CN108062433B - 基于增材再制造点云模型的梯度曲面分层方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于增材再制造点云模型的梯度曲面分层方法，包括如下步骤：①成形距离计算；计算对应网格的质心点的欧式距离d：距离d反映了缺损点云在该点处的缺损程度，也就是需要进行增材再制造的成形距离；②梯度距离确定；③分层数据的生成；梯度分层时，真实存在的分层曲面族不需要被确切的描述出来，而只是以各曲面上的分层数据来插值表示就足够了；分层数据包括两部分：轮廓数据和轮廓内部数据；对于第i层的分层数据，其轮廓数据直接记录为分层区间号num=i的数据点；轮廓内部数据P’(x’,y’,z’)则可由低于切层曲面(num<i)的点云采用梯度距离增长得到。

Description

基于增材再制造点云模型的梯度曲面分层方法

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、台阶效应小的梯度曲面分层方法。

实现本发明目的的技术方案是提供一种基于增材再制造点云模型的梯度曲面分层方法，包括如下步骤：

①成形距离计算；

首先认定增材再制造模型是完整的，由缺损点云和标准点云组成；将增材再制造模型进行空间网格划分，对于任意点P(x,y,z)，计算出它的网格号(m,n,q)：

其中，box_size指网格宽度，x_min，y_min，z_min分别为空间点云在x,y,z方向距离基准点的最小值；

计算网格(m,n,q)的质心点P_p(xx,yy,zz)，假设网格中点的个数为sum，则：

建立缺损点云所处的网格(m,n,q)与标准点云所处的网格(m’,n’,q’)的对应关系，对应原则是网格号满足：m＝m’且n＝n’；并计算对应网格的质心点的欧式距离：

距离d反映了缺损点云在该点处的缺损程度，也就是需要进行增材再制造的成形距离；选择d_max作为曲面分层的高度范围值；

②梯度距离确定；

2.1)首先确定分层数目n；考虑兼顾到增材再制造的快速性的要求，n值由下式进行估算：

n＝int(d_max/h_max)+1；其中h_max为曲面分层梯度距离的最大值；

2.2)然后，按照如下算法确定出点云的分层区间号num和梯度距离h_λ：

2.2.1)读入网格划分后的增材再制造模型，提取出缺损点云所在网格的质心数据P 以及其对应的成形距离d，构建数据结构D＝[P；d；num＝NULL；h_λ]；

2.2.2)令i＝0，di_max＝d_max+1，输入分层数目n；

2.2.3)令di_min＝(n-i)h_min，h_min为曲面分层梯度距离的最小值，遍历num值为NULL的成形距离d，如果di_min≤d<di_max，记录所对应的点P所属的分层区间号num＝i，令其分层的梯度距离为：

2.2.4)令i＝i+1，di_max＝di_min，若i<n-1，返回2.2.3)；

2.2.5)记录点云中num值为NULL的点，令num＝i-1，h_λ＝d；

③分层数据的生成；

梯度分层时，真实存在的分层曲面族不需要被确切的描述出来，而只是以各曲面上的分层数据来插值表示就足够了；分层数据包括两部分：轮廓数据和轮廓内部数据；对于第i层的分层数据，其轮廓数据直接记录为分层区间号num＝i的数据点；轮廓内部数据P’(x’,y’,z’)则可由低于切层曲面(num<i)的点云采用梯度距离增长得到。

进一步的，步骤③中，轮廓内部数据P’(x’,y’,z’)由低于切层曲面(num<i)的点云采用梯度距离增长得到的公式如下：

针对所有数据结构D＝[P(x,y,z)；d；num；h_λ],num＝0,1,L,i，

进一步的，步骤②中，引入的梯度距离h_λ应该处在区间[h_minh_max]中，这保证了层与层之间不会出现超出系统再制造能力的厚度；然而，据上计算出的h_λ不一定满足该条件，可通过调节[h_minh_max]的值来保证；

对公式

进行推导，可以计算出第i层区间的h_λ满足：

可见，随着点云所属的分层区间号i的增加，h_λ越界的可能越大；保证h_λ不越界的充分必要条件就是：

h_max≥2h_min，

所以说，实现梯度曲面分层时的[h_minh_max]必须是在满足该条件的前提下进行调节。

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，具体涉及等距曲面分层方法。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)对于小倾斜度表面的成形，提出本发明的基于增材再制造点云模型的梯度曲面分层法，增材再制造基面点云的增长值可同时作为成形数据，为后续的路径生成提供了一条捷径，保证了增材再制造成形的“快速性”和“精确性”。

附图说明

图1为梯度曲面分层的效果示意图。

具体实施方式

(实施例1)

为了解决小倾斜度表面的成形精度问题，本实施例提出了梯度曲面分层的方法。该方法是指在成形高度范围内构造出若干梯度变化的中间分层面，以实现从再制造基面向成形表面的过渡变化。根据模型特征确定出分层曲面是梯度分层的关键。

对于典型的呈现

型或

型的再制造模型，为了研究方便，分层方向一般统一定为 Base下的Z轴方向，则此时模型都具备严格的保凸性，如果将再制造基面点云采用梯度距离进行逐层增长就形成了一系列的过渡分层面。同时点云的增长值也构成了分层曲面上的成形点，这还为再制造路径的生成提供了数据基础。

本实施例的基于增材再制造点云模型的梯度曲面分层方法包括如下步骤：

①成形距离计算；

首先认定增材再制造模型是完整的，由缺损点云和标准点云组成。将增材再制造模型进行空间网格划分，对于任意点P(x,y,z)，计算出它的网格号(m,n,q)：

其中，box_size指网格宽度，x_min，y_min，z_min分别为空间点云在x,y,z方向距离基准点的最小值。

计算网格(m,n,q)的质心点P_p(xx,yy,zz)，假设网格中点的个数为sum，则：

建立缺损点云所处的网格(m,n,q)与标准点云所处的网格(m’,n’,q’)的对应关系，对应原则是网格号满足：m＝m’且n＝n’。并计算对应网格的质心点的欧式距离：

距离d反映了缺损点云在该点处的缺损程度，也就是需要进行增材再制造的成形距离。选择d_max作为曲面分层的高度范围值。

②梯度距离确定；

2.1)首先确定分层数目n。考虑兼顾到增材再制造的快速性的要求，n值由下式进行估算：

n＝int(d_max/h_max)+1；其中h_max为曲面分层梯度距离的最大值。

2.2)然后，按照如下算法确定出点云的分层区间号num和梯度距离h_λ：

2.2.1)读入网格划分后的增材再制造模型，提取出缺损点云所在网格的质心数据P 以及其对应的成形距离d，构建数据结构D＝[P；d；num＝NULL；h_λ]；

2.2.2)令i＝0，di_max＝d_max+1，输入分层数目n；

2.2.3)令di_min＝(n-i)h_min，h_min为曲面分层梯度距离的最小值，遍历num值为NULL的成形距离d，如果di_min≤d<di_max，记录所对应的点P所属的分层区间号num＝i，令其分层的梯度距离为：

2.2.4)令i＝i+1，di_max＝di_min，若i<n-1，返回2.2.3)；

2.2.5)记录点云中num值为NULL的点，令num＝i-1，h_λ＝d。

引入的梯度距离h_λ应该处在区间[h_minh_max]中，这主要保证了层与层之间不会出现超出系统再制造能力的厚度。然而，据上计算出的h_λ不一定满足该条件，可通过调节[h_minh_max]的值来保证。

对公式

进行推导，可以计算出第i层区间的h_λ满足：

可见，随着点云所属的分层区间号i的增加，h_λ越界的可能越大。保证h_λ不越界的充分必要条件就是：

h_max≥2h_min，

所以说，实现梯度曲面分层时的[h_minh_max]必须是在满足该条件的前提下进行调节，这对于现实的堆焊成形工艺优化具有重要的指导意义。

③分层数据的生成。

梯度分层时，真实存在的分层曲面族不需要被确切的描述出来，而只是以各曲面上的分层数据来插值表示就足够了。分层数据包括两部分：轮廓数据和轮廓内部数据。对于第i层的分层数据，其轮廓数据直接记录为分层区间号num＝i的数据点；轮廓内部数据P’(x’,y’,z’)则可由低于切层曲面(num<i)的点云采用梯度距离增长得到，针对所有数据结构D＝[P(x,y,z)；d；num；h_λ],num＝0,1,L,i，

如果该方法得到的轮廓内部数据，在数量分布上满足要求，就可直接作为成形数据进行保存，省去了后续插值构建的过程，这为再制造路径生成提供了一条捷径。图1即为应用该方法的梯度曲面分层效果。它还可以借鉴到快速成形中去，对于呈现△型或

型的曲面分层可以将高于切层面的点云向该层面映射，来生成轮廓内部数据。

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 (2)

1.一种基于增材再制造点云模型的梯度曲面分层方法，其特征在于包括如下步骤：

①成形距离计算；

首先认定增材再制造模型是完整的，由缺损点云和标准点云组成；将增材再制造模型进行空间网格划分，对于任意点P(x,y,z)，计算出它的网格号(m,n,q)：

其中，box_size指网格宽度，x_min，y_min，z_min分别为空间点云在x,y,z方向距离基准点的最小值；

计算网格(m,n,q)的质心点P_p(xx,yy,zz)，假设网格中点的个数为sum，则：

建立缺损点云所处的网格(m,n,q)与标准点云所处的网格(m’,n’,q’)的对应关系，对应原则是网格号满足：m＝m’且n＝n’；并计算对应网格的质心点的欧式距离：

距离d反映了缺损点云在该点处的缺损程度，也就是需要进行增材再制造的成形距离；选择d_max作为曲面分层的高度范围值；

②梯度距离确定；

2.1)首先确定分层数目n；考虑兼顾到增材再制造的快速性的要求，n值由下式进行估算：

n＝int(d_max/h_max)+1；其中h_max为曲面分层梯度距离的最大值；

2.2)然后，按照如下算法确定出点云的分层区间号num和梯度距离h_λ：

2.2.1)读入网格划分后的增材再制造模型，提取出缺损点云所在网格的质心数据P以及其对应的距离d，构建数据结构D＝[P；d；num＝NULL；h_λ]；

2.2.2)令i＝0，di_max＝d_max+1，输入分层数目n；

2.2.3)令di_min＝(n-i)h_min，h_min为曲面分层梯度距离的最小值，遍历num值为NULL的成形距离d，如果di_min≤d<di_max，记录所对应的点P所属的分层区间号num＝i，令其分层的梯度距离为：

2.2.4)令i＝i+1，di_max＝di_min，若i<n-1，返回2.2.3)；

2.2.5)记录点云中num值为NULL的点，令num＝i-1，h_λ＝d；

引入的梯度距离h_λ处在区间[h_min，h_max]中，这保证了层与层之间不会出现超出系统再制造能力的厚度；然而，计算出的h_λ不一定满足该条件：引入的梯度距离h_λ处在区间[h_min，h_max]中，可通过调节[h_min h_max]的值来保证；

对公式

进行推导，可以计算出第i层区间的h_λ满足：

可见，随着点云所属的分层区间号i的增加，h_λ越界的可能越大；保证h_λ不越界的充分必要条件就是：

h_max≥2h_min，

所以说，实现梯度曲面分层时的[h_min，h_max]必须是在满足该条件：h_max≥2h_min的前提下进行调节；

③分层数据的生成；

梯度分层时，真实存在的分层曲面族不需要被确切的描述出来，而只是以各曲面上的分层数据来插值表示就足够了；分层数据包括两部分：轮廓数据和轮廓内部数据；对于第i层的分层数据，其轮廓数据直接记录为分层区间号num＝i的数据点；轮廓内部数据P’(x’,y’,z’)则由低于切层曲面、num<i的点云采用梯度距离增长得到。

2.根据权利要求1所述的基于增材再制造点云模型的梯度曲面分层方法，其特征在于：步骤③中，轮廓内部数据P’(x’,y’,z’)由低于切层曲面、num<i的点云采用梯度距离增长得到的公式如下：

针对所有数据结构D＝[P(x,y,z)；d；num；h_λ],num＝0,1,…,i，

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