CN110039186B - 一种应用于激光表面刻蚀的曲面模型路径规划方法 - Google Patents

一种应用于激光表面刻蚀的曲面模型路径规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于激光表面刻蚀的曲面模型路径规划方法，该方法以商业软件中建立的、保存成stl格式的三维曲面模型为输入，以三维点集构成的扫描路径为输出，采用多个参数控制路径规划的精度和运算量；相关参数包括：路径点x方向距离参数dx，路径点y方向距离参数dy，以及顶点稀疏化参数Δk。本发明实现了非闭合stl曲面上直接的三维路径生成，与传统先将曲面分层再进行平面路径规划的方法相比，省去了中间步骤，大幅减少了计算量。

Description

一种应用于激光表面刻蚀的曲面模型路径规划方法
技术领域
本发明应用于激光表面刻蚀领域，具体涉及一种应用于激光表面刻蚀的曲面模型路径规划方法。
背景技术
激光加工技术中，路径规划是数据处理最重要的组成部分，在激光切割、焊接、打标、修理等领域都需要路径规划，路径规划方法的好坏，直接影响了加工的质量和速度。在激光切割、焊接领域，只需要刻蚀图形的轮廓，实现此功能的算法种类多样，已经相当成熟。激光表面刻蚀与此不同，除了需要刻蚀图形轮廓外，还需要对轮廓内部进行填充，目前对二维平面进行填充的算法有很多，如黑白图、种子填充法、有序边表法等，这些算法在特定的应用场合效果很好。但对于三维曲面填充，相关算法较少。
发明内容
本发明针对于激光表面刻蚀，提供了一种应用于激光表面刻蚀的曲面模型路径规划方法，该方法输入为非封闭的stl格式曲面，输出为一系列空间点集。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种应用于激光表面刻蚀的曲面模型路径规划方法，该方法以商业软件中建立的、保存成stl格式的三维曲面模型为输入，以三维点集构成的扫描路径为输出，采用多个参数控制路径规划的精度和运算量；相关参数包括：路径点x方向距离参数dx，路径点y方向距离参数dy，以及顶点稀疏化参数Δk。
本发明进一步的改进在于，具体包括如下步骤：
1)形成包围盒
将stl曲面投影到xy平面形成由一系列三角形组成的有界平面，并求出有界平面的范围xmin、xmax、ymin和ymax，形成一个矩形的包围盒将其包围在内；
2)提取平面边界
Stl模型由一系列三角片构成，组成曲面边界的三角片的边具有以下特征：该边只属于一个三角形，利用该特征将组成曲面边界的三角片的边从所有边中提取出来，并将其投影到xy面上构成平面的边界；
3)在平面上获得一系列平行线
确定路径点y方向的距离参数dy，然后令y值从ymin开始以行距dy递增，直至y+dy≥ymax时，令y＝ymax，得到一系列横跨二维平面的水平直线；
4)获得平行线与平面边界交点
对于步骤3)获得的每一条水平直线，求出其与二维平面边界的多个交点；
5)生成二维路径点
对排序并分组后的交点以每组前、后点的x值作为xstart,xend；x值从xstart开始以恒定步长dx依次递增，直至x+dx≥xend时，令x＝xend，该组x点插入即完成，转至下一组顶点，直至到达该水平上最后一个交点，生成一系列二维路径点，转至下一条水平线上的交点重复该过程；
6)将二维路径点投影成三维路径点，构成扫描路径
对于上一步产生的每个二维路径点，求出其在曲面上投影点的z值，即将该点转化为了三维点，进而构成扫描路径。
3.根据权利要求2所述的一种应用于激光表面刻蚀的曲面模型路径规划方法，其特征在于，还包括以下步骤：
7)路径点稀疏化
为减少三维路径点数量，对生成的三维点进行稀疏化；具体方法如下：对于已生成的三维点集，计算相邻点形成的直线的斜率，即z坐标差值/x坐标差值，再计算相邻直线li-1,i与li,i+1的斜率差，若斜率差小于稀疏化阈值Δk，则将i点去除，此时i+1点变为i点，重复以上步骤；为防止多次斜率差累积，限定每5个相邻三维点保留一个，从而在精度改变极小的条件下大幅降低路径点的数量。
本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：(1)对组成平面边界的边进行筛选：根据水平直线y值与组成平面边界的三角边两顶点的坐标，筛选出与水平直线相交的三角边；(2)求出轮廓线段与水平直线交点：根据筛选出的三角边两顶点坐标求出其直线方程，结合水平直线的y坐标求出轮廓线与水平线交点；(3)交点排序：对步骤(2)求出的多个交点根据x值从小到大排序，排序后每两个交点作为一组。
本发明进一步的改进在于，步骤6中，求各点z值的方法如下：对于一个二维点，先根据点与三角形关系的判断方法判断其位于哪个二维三角形内，然后找出曲面上与二维三角形对应的三维三角片，根据三维三角片三个顶点z坐标和二维点的x、y坐标求出该点投影到曲面上的z值，即将平面点转化为三维点。
本发明具有如下有益的技术效果：
1)计算量少：实现了非闭合stl曲面上直接的三维路径生成，与传统先将曲面分层再进行平面路径规划的方法相比，省去了中间步骤，大幅减少了计算量。
2)对曲面适应性强：对一般曲面、有孔洞等缺陷的不连续曲面均实现了准确的路径点填充，且填充点与曲面边界不存在缝隙，即路径起点与终点均刚好落在曲面边界上。
3)精度高：通过调节三维路径点两个方向的递进量，精度可以达到微米级。
4)路径点数量适中：通过稀疏化降低了曲面较平缓处路径点的数量，实现了精度与速度的平衡。
5)可扩展性强：该填充方法还可应用于光固化3D打印、激光打标等场合。
附图说明
图1为本发明一种应用于激光表面刻蚀的曲面模型路径规划方法的流程图。
图2为带孔洞的、边为样条曲线的平面图形路径点插入示意图。
图3为路径点稀疏过程前后的对比图。
图中：1为三维曲面，2为有界平面，3为包围盒，4为曲面边界，5为平面边界，6为路径点竖直方向距离，7为与平面边界相交的一系列水平线，8为一条水平线与平面边界的多个交点，9为路径点水平方向距离，10为三维点，11为稀疏化后的路径点分布，12为曲面上三维扫描路径；
13为边界不规则二维平面的包围盒，14为一条水平线上第一个起点，15为第一个终点，16为跳过孔之后的第二个起点，17为第二个终点，18为填充点；
19为稀疏化之前曲面上的三维路径点，20为稀疏后的三维路径点。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示：本发明提供的一种应用于激光表面刻蚀的曲面模型路径规划方法，该方法以三维曲面1为输入，曲面上三维扫描路径12为输出，并采用多个参数控制路径规划的精度和运算量。参数包括路径点竖直方向距离7和路径点水平方向距离9，此外，稀疏化参数图上无法表示。
路径规划的步骤具体如下：
1)形成包围盒
将三维曲面1投影形成由一系列三角形组成的有界平面2，并求出有界平面2的范围xmin、xmax、ymin和ymax，形成一个矩形的包围盒3将其包围在内。
2)提取曲面和平面边界
Stl模型由一系列三角片构成，组成曲面边界的三角片的边具有以下特征：该边只属于一个三角形。利用该特征可将曲面的两个封闭曲面边界4提取出来，并将其投影到xy面上构成平面边界5。
3)在平面上获得一系列平行线
确定路径点竖直方向距离6(dy)，然后令y值从ymin开始以dy递增，直至y+dy≥ymax时，令y＝ymax，得到与平面边界相交的一系列水平线7。
4)获得平行线与平面边界交点
对于3)获得的每一条水平直线，求出每一条水平线与平面边界的多个交点8，方法如下：(1)对组成平面边界的边进行筛选：根据水平线y值与组成平面边界的边两顶点的坐标，筛选出多条与水平直线相交的边。(2)求出边与水平直线交点：根据筛选出的每条边的两顶点坐标求出其直线方程，结合水平线的y值求出边与水平线交点，多条边与水平线共有多个交点。(3)交点排序：对(2)求出的多个交点根据x值从小到大排序，排序后每两个交点作为一组。
5)生成二维路径点
以步骤4)得到的每组交点前、后点的x值作为xstart,xend。x值从xstart开始以路径点水平方向间距9(dx)依次递增，直至x+dx≥xend时，令x＝xend，该组x点插入即完成，转至下一组交点，直至结束，得到一系列二维路径点。
6)将二维路径点投影成三维路径点，构成扫描路径
对于步骤5)生成的每个二维路径点，求出其在曲面上对应点的z值，即将该点转化为了三维路径点。求各点z值的方法如下：对于一个二维点，先根据点与三角形关系的判断方法判断其位于哪个二维三角形内，然后找出曲面上与该二维三角形对应的三维三角片，根据重心坐标法(已知三维三角片顶点的空间坐标和二维点坐标可求出该点对应的曲面上的点的z值)，即将平面点转化为三维点10。
7)路径点稀疏化
为减少三维路径点数量，对生成的三维点进行稀疏化，方法如下：对于已生成的三维点i，计算i与其前后相邻点形成的直线的斜率ki-1,i、ki,i+1(z坐标差值/x坐标差值)，再计算斜率差ki,i+1-ki-1,i，若斜率差小于稀疏化阈值Δk，则将第i点去除，此时i+1点变为i点，重复以上步骤。为防止斜率差很小的多个相邻点之间累积斜率差过大，限定每5个相邻三维点必须保留一个，得到稀疏化后的路径点分布11，将每组点集连成折线，即构成了曲面上三维路径12。
如图2所示：为对二维路径点生成过程的详细介绍。13为边界不规则二维平面的包围盒，曲面有孔洞时，一条水平线与平面边界的交点超过两个，为一条水平线上第一个起点14，第一个终点15，跳过孔之后的第二个起点16，以及第二个终点17，将交点排序后两两分组，将每组第一个起点14、跳过孔之后的第二个起点16作为xstart，第一个终点15、第二个终点17作为xend。在每组xstart,xend之间等距离填充点18。
如图3所示：为对稀疏化过程的详细介绍。激光振镜加工时，路径点数量越少速度越快，若通过增大路径点水平方向距离9和路径点竖直方向距离6的方式降低路径点数量，对于曲率变化较大的曲面，会降低对曲面拟合的精度，故需要对插入的稀疏化之前曲面上的三维路径点19进行稀疏化处理。通过设置顶点稀疏化阈值Δk，当两相邻点组成的直线的斜率差小于Δk时，将中间点去除，得到稀疏化后的三维路径点20。

Claims (3)

1.一种应用于激光表面刻蚀的曲面模型路径规划方法，其特征在于，该方法以商业软件中建立的、保存成stl格式的三维曲面模型为输入，以三维点集构成的扫描路径为输出，采用多个参数控制路径规划的精度和运算量；相关参数包括：路径点x方向距离参数dx，路径点y方向距离参数dy，以及顶点稀疏化参数Δk；具体包括如下步骤：
1)形成包围盒
将stl曲面投影到xy平面形成由一系列三角形组成的有界平面，并求出有界平面的范围xmin、xmax、ymin和ymax，形成一个矩形的包围盒将其包围在内；
2)提取平面边界
Stl模型由一系列三角片构成，组成曲面边界的三角片的边具有以下特征：该边只属于一个三角形，利用该特征将组成曲面边界的三角片的边从所有边中提取出来，并将其投影到xy面上构成平面的边界；
3)在平面上获得一系列平行线
确定路径点y方向距离参数dy，然后令y值从ymin开始以路径点y方向距离参数dy递增，直至y+dy≥ymax时，令y＝ymax，得到一系列横跨二维平面的水平直线；
4)获得平行线与平面边界交点
对于步骤3)获得的每一条水平直线，求出其与二维平面边界的多个交点；
5)生成二维路径点
对排序并分组后的交点以每组前、后点的x值作为xstart,xend；x值从xstart开始以恒定步长dx依次递增，直至x+dx≥xend时，令x＝xend，该组x点插入即完成，转至下一组顶点，直至到达该水平上最后一个交点，生成一系列二维路径点，转至下一条水平线上的交点重复该过程；
6)将二维路径点投影成三维路径点，构成扫描路径
对于上一步产生的每个二维路径点，求出其在曲面上投影点的z值，即将该点转化为了三维点，进而构成扫描路径；
7)路径点稀疏化
为减少三维路径点数量，对生成的三维点进行稀疏化；具体方法如下：对于已生成的三维点集，计算相邻点形成的直线的斜率，即z坐标差值/x坐标差值，再计算相邻直线li-1,i与li,i+1的斜率差，若斜率差小于顶点稀疏化参数Δk，则将i点去除，此时i+1点变为i点，重复以上步骤；为防止多次斜率差累积，限定每5个相邻三维点保留一个，从而在精度改变极小的条件下大幅降低路径点的数量。
2.根据权利要求1所述的一种应用于激光表面刻蚀的曲面模型路径规划方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：(1)对组成平面边界的边进行筛选：根据水平直线y值与组成平面边界的三角边两顶点的坐标，筛选出与水平直线相交的三角边；(2)求出轮廓线段与水平直线交点：根据筛选出的三角边两顶点坐标求出其直线方程，结合水平直线的y坐标求出轮廓线与水平线交点；(3)交点排序：对步骤(2)求出的多个交点根据x值从小到大排序，排序后每两个交点作为一组。
3.根据权利要求2所述的一种应用于激光表面刻蚀的曲面模型路径规划方法，其特征在于，步骤6中，求各点z值的方法如下：对于一个二维点，先根据点与三角形关系的判断方法判断其位于哪个二维三角形内，然后找出曲面上与二维三角形对应的三维三角片，根据三维三角片三个顶点z坐标和二维点的x、y坐标求出该点投影到曲面上的z值，即将平面点转化为三维点。
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