CN106325211A - 一种基于stl模型交线环的材料去除算法 - Google Patents

一种基于stl模型交线环的材料去除算法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于STL模型交线环的材料去除算法，其步骤：基于被加工工件和刀具扫掠体STL模型交线环对被加工工件和刀具扫掠体上参与相交的三角面片进行重构；根据刀具表面三角面片法向量判断被加工工件上以交线为边的新三角面片属于保留表面还是属于去除表面，根据被加工工件表面三角面片法向量判断刀具扫掠体上以交线为边的新三角面片属于参与加工表面还是非参与加工表面；其他面片分类情况根据已分类三角面片快速确定；由被加工工件上保留表面和刀具扫掠体上参与加工表面组成新的封闭表面形成去除材料后的工件模型。本发明克服了实时性差、仿真速度慢，加工效力低等问题，有效地提高加工仿真速度及精度。

Description

一种基于STL模型交线环的材料去除算法
技术领域
本发明涉及一种虚拟数控加工领域，特别是关于一种在数控加工几何仿真中基于STL模型交线环的材料去除算法。
背景技术
目前，在国内广泛使用的、有代表性的材料去除方法有以下几种：1、实体几何造型法通过刀具沿着加工轨迹移动而生成刀具扫描体，然后利用布尔差运算直接在毛坯体上减去刀具扫描体而实现。它直接用数学方法如参数方程等描述几何体，保存了全部几何信息，因此其计算结果精确，可以进行各种几何测量和处理。其不足之处在于刀具的每一步运动都需要进行大量的布尔求交运算，实时性差。2、视向离散法利用图像空间的消隐算法来实现布尔运算。这种方法计算量小，实时性好；其缺点是在显示过程中丢弃了部分几何深度信息，人们对加工结果无法进行旋转、放大等操作同时也无法进行精确的误差检验，因为毛坯的原始数据都已经转化为像素值，而这些像素点是依赖与显示屏幕的，导致它的应用受到很大限制。3、离散矢量求交法，将待加工曲面或实体按照一定的精度转变为一些离散的数据点，并用其来代替原曲面，然后再利用这些离散点沿其曲面法向矢量方向与刀具扫描体进行求交运算。由于这种方法是在某一方向上投影,故其有一定的局限性,且在曲率大的地方加工误差较大。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于STL模型交线环的材料去除算法，该算法克服了实时性差、仿真速度慢，加工效力低等问题，能有效地提高加工仿真速度及精度。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于STL模型交线环的材料去除算法，其特征在于，该算法包括以下步骤：1)基于被加工工件和刀具扫掠体STL模型交线环，对被加工工件和刀具扫掠体上参与相交的三角面片进行重构；2)对被加工工件和刀具扫掠体三角面片进行分类：根据刀具表面三角面片法向量判断工件上以交线为边的新三角面片属于保留表面还是属于去除表面，根据被加工工件表面三角面片法向量判断刀具扫掠体上以交线为边的新三角面片属于参与加工表面还是非参与加工表面；其他面片分类情况根据已分类三角面片快速确定；3)完成三角面片分类划分后，由被加工工件上保留表面和刀具扫掠体上参与加工表面组成新的封闭表面形成了去除材料后的工件模型。
进一步，所述步骤2)中，三角面片进行分类具体过程为：2.1)设三角面片T1、T2是分别来自被加工工件及刀具扫掠体上的相交三角面片对，I1I2为交线，重构后三角面片T1、T2被划分为若干新三角面片；2.2)对三角面片T1上以交线I1I2为边的新三角面片进行判断，在三角面片T2法向量一侧的属于保留面，负方向一侧的属于去除面；对三角面片T2上与交线I1I2为边的新三角面片进行判断，在三角面片T1法向量一侧的属于不参与加工面，负方向一侧的属于参与加工面；2.3)完成工件及刀具扫掠体上所有以交线为边的新三角面片进行归属分类；2.4)其余三角面片判定方法为：根据相邻三角面片共边的关系，由已分类的三角面片开始向未分类的三角面片遍历；在被加工工件表面，与属于保留面三角面片相邻的仍然是属于保留面，与属于去除面三角面片相邻的仍然是属于去除面；在刀具扫掠体表面，与属于参与加工表面相邻的依然属于参与加工表面，与非参与加工表面相邻的依然属于非参与加工面。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明通过以交线环为界线，对工件及刀具扫掠体模型表面三角面片进行分类划分，使去除材料后的工件模型求取简单，整个算法大大减小了加工误差，具有鲁棒性和时效性。
附图说明
图1是本发明中交线环将工件分割为保留的加工表面和去除表面；
图2是本发明中交线环将刀具扫掠体划分为参与加工的表面和不参与加工的表面；
图3是本发明中加工后的工件由工件要保留的表面与刀具扫掠体参与加工的表面组成；
图4a是本发明中根据工件上的三角面片与刀具扫掠体上的三角面片相交所产生的交线示意图；
图4b是本发明中工件三角面片T1被交线I1I2、I2I3分割重构后形成了5个新三角面片；
图5是本发明中由工件要保留的表面与刀具扫掠体参与加工的表面得到最终加工后的工件的STL模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供一种数控加工几何仿真中基于STL模型交线环的材料去除算法，其包括以下步骤：
1)基于被加工工件和刀具扫掠体STL模型交线环，对相交三角面片对进行重构：
重构是针对于被加工工件及刀具扫掠体上参与加工的三角面片，也就是对被交线贯穿的三角面片进行重构，重构的方式依据三角面片对的相交情况，重构的三角面片被划分为若干个新的三角面片；
2)对三角面片进行分类：如图1～图3所示，根据刀具表面三角面片法向量判断工件上以交线为边的新三角面片属于保留表面还是属于去除表面，根据被加工工件表面三角面片法向量判断刀具扫掠体上以交线为边的新三角面片属于参与加工表面还是非参与加工表面；其他面片分类情况可根据已分类三角面片快速确定。具体步骤为：
2.1)设三角面片T1、T2是分别来自工件及刀具扫掠体上的相交三角面片对，I1I2为交线，重构后三角面片T1、T2被划分为若干新三角面片。
2.2)对三角面片T1上以交线I1I2为边的新三角面片进行判断，在三角面片T2法向量一侧的属于保留面，负方向一侧的属于去除面；对三角面片T2上与交线I1I2为边的新三角面片进行判断，在三角面片T1法向量一侧的属于不参与加工面，负方向一侧的属于参与加工面；
如图4a所示，设三角面片T1来自工件，T2、T4来自刀具扫掠体且T2、T4相邻，T2、T4与T1的交线分别为I1I2、I2I3,T1、T2、T4的法向量方向如图所示，则T1被交线I1I2、I2I3分割，重构后T1被划分为5个新三角面片如图4b所示，根据T2的法向量判断以交线I1I2为边的新三角面片1和三角面片2所属分类，三角面片1与方向同侧，所以三角面片1属于保留面，三角面片在负方向一侧，所以三角面片2属于去除面。同理，以I2I3为边的三角面片3属于去除面，I2I3为边的三角面片4属于保留面；
2.3)根据以上步骤完成工件及刀具扫掠体上所有以交线为边的新三角面片进行归属分类；
2.4)其余三角面片判定方法为：根据相邻三角面片共边的关系，且在交线环内外侧的三角面片已经完成分类，由已分类的三角面片开始向未分类的三角面片遍历。在工件表面，与属于保留面三角面片相邻的仍然是属于保留面，与属于去除面三角面片相邻的仍然是属于去除面；例如，如图4b所示，三角面片5与属于保留面的三角面片2和三角面片4相邻，所以三角面片5也属于保留面。在刀具扫掠体表面，与属于参与加工表面相邻的依然属于参与加工表面，与非参与加工表面相邻的依然属于非参与加工面。最终完成了被加工工件及刀具扫掠体上所有三角面片的分类。
3)材料去除：完成三角面片分类划分后，由被加工工件上保留表面和刀具扫掠体上参与加工表面组成新的封闭表面形成了去除材料后的工件模型，加工后模型的STL格式如图5所示。从而达到了数控加工几何仿真中材料去除的目的。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (2)

1.一种基于STL模型交线环的材料去除算法，其特征在于，该算法包括以下步骤：
1)基于被加工工件和刀具扫掠体STL模型交线环，对被加工工件和刀具扫掠体上参与相交的三角面片进行重构；
2)对被加工工件和刀具扫掠体三角面片进行分类：根据刀具表面三角面片法向量判断工件上以交线为边的新三角面片属于保留表面还是属于去除表面，根据被加工工件表面三角面片法向量判断刀具扫掠体上以交线为边的新三角面片属于参与加工表面还是非参与加工表面；其他面片分类情况根据已分类三角面片快速确定；
3)完成三角面片分类划分后，由被加工工件上保留表面和刀具扫掠体上参与加工表面组成新的封闭表面形成了去除材料后的工件模型。
2.如权利要求1所述的一种基于STL模型交线环的材料去除算法，其特征在于：所述步骤2)中，三角面片进行分类具体过程为：
2.1)设三角面片T1、T2是分别来自被加工工件及刀具扫掠体上的相交三角面片对，I1I2为交线，重构后三角面片T1、T2被划分为若干新三角面片；
2.2)对三角面片T1上以交线I1I2为边的新三角面片进行判断，在三角面片T2法向量一侧的属于保留面，负方向一侧的属于去除面；对三角面片T2上与交线I1I2为边的新三角面片进行判断，在三角面片T1法向量一侧的属于不参与加工面，负方向一侧的属于参与加工面；
2.3)完成工件及刀具扫掠体上所有以交线为边的新三角面片进行归属分类；
2.4)其余三角面片判定方法为：根据相邻三角面片共边的关系，由已分类的三角面片开始向未分类的三角面片遍历；在被加工工件表面，与属于保留面三角面片相邻的仍然是属于保留面，与属于去除面三角面片相邻的仍然是属于去除面；在刀具扫掠体表面，与属于参与加工表面相邻的依然属于参与加工表面，与非参与加工表面相邻的依然属于非参与加工面。
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