CN103777572A

CN103777572A - 具有突变特征的复杂曲面模型的快速分割方法

Info

Publication number: CN103777572A
Application number: CN201410064522.8A
Authority: CN
Inventors: 王福吉; 马建伟; 许强; 贾振元; 秦纪云; 杨彦宇
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2034-02-25
Also published as: CN103777572B

Abstract

本发明一种具有突变特征的复杂曲面模型的快速分割方法属于复杂曲面模型的五轴数控机床高精密高效加工领域，特别涉及具有局部突变特征的复杂曲面模型的快速分割方法。该方法将模型上的复杂特征用一组特征长度线段表示，通过对特征长度组的分类提取，实现模型特征的分类提取；先将待加工的CAD模型转换成曲面模型文件；再将模型拆分成独立特征的曲面片，提取这些特征曲面片的特征长度组；对这些特征长度组进行排序并分组，实现基于曲面模型特征的快速分割。该方法实现了在良好保证局部特征的加工质量的同时，降低五轴机床的加工难度，以较低的成本，获得较高的复杂曲面零件的整体加工质量，具有较高的通用性和普适性。

Description

具有突变特征的复杂曲面模型的快速分割方法

技术领域

本发明属于复杂曲面模型的五轴数控机床高精密高效加工领域，特别涉及具有局部突变特征的复杂曲面模型的快速分割方法。

背景技术

复杂曲面零件被广泛的应用在航空、汽车、消费品和模具工业中，而复杂曲面零件的五轴数控加工技术一直是工业生产领域研究的热点与难点。与传统数控加工相比，五轴数控机床加工中减少了刨削和底切现象，提高了加工效率减少了加工误差，但是全局刀具干涉和局部刨削槽现象对加工也有很大的影响。一般曲面模型的五轴机床的数控编程部分也是极其困难的。行切法以其计算简单、效率高在复杂曲面零件的数控加工中得到了广泛的应用。但是通常采用参数曲线法、截平面法和投影法等手段生成的整体行切刀轴轨迹都没有考虑待加工曲面的局部特征，不能充分适应曲面局部特征处曲率的突变，使得刀位轨迹呈不均匀分布，加工误差的分布也不均匀。由于局部特征的存在，复杂曲面模型整体的加工工艺参数的局部特征适用度降低，局部干涉现象严重，部分局部特征的加工精度达不到要求。因此，带有局部特征的复杂曲面加工更为困难。而将具有局部特征的曲面分割，对局部特征提取并单独生成刀位轨迹，可以有效解决局部特征对复杂曲面加工带来的影响，降低加工难度，更好的保证复杂曲面零件的加工质量。

王新龙等在中国图象图形学报,2000(2),42-47的“基于几何法表示的曲面实体的分割算法”中参考二次曲面相交时交线的特性，提出了新边临面选择算法，虽然可以处理拓扑面局部特征，但是其主要应用在实体模型重建领域，分割后的曲面模型不具备实际加工意义，不是针对加工的局部特征提取。

公布号为CN102147935A，发明人为钮叶新等的发明专利“一种适用于从牙颌三角网格曲面分割牙齿三角网格曲面的方法”通过采用拓扑追踪进行空间控制曲线向三角网络曲面投影的方法实现单颗牙齿精确的分离，该方法直接针对牙齿牙颌线的特征进行提取，并据此产生具有一定加工意义的分割，但是算法本身较为复杂，且只针对牙科领域，也无法通用的应用到具有局部特征的复杂曲面零件的五轴数控机床加工中。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的不足，针对目前具有局部突变特征的复杂曲面模型在五轴数控加工机床上难加工、局部特征的加工质量难以保证的问题，发明了一种具有局部突变特征的复杂曲面模型快速分割方法，将分割后的局部特征曲面单独进行加工轨迹规划并整合到整体加工轨迹中，在数控机床上实现一体化加工，降低复杂曲面局部突变处的五轴加工难度，提高局部特征和总体的加工精度。

本发明采用的技术方案是具有突变特征的复杂曲面模型的快速分割方法，该方法将模型上的复杂特征用一组特征长度线段表示，通过对特征长度组的分类提取，实现模型特征的分类提取。首先，将待加工的CAD模型转换成曲面模型文件。然后，将模型拆分成独立特征的曲面片。接着，提取这些特征曲面片的特征长度组。随后，对这些特征长度组进行排序并分组，实现基于曲面模型特征的快速分割。最后，提取分割后的特征曲面的局部特征以IGES或STEP文件格式输出到CAM环境中，进行刀位轨迹规划。具体步骤如下：

1.曲面模型文件转换：当利用三维造型软件的前处理器将设计成形的待加工CAD模型转换成IGES或STEP文件格式，并选择曲面选项，实现从实体模型向曲面模型的转换。

2.模型拆分成独立特征的曲面片：利用OCC提供的TopExp_Explorer类中的函数，访问读入模型中的拓扑数据结构，确认模型各特征的边界数据。将每个曲面特征沿自身边界从模型中剥离形成独立的特征曲面片，保留曲面片间的空间位置上的联系，独立其他特征，并存储在OCC的拓扑形状数据类型中，完成曲面模型的拆分。

3.提取这些特征曲面片的特征长度组：同样利用TopExp_Explorer类中的函数提取被剥离后的曲面片的边界及顶点信息，利用BOPTools_Tools::PointOnEdge()函数插值补全缺失的边界信息，存储边界上全部已知节点。在笛卡尔坐标系下，求得所有节点中最大和最小的三个方向坐标值，建立一个恰好完整包含特征曲面片全部信息的特征长方体，该长方体的长、宽、高及体对角线长度便是所要提取的特征曲面片的特征长度组，将特征尺寸按长度排序后存储在一个结构体中。

4.对这些特征长度组按大小进行排序并分组，实现基于曲面模型特征的快速分割：首先依据体对角线长度对曲面片进行初步排序，在初步排序相似的曲面片间选取其他特征尺寸进行分类，将特征尺寸相似的曲面片归入一类，并添加相同标记。最后，将标记相同的曲面片分组显示，完成快速分割。

5.提取分割后的特征，进行刀位轨迹规划：提取对加工产生较大影响的局部特征，以IGES或STEP文件格式输出到CAM中。经后置处理，与模型剩余部分生成的优化刀位轨迹整合，实现复杂曲面零件在数控机床上的一体化加工。

本发明的有益效果是针对五轴数控加工中局部特征影响整体加工精度和效率的问题，结合复杂曲面模型的特征信息对曲面模型进行快速分割，在分割后提取模型的局部特征与剩余部分独立生成优化的加工刀位轨迹，并最终整合到一起，实现复杂曲面零件在五轴数控机床上的一体化加工。实现在良好保证局部特征的加工质量的同时，降低五轴机床的加工难度，以较低的成本，获得较高的复杂曲面零件的整体加工质量，具有较高的通用性和普适性。

附图说明

图1—整体流程图。

图2—带有分流小叶片的叶轮模型，其中：1为叶轮大叶片结构，2为大叶片间的叶轮轮毂，3为轮毂上的分流小叶片。

图3—接口文件读取流程图。

图4—模型曲面片拆分流程图。

图5—包含大叶片曲面的特征长方体及其特征尺寸，其中1为大叶片特征曲面片，2为恰好完整包含特征曲面片1的特征长方体，3特征长方体2的体对角线。

图6—包含小叶片曲面的特征长方体及其特征尺寸，其中：1为小叶片特征曲面片，2为恰好完整包含特征曲面片1的特征长方体，3特征长方体2的体对角线。

图7—曲面片基于特征尺寸排序算法流程图。

图8—基于曲面特征尺寸的分类算法流程图。

图9—带有分流小叶片的叶轮模型快速分割结果，其中1为分离后的叶轮大叶片结构，2为分离后的叶轮轮毂，3为分离后的分流小叶片。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式：

针对目前具有局部突变特征的复杂曲面模型在五轴数控加工机床上难加工、局部特征的加工质量难以保证的问题，发明了一种基于特征尺寸的具有局部突变特征的复杂曲面模型快速分割方法，将分割后的局部特征曲面单独进行加工轨迹规划并整合到整体加工轨迹中，在数控机床上实现一体化加工，降低复杂曲面局部突变处的五轴加工难度，提高总体加工精度。此处提出具有局部突变特征的复杂曲面模型的快速分割方法，利用OpenCASCADE（简称OCC）软件作为实现工具，该算法具有简单、速度快、分割效果好的优势。

图1为本发明方法实现的总体框架流程图，首先建立待加工零件的CAD模型，然后利用造型软件的前处理器生成IGES曲面模型并输入OCC环境中，利用OCC中TopExp_Explorer类中函数辅助提取模型的全部特征信息，并基于特征尺寸实现曲面模型快速分割，拾取分割后的局部特征以IGES或STEP格式输出到CAM环境中，单独生成刀位轨迹并整合到总体刀位轨迹中，实现曲面模型的数控一体化加工。结合图2中带有分流小叶片的叶轮模型的快速分割说明算法的实施步骤：

1.曲面模型文件的生成及导入

IGES模型文件可以实现与OCC的良好数据接口功能，完整地传递模型数据，这里在CAD实体模型转换过程中应选取曲面选项，直接生成曲面模型。OCC读入待加工模型时，会预先判断该模型文件是否为接口形式文件，若如不是则需利用原造型软件中的前置处理器先将此模型转换成可接口的数据格式，如图3所示。读入的曲面模型文件将以瞬态形状序列的形式存在于名为aSequence的模型序列句柄变量中。具体实现代码为：

Handle(TopTools_HSequenceOfShape)aSequence=

CImportExport::ReadIGES();

2.处理读入的模型数据，实现模型特征曲面片拆分

模型曲面片的拆分是为了提取模型特征的特征尺寸做准备，同时分割后的曲面片也便于分类组合。拆分流程如图4所示。首先，利用OCC提供中的TopExp_Explorer类中的函数，访问读入模型中的拓扑数据结构，确认模型各特征的边界数据。然后，将模型上的每一个曲面特征沿自身边界从原模型剥离形成独立的特征曲面片，这些曲面片间在剥离过程中仍保持空间上的位置关系。最后，将这些曲面片以OCC的拓扑形状数据形式存储，完成曲面模型的拆分。具体实现代码为：

3.提取特征曲面片的特征长度组

1）特征尺寸的定义

要区分不同的特征曲面片，需要找到一个唯一的或者近乎唯一的特征作为区分的标志。例如在笛卡尔坐标系中，可以为每个特征曲面片都找到一个恰好完整包含特征曲面片全部信息的长方体，这个长方体的长宽高和体对角线长度即可被视为该曲面片的特征尺寸。从最快速分割模型然后拾取局部特征角度出发，特征不需要区分过于细致，此处只选取对角线长度就可实现模型的有效分割。

2）特征尺寸提取算法

同样，可以利用OCC提供中的TopExp_Explorer类中的函数访问剥离后曲面片的拓扑数据结构确认边界及顶点信息，然后利用BOPTools_Tools::PointOnEdge()函数插值修补边界信息不全处的特征信息，存储边界上全部已知节点。在笛卡尔坐标系下，求得所有节点中最大和最小的三个方向坐标值，建立一个恰好完整包含特征曲面片全部信息的特征长方体，不断循环提取每个曲面片直至最后一个结束，特征提取原理如图5和图6所示，取曲面片的特征长方体的对角线长度为这个曲面片的特寸。获取特征尺寸的代码为：

4.对这些特征长度组按大小进行排序并分组，实现基于曲面模型特征的快速分割

首先按长度大小对曲面片特征进行排序，算法如图7所示。设：曲面片总数为Z；函数CS(K)表示第K个曲面片的特征长度；函数EC(K,L)表示交换第K和第L个曲面片。用当下排序第一的曲面片特征尺寸与剩余全部曲面片的特征尺寸比较大小，将特征尺寸最大的曲面片与当下第一个交换位置，完成第一次筛选，然后再从排序第二的继续比较，直至全部曲面片排序完成。排序将降低曲面片的凌乱程度，规整排列的曲面片将大大简化特征曲面片的分类操作计算量。排序后需要将特征尺寸相似的曲面片归为一组，添加相同标记，流程如图8所示。初始化排序第一的曲面片ID标记为0，ID(m)表示第m个曲面片的ID，判断下一个曲面的特征长度是否与前一个曲面相似，设定相似容许误差为0.02，在容许误差内的特征尺寸均认为为相似特征，若是则其ID与前一曲面相同，否则此曲面ID加1，当所有曲面都被标记后，完成基于曲面模型特征的快速分割。将相同标签的曲面片组整合显示，得到分割结果如图9所示。,

排序及分类的代码实现为：

5.拾取模型局部特征，进行刀位轨迹规划

具有分流小叶片的叶轮模型由于小叶片的存在，使得加工轨迹中存在较多的突变，小叶片被视为叶轮轮毂上的局部突变特征，因而需要将图9中的全部小叶片3从叶轮轮毂上提取出来，对小叶片单独生成加工轨迹后，再与叶轮剩余部分生成的加工轨迹整合，实现带有分流小叶片的叶轮模型在五轴数控机床上的一体化加工，以较低的加工难度获得较好的整体加工质量。

本发明中算法借助Open CASCADE平台实现，利用模型特征的特征尺寸完成具有局部突变的复杂模型快速分割，分割后的模型局部特征仍保留加工意义。可以对提取出的特征单独生成优化的刀位轨迹并与模型其他部分生成的刀位轨迹整合，在保证一体化加工效率的前提下，实现具有局部突变特征的复杂曲面模型的高质量加工。本发明中的分割算法也可以不失一般性的应用在叶轮以外的其他加工模型的分割中。本发明中的方法既保证了整体模型的一体化加工，又提高了模型整体和局部的加工质量，同时一定程度上降低了使用五轴机床加工的困难程度。

Claims

1.一种具有突变特征的复杂曲面模型的快速分割方法，其特征是，该方法将模型上的复杂特征用一组特征长度线段表示，通过对特征长度组的分类提取，实现模型特征的分类提取；首先，将待加工的CAD模型转换成曲面模型文件；然后，将模型拆分成独立特征的曲面片；接着，提取这些特征曲面片的特征长度组；随后，对这些特征长度组进行排序并分组，实现基于曲面模型特征的快速分割；最后，提取分割后的特征曲面中的局部特征以IGES或STEP文件格式输出到CAM环境中，进行刀位轨迹规划；具体步骤如下：

第一步：曲面模型文件转换：当利用三维造型软件的前处理器将设计成形的待加工CAD模型转换成IGES或STEP文件格式，并选择曲面选项，实现从实体模型向曲面模型的转换；

第二步：模型拆分成独立特征的曲面片：利用OCC提供的TopExp_Explorer类中的函数，访问读入模型中的拓扑数据结构，确认模型各特征的边界数据，将每个曲面特征沿自身边界从模型中剥离形成独立的特征曲面片，保留曲面片间的空间位置上的联系，独立其他特征，并存储在OCC的拓扑形状数据类型中，完成曲面模型的拆分；

第三步：提取这些特征曲面片的特征长度组：同样利用TopExp_Explorer类中的函数提取被剥离后的曲面片的边界及顶点信息，利用BOPTools_Tools::PointOnEdge()函数插值补全缺失的边界信息，存储边界上全部已知节点；在笛卡尔坐标系下，求得所有节点中最大和最小的三个方向坐标值，建立一个恰好完整包含特征曲面片全部信息的特征长方体，该长方体的长、宽、高及体对角线长度便是所要提取的特征曲面片的特征长度组，将特征尺寸按长度排序后存储在一个结构体中；

第四步：对这些特征长度组按大小进行排序并分组，实现基于曲面模型特征的快速分割：首先依据体对角线长度对曲面片进行初步排序，在初步排序相似的曲面片间选取其他特征尺寸进行分类，将特征尺寸相似的曲面片归入一类，并添加相同标记；最后，将标记相同的曲面片分组显示，完成快速分割；

第五步：提取分割后的特征，进行刀位轨迹规划：提取对加工产生较大影响的局部特征，以IGES或STEP文件格式输出到CAM中；经后置处理，与模型剩余部分生成的优化刀位轨迹整合，实现复杂曲面零件在数控机床上的一体化加工。