CN110489778A - 面向激光刻蚀加工的图形分割方法、激光刻蚀控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光刻蚀技术领域，公开了一种面向激光刻蚀加工的图形分割方法、激光刻蚀控制系统，计算贴图点位法向量；二维矢量贴图缠绕于三维网格模型表面，计算每一个二维矢量贴图的变换矩阵，基于几何变换的原理将贴图缠绕于三维网格模型表面；扫描振镜的扫描范围与最大焦深确定搜索范围，获取每个加工区域关联的贴图图案；对于一个加工区域，根据中心点的位置，确定分割平面，将加工区域边界线与关联图案投影到分割平面上，对图案进行分割；根据反投影坐标系，生成加工方需要的可加工文件。本发明不仅可以有效的减少传统方法中扫描振镜的移动次数，提高实际加工的效率；而且能够高效的分割出每个加工区域的图案，同时图案的精度得到保证。

Description

面向激光刻蚀加工的图形分割方法、激光刻蚀控制系统

技术领域

本发明属于激光刻蚀技术领域，尤其涉及一种面向激光刻蚀加工的图形分割方法、激光刻蚀控制系统。

背景技术

随着激光刻蚀加工技术的不断发展，大尺寸复杂模型表面图案的加工技术已经成为了非常重要的技术需求。现如今待加工模型形状越来越复杂，幅面越来越大，当贴图图案较小时，所需的贴图点位就比较多，这种情况下就会使得激光刻蚀系统五轴运动机构频繁的移动以确定下一个加工图案的位置，使得实际的加工效率低下。此时，通常采用更大的贴图图案从而减少贴图点位数目。然而当引入较大的贴图图案时，刻蚀系统的扫描振镜无法通过一次扫描完成一个贴图图案的加工，因此需要将待加工的图案根据加工区域进行分割，从而实现一次性加工。目前，针对于激光刻蚀的方法，国内诸多学者提出了许多策略。华中科技大学的刘晓松实现了一种通过导入STL格式模型并对模型进行投影的加工系统，通过振镜与电机的联动刻蚀提高加工效率，但由于在进行投影加工时，并未做过多的限制，对于曲面曲率较大的模型来说，加工出的图案存在着严重变形的问题。深圳海目星激光科技有限公司的陈良辉等人提出了一种将三维模型曲面进行参数化的方法，将二维矢量纹理映射到参数化后的曲面表面进行加工的方式，由于待加工的模型可能十分复杂，很难快速的求解其参数方程，因此该方法同样只适用于拓扑结构简单的模型。现有的面向大尺寸三维网格模型表面图案的激光加工方法只适用于部分拓扑结构简单的三维模型，对于拓扑结构十分复杂的模型来说，在曲面曲率变化较大的情况下难以保证图案的加工精度，无法满足加工方的实际需求。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的面向大尺寸三维网格模型表面图案的激光加工方法适用范围十分有限，在曲面曲率变化较大的情况下难以保证图案的加工精度，同时进行加工的图元种类多以线段为主，难以满足实际的加工需求。

解决上述技术问题的难度主要在于需要根据加工方所提供的贴图点位正确的将二维矢量贴图映射到三维模型表面，以及根据加工区域的设定，正确的分割出每一加工区域部分的图元图案，生成相应的可加工文件，供实际加工方所使用。

解决上述技术问题的意义在于提供一种面向激光刻蚀加工的图形分割方法、激光刻蚀控制系统，能够有效的根据加工区域分割出加工区域中的图案信息，在模型曲率变化较大的情况下依然可以适用，同时处理线、多段线、圆与圆弧图元的分割，适用的图元种类更加广泛。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向激光刻蚀加工的图形分割方法、激光刻蚀控制系统。

本发明是这样实现的，一种面向激光刻蚀加工的图形分割方法，所述面向激光刻蚀加工的图形分割方法包括：

第一步，计算贴图点位法向量：根据贴图点位，从三维网格模型中搜索合适的三角形面片，计算其法向信息作为该贴图点位贴图时的法向；

第二步，将二维矢量贴图缠绕于三维网格模型表面，由第一步中计算出的法向信息，计算每一个二维矢量贴图的旋转平移变换矩阵，基于几何变换的原理将矢量贴图缠绕于三维网格模型表面；

第三步，根据实际加工方所使用的激光刻蚀系统扫描振镜的扫描范围与最大焦深确定搜索范围，获取每个加工区域关联的贴图图案；

第四步，对于每一个加工区域，根据第三步获取到的关联图案，以加工区域中心点与法向量所确定的平面为分割平面，将加工区域边界线与关联图案投影到分割平面上，基于奇偶规则的基本原则对图案进行分割；

第五步，根据反投影坐标系，将第四步中分割出的图案经反投影生成加工方所使用的可加工文件。

进一步，所述第一步中贴图点位集合为P，构成三维网格模型的三角形面片集合为T，利用贴图点位在三维网格模型中搜索与其最近的三角形面片，计算出贴图法向量；

贴图点位表示为集合P，三维网格模型表面三角形面片集合表示为T，贴图点位法向量计算的步骤：

步骤一，从贴图点位集合P中获取一个点位p；

步骤二，初始化局部变量minValue为无穷大值与法向量结果

步骤三，遍历三维网格模型表面所有三角形面片T，获取一个三角形面片的信息，计算其重心坐标，并计算重心坐标到三个顶点的距离，取其中的最大值赋予maxValue；

步骤四，计算贴图点位p到重心坐标的距离dis1，若dis1小于maxValue执行下一步，否则执行步骤三；

步骤五，计算贴图点位p到三角形面片的距离dis2，若dis2小于minValue，则将dis2赋予minValue，计算三角形面片的法向量赋予N；

步骤六，返回法向量结果作为p贴图时的法向量。

进一步，所述第二步中采用罗德里格旋转公式推导出旋转平移变换矩阵，将二维矢量贴图利用几何变换的方式缠绕于三维网格模型表面；

原始的二维矢量贴图其中心点位于(0,0,0)，法向量为一个贴图点位表示为p(x₀,y₀,z₀)，法向量表示为则其变换矩阵的计算步骤：

步骤一，计算出旋转角度θ；

步骤二，计算旋转轴C(c_x,c_y,c_z)；

步骤三，将旋转轴处理为单位向量；

其中

步骤四，根据罗德里格公式计算旋转矩阵R；

步骤五，根据贴图点位p计算齐次变换矩阵；

步骤六，根据齐次变换矩阵，对二维矢量图案进行变换。

进一步，所述第三步中根据激光刻蚀系统扫描振镜的加工范围与最大焦深确定加工区域关联图案的搜索范围，其中包括水平搜索范围与竖直搜索范围；利用贴图点位与搜索范围确定加工区域关联的图案结果；

实际加工方所使用的激光刻蚀系统扫描振镜的加工范围为range，最大焦深为depth，二维矢量贴图对角线长度为len，水平搜索范围为horizonRange，竖直搜索范围verticalRange，则采用下式所示的搜索范围；

加工区域中心点坐标表示为Ac(x,y,z)，其法向量为nor(nx,ny,nz)，获取一个加工区域关联图案的步骤如下：

步骤一，初始化搜索范围horizonRange与verticalRange；

步骤二，获取一个加工区域信息；

步骤三，遍历所有贴图点位P，计算贴图点p到Ac的距离dis1，计算贴图点p到由Ac与nor确定的平面的距离dis2；

步骤四，若dis1小于horizonRange并且dis2小于verticalRange，则将该图案编号，标记为与当前加工区域相关联；否则，执行步骤三；

步骤五，返回当前加工区域相关联的贴图图案集合。

进一步，所述第四步中将加工区域中心点与其法向量所确定的平面作为分割平面；采用平行投影的方法将加工区域边界与关联图案投影至分割平面上进行分割；分割的对象具体包括线、多段线、圆与圆弧图元。

进一步包括：

得到加工区域关联的图案后便可进行图形分割的处理，在分割之前先确定以加工区域中心点Ac(x,y,z)与其法向量nor(nx,ny,nz)确定的平面为分割平面；将一个加工区域的边界线与关联图案全部投影到分割平面上，进行进一步的处理；

投影后加工区域边界与线图元存在三种相交情况；对于情况一，表示边界与线图元相交；对于情况二，表示边界线与线图元的交点在线图元的反向延长线上；对于情况三，表示边界线与线图元相交，并且交点是线图元的起点；

线图元起点与终点分别记为A(x₁,y₁,z₁)与B(x₂,y₂,z₂)，加工区域一条边界线的起点与终点分别记为C(x₃,y₃,z₃)与D(x₄,y₄,z₄)，则线图元与边界线所在直线的参数方程写作如下：

利用向量法判断两条直线是否存在交点，判定式为：

若Δ≠0说明两条直线存在交点。则联立两条直线参数方程，进行求解。则λ与μ分别表示为：

对于情况一则有0＜λ≤1且0≤μ≤1，此时记录交点坐标；对于情况二则有λ＜0且0≤μ≤1，此时记录反向延长线与边界线的交点个数；对于情况三则有λ＝0且0≤μ≤1，此时记录交点标识；

当一条线图元与一个加工区域所有边界线都处理完成时，根据奇偶规则做出如下处理；当起点标识被设置时，从起点开始的奇数段线图元属于该加工区域；当反向延长线与边界线的交点数目为奇数时，奇数段线图元属于该加工区域，否则偶数段线图元属于该加工区域；

一条线图元的分割步骤如下：

步骤一，初始化变量：起点标识，交点次数与交点集合；

步骤二，获取线图元所在的加工区域边界集合；

步骤三，遍历加工区域边界集合，对于每一条边界线，联立线图元与边界线的参数方程进行求解；判断是否符合三种情况之一，若不符合，则遍历下一条边界线直至边界线全部遍历完成；否则根据所属的情况做出相应处理；

步骤四，当一个加工区域所有边界线都遍历完成后，根据起点标识、相交次数与交点集合做出相应处理；

步骤五，保留属于该加工区域的线图元部分；

投影后加工区域边界与圆弧图元所在的圆存在三种相交情况，对于情况一，表示边界线的起点与终点均不在圆外；对于情况二，表示边界线的起点与终点均在圆外；对于情况三，表示边界线的起点与终点分别在圆内与圆外两侧；

投影后圆弧图元的圆心记为Center(a,b,c)，半径radius，圆弧平面上两个相互垂直的单位向量分别表示为与确定空间中圆弧的参数方程如下式所示，其中圆弧的起始角度为θ_b，终止角度为θ_e：

设分割平面上加工区域一条边界线的起点为A(x₁,y₁,z₁)，终点为B(x₂,y₂,z₂)，则其所在的直线的参数方程为：

联立两个参数方程，求解圆弧所在的圆与边界线的交点。对于情况一，则有0≤ξ≤1，计算交点对应的角度值，并判断角度值是否处于圆弧的起始角度θ_b与终止角度θ_e之间，若在，则记录其角度值；对于情况二，则计算圆心Center至边界线的距离，若距离小于半径radius则求出边界线与圆的交点，并判断交点对应的角度值是否在圆弧的起始角度θ_b与终止角度θ_e之间，若在，则记录其角度值；对于情况三，则判断交点的角度是否在圆弧起始角度θ_b与终止角度θ_e之间，若在，则记录其角度值；

当一条圆弧图元与一个加工区域边界线都处理完成时对记录的角度值进行排序的方法示意图；排序规则取决于圆弧起始角度θ_b与终止角度θ_e的大小。若θ_b＜θ_e，则只需进行升序排序；否则，先对θ_b至360度区间的角度进行升序排序，再对0度至θ_e区间的角度进行升序排序；根据排序结果依次连续的获取每两个角度值，计算其中间角度所对应的点，利用奇偶规则判断该点是否处于加工区域内部，若在，则该段圆弧段属于加工区域内部，则保留；否则，不保留；

一条圆弧的分割步骤如下：

步骤一，初始化变量：交点角度集合；

步骤二，获取圆弧图元所在的加工区域边界集合；

步骤三，遍历加工区域边界集合，对于每一条边界线，联立圆弧图元所在的圆与边界线的参数方程进行求解；判断是否符合三种情况之一，若不符合，则遍历下一条边界线直至边界线全部遍历完成；否则根据所属的情况做出相应处理；

步骤四，当一个加工区域所有边界线都遍历完成后，对交点角度集合进行排序；根据排序结果依次连续获取两个角度值，计算中间角度并判断对应点是否处于加工区域内部，若在，将该段圆弧段保留；

步骤五，保留属于该加工区域的圆弧部分。

进一步，所述第五步中，根据反投影坐标系的信息，将各个加工区域分割后的图案反投影生成具体文件格式的可加工图案，交付加工方使用；

当一个加工区域的图案分割完成时，将所属图案进行反投影生成可加工文件以供加工方使用；反投影坐标系的坐标原点表示为O′(x₀,y₀,z₀)，X轴与Y轴正向单位向量分别为与分割平面上任意一点P′(x′,y′,z′)在反投影坐标系下的对应点P(x,y,z)计算方法如下；

线图元的反投影计算步骤如下：

步骤一，利用上述的计算方法计算线图元起点对应的反投影坐标；

步骤二，利用上述的计算方法计算线图元终点对应的反投影坐标；

圆弧图元的反投影计算步骤如下：

步骤一，利用上述的计算方法计算圆弧图元圆心对应的反投影坐标；

步骤二，圆弧的起始角度为θ_b，终止角度为θ_e，水平单位向量竖直单位向量为利用向量数量积公式计算出旋转角度θ；

步骤三，根据求解出的θ做如下处理；

步骤四，设置反投影后圆弧的起始角度θ_b与终止角度θ_e；

步骤五，设置反投影后圆弧的水平单位向量与竖直单位向量；

本发明的另一目的在于提供一种面向激光刻蚀加工的图形分割方法的面向激光刻蚀加工的图形分割系统，所述面向激光刻蚀加工的图形分割系统包括：

贴图点位法向量计算模块，用于根据贴图点位对三维网格模型进行搜索，找到合适的贴图法向；

模型贴图模块，用于根据计算得到的贴图方向，计算二维矢量图案的变换矩阵，将图案缠绕于三维网格模型表面；

关联图案获取模块，用于根据激光刻蚀系统的加工范围与最大焦深确定搜索范围，结合贴图点位对加工区域关联的图案进行搜索；

图形分割模块，用于根据获取到的关联图案，以加工区域中心点与法向量确定的平面作为分割平面，将加工区域边界与关联图案同时投影到分割平面上进行分割，保存分割过后各个加工区域的图案信息；

图案反投影模块，用于根据反投影坐标系，将各个加工区域的图案进行反投影操作，生成对应加工区域编号的可加工文件。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述面向激光刻蚀加工的图形分割方法的激光刻蚀控制系统。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述面向激光刻蚀加工的图形分割方法的激光刻蚀系统五轴运动机构。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明基于分区加工与投影的思想实现一种根据加工区域对三维网格模型表面二维矢量贴图进行分割的方法来解决激光刻蚀领域大尺寸三维网格模型表面图案的分割问题。本发明针对于目前激光刻蚀领域所提供的加工技术应用范围狭窄、适用加工模型有限以及精度难以把握的情况，本发明提供了基于分区加工与投影的图形分割方法，不仅可以有效的减少传统方法中扫描振镜的移动次数，从而提高实际加工的效率，而且能够高效的分割出每个加工区域的图案，同时图案的精度得到保证。

附图说明

图1是本发明实施例提供的面向激光刻蚀加工的图形分割方法流程图。

图2是本发明实施例提供的三维网格模型示意图。

图3是本发明实施例提供的三维网格模型对应的加工区域示意图。

图4是本发明实施例提供的一种二维矢量图案示意图。

图5是本发明实施例提供的线图元分割的几种情况示意图。

图6是本发明实施例提供的圆弧图元分割的几种情况示意图。

图7是本发明实施例提供的圆弧图元角度排序规则以及中间角度的示意图。

图8是本发明实施例提供的加工区域图案分割结果示意图。

图9是本发明实施例提供的反投影后生成的可加工文件的样式。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向激光刻蚀加工的图形分割方法、激光刻蚀控制系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的面向激光刻蚀加工的图形分割方法包括以下步骤：

S101：计算贴图点位法向量：根据贴图点位，从三维网格模型中搜索合适的三角形面片，计算其法向信息作为该贴图点位贴图时的法向；

S102：将二维矢量贴图缠绕于三维网格模型表面，由步骤S101中计算出的法向信息，计算每一个二维矢量贴图的旋转平移变换矩阵，基于几何变换的原理将矢量贴图缠绕于三维网格模型表面；

S103：根据实际加工方所使用的激光刻蚀系统扫描振镜的扫描范围与最大焦深确定搜索范围，获取每个加工区域关联的贴图图案；

S104：对于每一个加工区域，根据步骤S103获取到的关联图案，以加工区域中心点与法向量所确定的平面为分割平面，将加工区域边界线与关联图案投影到分割平面上，基于奇偶规则的基本原则对图案进行分割；

S105：根据反投影坐标系，将步骤S104中分割出的图案经反投影生成加工方所使用的可加工文件。

本发明实施例提供的面向激光刻蚀加工的图形分割系统包括：贴图点位法向量计算模块、模型贴图模块、关联图案获取模块、图形分割模块以及图案反投影模块。

贴图点位法向量计算模块，用于根据贴图点位对三维网格模型进行搜索，找到合适的贴图法向。

模型贴图模块，用于根据计算得到的贴图方向，计算二维矢量图案的变换矩阵，将图案缠绕于三维网格模型表面。

关联图案获取模块，用于根据激光刻蚀系统的加工范围与最大焦深确定搜索范围，结合贴图点位对加工区域关联的图案进行搜索。

图形分割模块，用于根据获取到的关联图案，以加工区域中心点与法向量确定的平面作为分割平面，将加工区域边界与关联图案同时投影到分割平面上进行分割，保存分割过后各个加工区域的图案信息。

图案反投影模块，用于根据反投影坐标系，将各个加工区域的图案进行反投影操作，生成对应加工区域编号的可加工文件。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图2所示，本发明实施例提供的三维网格模型，其全部由三角形面片组成，除位于模型边缘处的三角形面片以外，其余三角形面片与周围三角形有三条公共边。

贴图点位表示为集合P，三维网格模型表面三角形面片集合表示为T，贴图点位法向量计算的步骤：

步骤一，从贴图点位集合P中获取一个点位p；

步骤二，初始化局部变量minValue为无穷大值与法向量结果

步骤三，遍历三维网格模型表面所有三角形面片T，获取一个三角形面片的信息，计算其重心坐标，并计算重心坐标到三个顶点的距离，取其中的最大值赋予maxValue；

步骤四，计算贴图点位p到重心坐标的距离dis1，若dis1小于maxValue执行下一步，否则执行步骤三；

步骤五，计算贴图点位p到三角形面片的距离dis2，若dis2小于minValue，则将dis2赋予minValue，计算三角形面片的法向量赋予N；

步骤六，返回法向量结果作为p贴图时的法向量。

原始的二维矢量贴图其中心点位于(0,0,0)，法向量为一个贴图点位表示为p(x₀,y₀,z₀)，法向量表示为则其变换矩阵的计算步骤：

步骤一，计算出旋转角度θ；

步骤二，计算旋转轴C(c_x,c_y,c_z)；

步骤三，将旋转轴处理为单位向量；

其中

步骤四，根据罗德里格公式计算旋转矩阵R；

步骤五，根据贴图点位p计算齐次变换矩阵；

步骤六，根据齐次变换矩阵，对二维矢量图案进行变换。

实际加工方所使用的激光刻蚀系统扫描振镜的加工范围为range，最大焦深为depth，二维矢量贴图对角线长度为len，水平搜索范围为horizonRange，竖直搜索范围verticalRange，则本发明实施例中采用如下式所示的搜索范围。

加工区域中心点坐标表示为Ac(x,y,z)，其法向量为nor(nx,ny,nz)，获取一个加工区域关联图案的步骤如下：

步骤一，初始化搜索范围horizonRange与verticalRange；

步骤二，获取一个加工区域信息；

步骤三，遍历所有贴图点位P，计算贴图点p到Ac的距离dis1，计算贴图点p到由Ac与nor确定的平面的距离dis2；

步骤四，若dis1小于horizonRange并且dis2小于verticalRange，则将该图案编号，标记为与当前加工区域相关联；否则，执行步骤三；

步骤五，返回当前加工区域相关联的贴图图案集合。

得到加工区域关联的图案后便可进行图形分割的处理，需要说明的是本实施例中加工区域边界并不一定均处于同一平面上，贴图图案与模型表面也不一定处于同一平面上，因此在分割之前先确定以加工区域中心点Ac(x,y,z)与其法向量nor(nx,ny,nz)确定的平面为分割平面。本发明实施例中所使用的二维矢量贴图涉及到的主要图元类型包含线、多段线、圆与圆弧，由于多段线可以看作是多个线段，圆可以看作是一种特殊的圆弧，因此在本发明中设计基于线与基于圆弧两类图元的分割方法。将一个加工区域的边界线与关联图案全部投影到分割平面上，进行进一步的处理。

如图5所示，本发明实施例中所述的投影后加工区域边界与线图元存在三种相交情况。对于情况一，表示边界与线图元相交；对于情况二，表示边界线与线图元的交点在线图元的反向延长线上；对于情况三，表示边界线与线图元相交，并且交点是线图元的起点。

线图元起点与终点分别记为A(x₁,y₁,z₁)与B(x₂,y₂,z₂)，加工区域一条边界线的起点与终点分别记为C(x₃,y₃,z₃)与D(x₄,y₄,z₄)，则线图元与边界线所在直线的参数方程写作如下：

利用向量法判断两条直线是否存在交点，判定式为：

若Δ≠0说明两条直线存在交点。则联立两条直线参数方程，进行求解。则λ与μ分别表示为：

对于情况一则有0＜λ≤1且0≤μ≤1，此时记录交点坐标；对于情况二则有λ＜0且0≤μ≤1，此时记录反向延长线与边界线的交点个数；对于情况三则有λ＝0且0≤μ≤1，此时记录交点标识。

当一条线图元与一个加工区域所有边界线都处理完成时，根据奇偶规则做出如下处理。当起点标识被设置时，从起点开始的奇数段线图元属于该加工区域；当反向延长线与边界线的交点数目为奇数时，奇数段线图元属于该加工区域，否则偶数段线图元属于该加工区域。

综上所述，一条线图元的分割步骤如下：

步骤一，初始化变量：起点标识，交点次数与交点集合；

步骤二，获取线图元所在的加工区域边界集合；

步骤三，遍历加工区域边界集合，对于每一条边界线，联立线图元与边界线的参数方程进行求解。判断是否符合三种情况之一，若不符合，则遍历下一条边界线直至边界线全部遍历完成；否则根据所属的情况做出相应处理；

步骤四，当一个加工区域所有边界线都遍历完成后，根据起点标识、相交次数与交点集合做出相应处理；

步骤五，保留属于该加工区域的线图元部分。

如图6所示，本发明实施例中所述的投影后加工区域边界与圆弧图元所在的圆存在三种相交情况，对于情况一，表示边界线的起点与终点均不在圆外；对于情况二，表示边界线的起点与终点均在圆外；对于情况三，表示边界线的起点与终点分别在圆内与圆外两侧。

投影后圆弧图元的圆心记为Center(a,b,c)，半径radius，圆弧平面上两个相互垂直的单位向量分别表示为与确定空间中圆弧的参数方程如下式所示，其中圆弧的起始角度为θ_b，终止角度为θ_e：

设分割平面上加工区域一条边界线的起点为A(x₁,y₁,z₁)，终点为B(x₂,y₂,z₂)，则其所在的直线的参数方程为：

联立两个参数方程，求解圆弧所在的圆与边界线的交点。对于情况一，则有0≤ξ≤1，计算交点对应的角度值，并判断角度值是否处于圆弧的起始角度θ_b与终止角度θ_e之间，若在，则记录其角度值；对于情况二，则计算圆心Center至边界线的距离，若距离小于半径radius则求出边界线与圆的交点，并判断交点对应的角度值是否在圆弧的起始角度θ_b与终止角度θ_e之间，若在，则记录其角度值；对于情况三，则判断交点的角度是否在圆弧起始角度θ_b与终止角度θ_e之间，若在，则记录其角度值。

如图7所示，本发明实施例中所述的当一条圆弧图元与一个加工区域边界线都处理完成时对记录的角度值进行排序的方法示意图。排序规则取决于圆弧起始角度θ_b与终止角度θ_e的大小。若θ_b＜θ_e，则只需进行升序排序；否则，先对θ_b至360度区间的角度进行升序排序，再对0度至θ_e区间的角度进行升序排序。根据排序结果依次连续的获取每两个角度值，计算其中间角度所对应的点，利用奇偶规则判断该点是否处于加工区域内部，若在，则该段圆弧段属于加工区域内部，则保留；否则，不保留。

综上所述，一条圆弧的分割步骤如下：

步骤一，初始化变量：交点角度集合；

步骤二，获取圆弧图元所在的加工区域边界集合；

步骤三，遍历加工区域边界集合，对于每一条边界线，联立圆弧图元所在的圆与边界线的参数方程进行求解。判断是否符合三种情况之一，若不符合，则遍历下一条边界线直至边界线全部遍历完成；否则根据所属的情况做出相应处理；

步骤四，当一个加工区域所有边界线都遍历完成后，对交点角度集合进行排序。根据排序结果依次连续获取两个角度值，计算中间角度并判断对应点是否处于加工区域内部，若在，将该段圆弧段保留；

步骤五，保留属于该加工区域的圆弧部分。

当一个加工区域的图案分割完成时，将其所属图案进行反投影生成可加工文件以供加工方使用。反投影坐标系的坐标原点表示为O′(x₀,y₀,z₀)，X轴与Y轴正向单位向量分别为与分割平面上任意一点P′(x′,y′,z′)在反投影坐标系下的对应点P(x,y,z)计算方法如下。

线图元的反投影计算步骤如下：

步骤一，利用上述的计算方法计算线图元起点对应的反投影坐标；

步骤二，利用上述的计算方法计算线图元终点对应的反投影坐标。

圆弧图元的反投影计算步骤如下：

步骤一，利用上述的计算方法计算圆弧图元圆心对应的反投影坐标；

步骤二，圆弧的起始角度为θ_b，终止角度为θ_e，水平单位向量竖直单位向量为利用向量数量积公式计算出旋转角度θ；

步骤三，根据求解出的θ做如下处理；

步骤四，设置反投影后圆弧的起始角度θ_b与终止角度θ_e；

步骤五，设置反投影后圆弧的水平单位向量与竖直单位向量。

如图8与图9，本发明实施例中的面向激光刻蚀加工过程的图形分割方法处理得到的某加工区域图案与生成的可加工文件，将加工区域内的图案进行反投影后，根据加工方的实际需求，保存为需要的文件格式即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向激光刻蚀加工的图形分割方法，其特征在于，所述面向激光刻蚀加工的图形分割方法包括：

第一步，计算贴图点位法向量：根据贴图点位，从三维网格模型中搜索合适的三角形面片，计算其法向信息作为该贴图点位贴图时的法向；

第二步，将二维矢量贴图缠绕于三维网格模型表面，由第一步中计算出的法向信息，计算每一个二维矢量贴图的旋转平移变换矩阵，基于几何变换的原理将矢量贴图缠绕于三维网格模型表面；

第三步，根据实际加工方所使用的激光刻蚀系统扫描振镜的扫描范围与最大焦深确定搜索范围，获取每个加工区域关联的贴图图案；

第四步，对于每一个加工区域，根据第三步获取到的关联图案，以加工区域中心点与法向量所确定的平面为分割平面，将加工区域边界线与关联图案投影到分割平面上，基于奇偶规则的基本原则对图案进行分割；

第五步，根据反投影坐标系，将第四步中分割出的图案经反投影生成加工方所使用的可加工文件。

2.如权利要求1所述的面向激光刻蚀加工的图形分割方法，其特征在于，所述第一步中贴图点位集合为P，构成三维网格模型的三角形面片集合为T，利用贴图点位在三维网格模型中搜索与其最近的三角形面片，计算出贴图法向量；

贴图点位表示为集合P，三维网格模型表面三角形面片集合表示为T，贴图点位法向量计算的步骤：

步骤一，从贴图点位集合P中获取一个点位p；

步骤二，初始化局部变量minValue为无穷大值与法向量结果

步骤三，遍历三维网格模型表面所有三角形面片T，获取一个三角形面片的信息，计算其重心坐标，并计算重心坐标到三个顶点的距离，取其中的最大值赋予maxValue；

步骤四，计算贴图点位p到重心坐标的距离dis1，若dis1小于maxValue执行下一步，否则执行步骤三；

步骤五，计算贴图点位p到三角形面片的距离dis2，若dis2小于minValue，则将dis2赋予minValue，计算三角形面片的法向量赋予N；

步骤六，返回法向量结果作为p贴图时的法向量。

3.如权利要求1所述的面向激光刻蚀加工的图形分割方法，其特征在于，所述第二步中采用罗德里格旋转公式推导出旋转平移变换矩阵，将二维矢量贴图利用几何变换的方式缠绕于三维网格模型表面；

原始的二维矢量贴图其中心点位于(0,0,0)，法向量为一个贴图点位表示为p(x₀,y₀,z₀)，法向量表示为则其变换矩阵的计算步骤：

步骤一，计算出旋转角度θ；

步骤二，计算旋转轴C(c_x,c_y,c_z)；

步骤三，将旋转轴处理为单位向量；

其中

步骤四，根据罗德里格公式计算旋转矩阵R；

步骤五，根据贴图点位p计算齐次变换矩阵；

步骤六，根据齐次变换矩阵，对二维矢量图案进行变换。

4.如权利要求1所述的面向激光刻蚀加工的图形分割方法，其特征在于，所述第三步中根据激光刻蚀系统扫描振镜的加工范围与最大焦深确定加工区域关联图案的搜索范围，其中包括水平搜索范围与竖直搜索范围；利用贴图点位与搜索范围确定加工区域关联的图案结果；

实际加工方所使用的激光刻蚀系统扫描振镜的加工范围为range，最大焦深为depth，二维矢量贴图对角线长度为len，水平搜索范围为horizonRange，竖直搜索范围verticalRange，则采用下式所示的搜索范围；

加工区域中心点坐标表示为Ac(x,y,z)，其法向量为nor(nx,ny,nz)，获取一个加工区域关联图案的步骤如下：

步骤一，初始化搜索范围horizonRange与verticalRange；

步骤二，获取一个加工区域信息；

步骤三，遍历所有贴图点位P，计算贴图点p到Ac的距离dis1，计算贴图点p到由Ac与nor确定的平面的距离dis2；

步骤四，若dis1小于horizonRange并且dis2小于verticalRange，则将该图案编号，标记为与当前加工区域相关联；否则，执行步骤三；

步骤五，返回当前加工区域相关联的贴图图案集合。

5.如权利要求1所述的面向激光刻蚀加工的图形分割方法，其特征在于，所述第四步中将加工区域中心点与其法向量所确定的平面作为分割平面；采用平行投影的方法将加工区域边界与关联图案投影至分割平面上进行分割；分割的对象具体包括线、多段线、圆与圆弧图元。

6.如权利要求5所述的面向激光刻蚀加工的图形分割方法，其特征在于，进一步包括：

得到加工区域关联的图案后便可进行图形分割的处理，在分割之前先确定以加工区域中心点Ac(x,y,z)与其法向量nor(nx,ny,nz)确定的平面为分割平面；将一个加工区域的边界线与关联图案全部投影到分割平面上，进行进一步的处理；

投影后加工区域边界与线图元存在三种相交情况；对于情况一，表示边界与线图元相交；对于情况二，表示边界线与线图元的交点在线图元的反向延长线上；对于情况三，表示边界线与线图元相交，并且交点是线图元的起点；

线图元起点与终点分别记为A(x₁,y₁,z₁)与B(x₂,y₂,z₂)，加工区域一条边界线的起点与终点分别记为C(x₃,y₃,z₃)与D(x₄,y₄,z₄)，则线图元与边界线所在直线的参数方程写作如下：

利用向量法判断两条直线是否存在交点，判定式为：

若Δ≠0说明两条直线存在交点，则联立两条直线参数方程，进行求解；则λ与μ分别表示为：

对于情况一则有0＜λ≤1且0≤μ≤1，此时记录交点坐标；对于情况二则有λ＜0且0≤μ≤1，此时记录反向延长线与边界线的交点个数；对于情况三则有λ＝0且0≤μ≤1，此时记录交点标识；

当一条线图元与一个加工区域所有边界线都处理完成时，根据奇偶规则做出如下处理；当起点标识被设置时，从起点开始的奇数段线图元属于该加工区域；当反向延长线与边界线的交点数目为奇数时，奇数段线图元属于该加工区域，否则偶数段线图元属于该加工区域；

一条线图元的分割步骤如下：

步骤一，初始化变量：起点标识，交点次数与交点集合；

步骤二，获取线图元所在的加工区域边界集合；

步骤三，遍历加工区域边界集合，对于每一条边界线，联立线图元与边界线的参数方程进行求解；判断是否符合三种情况之一，若不符合，则遍历下一条边界线直至边界线全部遍历完成；否则根据所属的情况做出相应处理；

步骤四，当一个加工区域所有边界线都遍历完成后，根据起点标识、相交次数与交点集合做出相应处理；

步骤五，保留属于该加工区域的线图元部分；

投影后加工区域边界与圆弧图元所在的圆存在三种相交情况，对于情况一，表示边界线的起点与终点均不在圆外；对于情况二，表示边界线的起点与终点均在圆外；对于情况三，表示边界线的起点与终点分别在圆内与圆外两侧；

投影后圆弧图元的圆心记为Center(a,b,c)，半径radius，圆弧平面上两个相互垂直的单位向量分别表示为与确定空间中圆弧的参数方程如下式所示，其中圆弧的起始角度为θ_b，终止角度为θ_e：

设分割平面上加工区域一条边界线的起点为A(x₁,y₁,z₁)，终点为B(x₂,y₂,z₂)，则其所在的直线的参数方程为：

联立两个参数方程，求解圆弧所在的圆与边界线的交点；对于情况一，则有0≤ξ≤1，计算交点对应的角度值，并判断角度值是否处于圆弧的起始角度θ_b与终止角度θ_e之间，若在，则记录其角度值；对于情况二，则计算圆心Center至边界线的距离，若距离小于半径radius则求出边界线与圆的交点，并判断交点对应的角度值是否在圆弧的起始角度θ_b与终止角度θ_e之间，若在，则记录其角度值；对于情况三，则判断交点的角度是否在圆弧起始角度θ_b与终止角度θ_e之间，若在，则记录其角度值；

当一条圆弧图元与一个加工区域边界线都处理完成时对记录的角度值进行排序的方法示意图；排序规则取决于圆弧起始角度θ_b与终止角度θ_e的大小；若θ_b＜θ_e，则只需进行升序排序；否则，先对θ_b至360度区间的角度进行升序排序，再对0度至θ_e区间的角度进行升序排序；根据排序结果依次连续的获取每两个角度值，计算其中间角度所对应的点，利用奇偶规则判断该点是否处于加工区域内部，若在，则该段圆弧段属于加工区域内部，则保留；否则，不保留；

一条圆弧的分割步骤如下：

步骤一，初始化变量：交点角度集合；

步骤二，获取圆弧图元所在的加工区域边界集合；

步骤三，遍历加工区域边界集合，对于每一条边界线，联立圆弧图元所在的圆与边界线的参数方程进行求解；判断是否符合三种情况之一，若不符合，则遍历下一条边界线直至边界线全部遍历完成；否则根据所属的情况做出相应处理；

步骤四，当一个加工区域所有边界线都遍历完成后，对交点角度集合进行排序；根据排序结果依次连续获取两个角度值，计算中间角度并判断对应点是否处于加工区域内部，若在，将该段圆弧段保留；

步骤五，保留属于该加工区域的圆弧部分。

7.如权利要求1所述的面向激光刻蚀加工的图形分割方法，其特征在于，所述第五步中，根据反投影坐标系的信息，将各个加工区域分割后的图案反投影生成具体文件格式的可加工图案，交付加工方使用；

当一个加工区域的图案分割完成时，将所属图案进行反投影生成可加工文件以供加工方使用；反投影坐标系的坐标原点表示为O′(x₀,y₀,z₀)，X轴与Y轴正向单位向量分别为与分割平面上任意一点P′(x′,y′,z′)在反投影坐标系下的对应点P(x,y,z)计算方法如下；

线图元的反投影计算步骤如下：

步骤一，利用上述的计算方法计算线图元起点对应的反投影坐标；

步骤二，利用上述的计算方法计算线图元终点对应的反投影坐标；

圆弧图元的反投影计算步骤如下：

步骤一，利用上述的计算方法计算圆弧图元圆心对应的反投影坐标；

步骤二，圆弧的起始角度为θ_b，终止角度为θ_e，水平单位向量竖直单位向量为利用向量数量积公式计算出旋转角度θ；

步骤三，根据求解出的θ做如下处理；

步骤四，设置反投影后圆弧的起始角度θ_b与终止角度θ_e；

步骤五，设置反投影后圆弧的水平单位向量与竖直单位向量；

8.一种基于权利要求1所述面向激光刻蚀加工的图形分割方法的面向激光刻蚀加工的图形分割系统，其特征在于，所述面向激光刻蚀加工的图形分割系统包括：

贴图点位法向量计算模块，用于根据贴图点位对三维网格模型进行搜索，找到合适的贴图法向；

模型贴图模块，用于根据计算得到的贴图方向，计算二维矢量图案的变换矩阵，将图案缠绕于三维网格模型表面；

关联图案获取模块，用于根据激光刻蚀系统的加工范围与最大焦深确定搜索范围，结合贴图点位对加工区域关联的图案进行搜索；

图形分割模块，用于根据获取到的关联图案，以加工区域中心点与法向量确定的平面作为分割平面，将加工区域边界与关联图案同时投影到分割平面上进行分割，保存分割过后各个加工区域的图案信息；

图案反投影模块，用于根据反投影坐标系，将各个加工区域的图案进行反投影操作，生成对应加工区域编号的可加工文件。

9.一种应用权利要求1～7任意一项所述面向激光刻蚀加工的图形分割方法的激光刻蚀控制系统。

10.一种应用权利要求1～7任意一项所述面向激光刻蚀加工的图形分割方法的激光刻蚀系统五轴运动机构。