结束；同理，线段可表示为m-n形式。例如，三角面1-3-7表示由1、3、7三个点，即包含1-3、3-7、7-1三条线段。三角面三个顶点两两相连得到“线段数组”，如表3所示。

表3线段数组

法向序列和三角面序列一一对应，法向序列的一组包含三个对应三角面三个顶点的点法向量编号。将同一个三角面的三个法向量求和后取其单位向量，作为该三角面的“面单位法向量”，如公式其中，表示三角面5-9-4的面单位法向量，分别为顶点4、5、9的点法向量。求出所有三角面的面单位法向量，组成面“面单位法向量数组”，如表4所示。

表4面单位法向量数组

第三步，用户设定“法向量突变阈值T”，简称“阈值T”，其物理含义为：当面i-j-k21的面单位法向量N_i-j-k22与面l-m-n26的面单位法向量N_l-m-n25之差P24的模小于阈值T时，法向量夹角θ23较小，夹角α27接近180度，曲面连续性好。所以阈值T的取值依据为工件上最大曲率值，曲率越大，阈值T的值应取得越大，阈值T取0.2。

第四步，参照图4，其中存在很多不必要的线段，如：面4-5-9-8由三角面5-9-4和4-9-8组成，面8-9-11-10由三角面9-11-8和8-11-10组成，其中线段4-9、9-4、11-8、8-11属于不真实存在的对角线，而线段9-8和8-9表示的是同一条边界线，需去除其中一条。

去除对角线和重复边界线的方法如下：(1)将面单位法向量两两作差，取差向量的模：差向量的模的大小代表了三角面夹角大小。(2)将差向量的模与所述阈值进行比较，若差向量的模小于等于阈值，则两个法向量所对应的三角面是连续的面，面内不存在边界线，并且，如果这两个三角面内存在相同顶点的线段，则一定为面内不存在的边界线，删除这两条线段；如果不存在，则表示两个三角面不属于同一面，不作处理。若差向量的模大于阈值，则这两个三角面是不连续的面，并且，如果这两个三角面内存在相同顶点的线段，则一定为边界线，删除其中一条；如果不存在，则表示两个三角面不相交，不作处理。

在六棱柱里具体实施如下：

表3和表4分别列出了三角面的三个线段组和面单位法向量，然后将任意两个面的面单位法向量作差后取差向量的模与阈值比较。在P≤T时是去除对角线的过程，对于该六棱柱模型，由于其没有曲面，可取阈值T＝0。编号为0和1这两个面，这两个三角面为1-5-0和0-5-4，根据表4的面单位法向量，求得其差向量的模为将模P₀与阈值比较，P₀≤T，并且，通过表3看出，编号0和1的线段数组存在相同线段0-5，所以面内存在不存在的边界线，为面内对角线，删除这两条线段0-5和5-0。六棱柱有20个三角面，要除所有对角线，两两比较需要计算计算结果列于表5。

表5对角线去除后线段

当不存在对角线的情况下，可以直接通过表5所有线段两两比较，若顶点相同，则删除其中一条重复线段，也可以通过所述阈值比较的方法删除两个不连续面的重复线段。如三角面1-5-0和三角面2-1-0这两个面，根据表4的面单位法向量，求得其差向量模为将模P₁与阈值T进行比较，当P₁≥T，可以确定这两个面为不连续面，并且，这两个三角面内存在相同顶点线段0-1和1-0，则它一定为边界线段，删除其中一条0-1。对于P₁≥T的情况，为了删除所有相同顶点的线段，对去除对角线后剩余的36条线段进行两两比较，若顶点相同，则删除其中一条，需要计算次，得到去除重复线段的结果，如表6。

表6结果线段

第五步，为方便读取，将表6结果线段进行整理，得到线段数组，如表7所示，整理方法为：对该线段数组内容进行拆分，如原来的线段数组是通过字符串格式“0-5”的方式存储，排列成一列，拆分后变成数字格式“0”、“5”的方式存储。最后将表7的数组和坐标数组一起写入数据表格文件，文件扩展名为csv，保存到计算机磁盘中。

表7结果线段数组

第六步，将上述的结果线段数组和点数组用于气压砂轮进动加工的轨迹规划过程中，对规划轨迹上的任意一个加工点，计算其接触面中心与每条边界的距离，若任意一个距离值小于设定的距离R，则根据边界线与加工点的相对位置进行姿态优化。在姿态优化过程中，为解决气压砂轮进动加工方式在模具边界产生的问题，其具体的优化方法是：添加一个约束条件，即气压砂轮的切削速度方向不能含有沿边界外法向相反方向的分量。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims

1.基于三维边界提取的模具气压砂轮进动加工轨迹优化方法，其特征在于：所述轨迹优化方法包括以下步骤：

(4)将单位法向量数组内每一条法向量进行两两作差，同阈值T进行比较，若差向量的模小于等于阈值T，则认为两个法向量所对应的三角面是连续的面，面内不存在边界线，并且，如果这两个三角面内存在相同顶点的线段，则一定为面内不存在的边界线，称为“对角线”，删除这两条对角线；如果不存在，则表示两个三角面不属于同一面，不作处理；若差向量的模大于阈值T，则认为这两个三角面是不连续的面，并且，如果这两个三角面内存在相同顶点的线段，则一定为边界线，删除其中一条；如果不存在，则表示两个三角面不相交，不作处理；

(5)将剩余线段进行整理，得到线段数组；

2.如权利要求1所述的基于三维边界提取的模具气压砂轮进动加工轨迹优化方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述的单位法向量数组是由三角面的三个顶点的法向量求和再取单位向量得到，所述的线段数组是由三角面三顶点两两相连得到。

3.如权利要求1所述的基于三维边界提取的模具气压砂轮进动加工轨迹优化方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，所述的阈值T的物理意义为：当法向量之差的模小于阈值T时，法向量夹角较小，面夹角接近0度，曲面连续性好。

4.如权利要求1所述的基于三维边界提取的模具气压砂轮进动加工轨迹优化方法，其特征在于：所述的步骤(6)中，姿态优化的具体实施方式为：添加一个约束条件，即气压砂轮的切削速度方向不能含有沿边界外法向相反方向的分量。