CN108022307A - 基于增材再制造点云模型的自适应平面分层方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于增材再制造点云模型的自适应平面分层方法，包括如下步骤：①确定分层方向。②确定分层高度：遍历点云坐标得到到z _min 和z _max ，以二者之差作为分层高度。③构建层间点云映射关系。④定义表面误差：定义表面误差用于表示两层切片之间的表面差值程度，令=，其中为投影点云径向宽度的最大值。⑤确定分层厚度。基于增材再制造点云模型的自适应平面分层，采用投影点云径向宽度的最大值作为表面误差，从而迭代确定出自适应的分层高度，算法实现过程清晰明确，兼顾了效率与精度。

Description

基于增材再制造点云模型的自适应平面分层方法

技术领域

本发明涉及增材再制造工程技术领域，特别涉及一种基于增材再制造点云模型的分层方法。

背景技术

目前增材再制造技术是一系列用于恢复损伤零（构）件的缺损尺寸和服役性能的先进技术的统称，其对损伤零（构）件尺寸恢复和性能提升的过程是以数字模型驱动为特征的离散―堆积过程。其中，离散过程是以零件缺损部分的三维模型为对象的切片分层过程。零件模型无论是在造型软件中生成还是由反求工程构建，都必须经过分层处理才能输入到增材再制造设备中，因此分层方法是增材再制造过程中的一个关键环节。分层方法不仅影响增材再制造的精度，对其效率也有重要的影响，因此分层方法一直是增材再制造研究的重点和难点问题。

国内外学者提出了基于STL（Stereo Litbography）模型的分层算法，主要有等层厚分层算法、适应性分层算法、斜边分层算法以及曲面分层算法。等层厚分层算法实现简单、程序执行速度快，但台阶效应明显；适应性分层算法采用适应性变化层厚的方法进行分层，有效地减小了台阶效应，但并不能完全消除台阶效应；采用斜边分层或曲面分层等先进分层算法能够完全消除台阶效应，但在系统实现上较为困难。同时，因上述分层算法均是基于STL模型开发的，须经历数据处理中最复杂耗时的曲面重构过程，由此导致了运算过程的复杂化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于增材再制造点云模型的精确、高效、台阶效应小的自适应平面分层方法。

实现本发明目的的技术方案是提供

本发明具有积极的效果：（1）针对增材再制造过程中数字模型分层算法误差大、效率低、台阶效应明显等问题，本发明提供基于增材再制造点云模型的直接分层方法，具体涉及自适应平面分层法。通过对增材再制造点云模型直接进行分层，省去了数据处理中复杂耗时的曲面重构过程，既提高了效率、减少了误差来源，又较好的消除了台阶效应。

（2）基于增材再制造点云模型的自适应平面分层，采用投影点云径向宽度的最大值作为表面误差，从而迭代确定出自适应的分层高度，算法实现过程清晰明确，兼顾了效率与精度，保证了增材再制造成形的“快速性”和“精确性”。

附图说明

图1是距离变换的扫描模板；

图2是网格对示意图；

图3是某回转体零件点云的平面分层效果图。

具体实施方式

（实施例1、基于增材再制造点云模型的自适应平面分层方法）

本实施例的基于增材再制造点云模型的自适应平面分层方法，包括如下步骤：

①确定分层方向：分层方向的确定，既要考虑零件本身的形状特征，又要便于快速再制造成形，一般的选择原则是以堆积高度最小或基面积最大为选择原则确定分层方向；优先设定为Base下的Z轴方向，所以在最初采集点云之前，应尽量将零件按此标准装卡。如果Z轴并不是点云的最优分层方向，则可以通过人机交互调整模型的位置，也就是对点云进行一系列的旋转和平移操作。

②确定分层高度：遍历点云坐标得到z _min 和z _max ，以二者之差作为分层高度； z _min 和z _max 指空间点云网格模型z方向的最小和最大值；分层厚度和分层数目一般是根据分层算法计算出来的，也可由用户根据实际需要来确定。分层厚度过小会产生失真；分层厚度过大，不仅造成数据的浪费，无法保证再制造精度，还会加大后续数据处理的工作量。分层带宽则用来限定相邻分层平面之间的相关区域，只对该区域内的点云向下层切层面进行映射操作。

③构建层间点云映射关系：

点云模型在进行自适应平面分层时，分层截面是平行于XOY平面的一系列平面，即切平面族方程为z=z _i ，z _i 为第i个切平面在Z轴上的高度。由相邻两切层面z=z _i 和z=z _i+1 所截取的部分空间点云一般呈条带状，设为Г _i ，其满足：

，

将Г _i 向下切层面z=z _i 上映射，映射机制采用垂直投影算法，得到截平面上的轮廓数据Ω _i 。假设Гi中的任意点，其投影点也是截面上的轮廓点，则存在层间点云映射关系：

；

④定义表面误差：

定义表面误差用于表示两层切片之间的表面差值程度，令=，其中为投影点云径向宽度的最大值。的求解过程如下：

4.1）首先将分层面上的投影点云映射为二值图像So，映射原理为：

假定一个网格投影平面，该平面平行于分层平面，网格宽度可根据点云间距来选取，其宽度不能太大，否则将导致很多点都投影到同一个网格，但也不能太小，否则容易出现空洞，给处理带来不便。当映射某分层面的投影数据时，规定有点落入的网格的网格值为1，否则为0。依据上述方法，建立了投影点云和二值图像的对应关系：

，

其中，m、n为网格编号，int( )为取整函数，x，y为投射的点云二值，box_size指网格宽度，g(m，n)指网格(m,n)的网格值。

4.2）提取出图像So的边界网格，算法如下：

a)拷贝So的图像So’ 至内存中；

b)从左到右、从上到下扫描So’ ：若网格值为1，执行c)；否则，执行d)；

c)判断该网格的4邻域内是否有0值存在：如果有，该网格为边界网格，令其网格值为0；否则为内部网格，令其网格值为255；

d)对于0网格则直接令其网格值为255；

e)So’扫描完毕，保存并退出。

4.3)对图像So’进行距离变换，具体变换过程如下：

a)从左到右，从上到下正向扫描图像So’，利用图1(a)所示的光栅扫描“324Chamfer距离变换”算法扫描模板计算每一个网格的网格值：

；

b)从右到左，从下到上逆向扫描图像So’， 利用图1(b)所示的光栅扫描“324Chamfer距离变换”算法扫描模板计算每一个网格的网格值：

，最终得到一幅距离图像Sl。

4.4)输出图像So中所有1网格对应的距离图像Sl中的网格值的最大值。

距离图像Sl中的网格值代表了该网格到边界网格的最近距离。在上述方法中假定相邻网格间的距离为3，以点云二值映射时的实际网格宽度来取代假定的网格间距离，可得到点云径向宽度的最大值为：

。

4.5) 点云径向宽度值的修正：

由于点云不一定正好填充到网格的边界，从而导致计算结果偏大，即误差偏高，这会造成很多冗余分层，需对进行修正。修正方法是在距离图像Sl中搜索所有值为的网格，对于每一个值为的网格(m,n)查找其周围的0网格对（网格对示意图如图2所示）。计算0网格对所包含的点之间的最大距离，如果有多个0网格对，就计算出每个0网格对所对应的点之间的最大距离，以这些最大距离中的最小值作为径向宽度，依此类推，计算出所有值为的网格对应的径向宽度，求取所有径向宽度的最大值，即为所求的最大径向宽度。

⑤确定分层厚度：初始分层时，需要设定的大小，并选择机器人堆焊成形的最小值为初始厚度。在以表面误差为标准变动某层的高度h时，可依照中值逼近：

即当确定第i层的h时，下切层面确定为，如果某次迭代上切层面为，而此时计算所得，则将上切层增高为：

，

然后计算与作比较。若，则将做为i层堆层厚度。

如果某次迭代上切层面为，得到的表面误差，则将上切层降低为：

，

再计算表面误差，如果，则将做为i层堆层厚度。

分层算法中还可能涉及机器人堆焊设备的最大堆积厚度与最小堆积厚度。当由所确定的分层厚度时，令；同样当分层厚度时，令。

综上所述，采用中值逼近法确定分层厚度h，使每层的表面误差分布于较小的范围，即ε₁<<ε₂，具体来讲：其中，ε为表面误差选定的范围值，ε₁和ε₂为选定的初始表面误差限定值。

确定分层厚度h的详细方法如下：

5.1）输入、以及；

5.2）读入点云，并遍历点云z坐标的最大值和最小值；

5.3）i=0，下切层面为；

5.4）初始分层厚度为，则上切层面为；

5.5）将两层切平面z _i 和z _i+1 之间的点云向下切层面z _i 投影，计算投影点云的最大径向宽度R _max ；

5.6）判断和：

Case1：且，则令，，转至5.8)；

Case2：且，则令，；

Case3：且，则令，，转至5.8)；

Case4：且，则令，；

Else：转至5.8)；

5.7）再次判断：

Case1：，则令，，转至5.5)；

Case2：，则令，，转至5.5)；

Else：转至5.5)；

5.8）判断：如果，则令i=i+1，转至5.4)；否则，令；

5.9）如果，则令；结束。图3是针对某回转体零件的点云进行的平面分层，图中表明了采用均匀分层和自适应分层的不同效果。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种基于增材再制造点云模型的自适应平面分层方法，其特征在于包括如下步骤：

①确定分层方向：以堆积高度最小或基面积最大为选择原则确定分层方向；

②确定分层高度：遍历点云坐标得到到z _min 和z _max ，以二者之差作为分层高度； z _min 和z _max 指空间点云网格模型在分层方向的最小和最大值；

③构建层间点云映射关系：

点云模型在进行自适应平面分层时，分层截面是平行于XOY平面的一系列平面，即切平面族方程为z=z _i ，z _i 为第i个切平面在Z轴上的高度；由相邻两切层面z=z _i 和z=z _i+1 所截取的部分空间点云一般呈条带状，设为Г _i ，其满足：

，

将Г _i 向下切层面z=z _i 上映射，映射机制采用垂直投影算法，得到截平面上的轮廓数据Ω _i ；假设Гi中的任意点，其投影点也是截面上的轮廓点，则存在层间点云映射关系：

；

④定义表面误差：

定义表面误差用于表示两层切片之间的表面差值程度，令=，其中为投影点云径向宽度的最大值；

⑤确定分层厚度：初始分层时，需要设定的大小，并选择机器人堆焊成形的最小值为初始厚度；在以表面误差为标准变动某层的高度h时，可依照中值逼近：

即当确定第i层的h时，下切层面确定为，如果某次迭代上切层面为，而此时计算所得，则将上切层增高为：

，

然后计算与作比较；若，则将做为i层堆层厚度；

如果某次迭代上切层面为，得到的表面误差，则将上切层降低为：

，

再计算表面误差，如果，则将做为i层堆层厚度；

当由所确定的分层厚度时，令；同样当分层厚度时，令；

采用中值逼近法确定分层厚度h，使每层的表面误差分布于较小的范围，即ε₁<<ε₂，具体来讲：其中，ε为表面误差选定的范围值，ε₁和ε₂为选定的初始表面误差限定值。

2.根据权利要求1所述的基于增材再制造点云模型的自适应平面分层方法，其特征在于：步骤①中，设定为Base下的Z轴方向；如果Z轴并不是点云的最优分层方向，则通过人机交互调整模型的位置，对点云进行一系列的旋转和平移操作调整至Z轴方向。

3.根据权利要求2所述的基于增材再制造点云模型的自适应平面分层方法，其特征在于：步骤②中，z _min 和z _max 指空间点云网格模型z方向的最小和最大值。

4.根据权利要求1所述的基于增材再制造点云模型的自适应平面分层方法，其特征在于：步骤④中，

的求解过程如下：

4.1）首先将分层面上的投影点云映射为二值图像So，映射原理为：

假定一个网格投影平面，该平面平行于分层平面，网格宽度可根据点云间距来选取，其宽度不能太大，否则将导致很多点都投影到同一个网格，但也不能太小，否则容易出现空洞，给处理带来不便；当映射某分层面的投影数据时，规定有点落入的网格的网格值为1，否则为0；依据上述方法，建立了投影点云和二值图像的对应关系：

，

其中，m、n为网格编号，int( )为取整函数，x，y为投射的点云二值，box_size指网格宽度，g(m，n)指网格(m,n)的网格值；

4.2）提取出图像So的边界网格，算法如下：

a)拷贝So的图像So’ 至内存中；

b)从左到右、从上到下扫描So’ ：若网格值为1，执行c)；否则，执行d)；

c)判断该网格的4邻域内是否有0值存在：如果有，该网格为边界网格，令其网格值为0；否则为内部网格，令其网格值为255；

d)对于0网格则直接令其网格值为255；

e)So’扫描完毕，保存并退出；

4.3)对图像So’进行距离变换，具体变换过程如下：

a)从左到右，从上到下正向扫描图像So’，利用“324Chamfer距离变换”算法扫描模板计算每一个网格的网格值：

；

b)从右到左，从下到上逆向扫描图像So’， 利用光栅扫描“324Chamfer距离变换”算法扫描模板计算每一个网格的网格值：

，最终得到一幅距离图像Sl；

4.4)输出图像So中所有1网格对应的距离图像Sl中的网格值的最大值；

距离图像Sl中的网格值代表了该网格到边界网格的最近距离；在上述方法中假定相邻网格间的距离为3，以点云二值映射时的实际网格宽度来取代假定的网格间距离，可得到点云径向宽度的最大值为：

；

4.5) 点云径向宽度值的修正：

由于点云不一定正好填充到网格的边界，从而导致计算结果偏大，即误差偏高，这会造成很多冗余分层，需对进行修正；修正方法是在距离图像Sl中搜索所有值为的网格，对于每一个值为的网格(m,n)查找其周围的0网格对；计算0网格对所包含的点之间的最大距离，如果有多个0网格对，就计算出每个0网格对所对应的点之间的最大距离，以这些最大距离中的最小值作为径向宽度，依此类推，计算出所有值为的网格对应的径向宽度，求取所有径向宽度的最大值，即为所求的最大径向宽度。

5.根据权利要求1所述的基于增材再制造点云模型的自适应平面分层方法，其特征在于：步骤⑤中，确定分层厚度h的详细方法如下：

5.1）输入、以及；

5.2）读入点云，并遍历点云z坐标的最大值和最小值；

5.3）i=0，下切层面为；

5.4）初始分层厚度为，则上切层面为；

5.5）将两层切平面z _i 和z _i+1 之间的点云向下切层面z _i 投影，计算投影点云的最大径向宽度R _max ；

5.6）判断和：

Case1：且，则令，，转至5.8)；

Case2：且，则令，；

Case3：且，则令，，转至5.8)；

Case4：且，则令，；

Else：转至5.8)；

5.7）再次判断：

Case1：，则令，，转至5.5)；

Case2：，则令，，转至5.5)；

Else：转至5.5)；

5.8）判断：如果，则令i=i+1，转至5.4)；否则，令；

5.9）如果，则令；结束。