CN110750870B - 一种基于模型体素化距离变换的増材制造方法 - Google Patents

一种基于模型体素化距离变换的増材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于増材制造领域，并公开了一种基于模型体素化距离变换的増材制造方法。该方法包括下列步骤：(a)对待成形零件三维模型的体素化，获得体素模型；(b)在体素模型中选择初始切片层，根据每个体素到初始切片层的距离以及预设切片厚度对素模型中的体素进行划分，以此获得多个切片层；(c)对于每个切片层，以切片层的外边界上的体素作为起始体素，根据切片层内的体素到起始体素之间的距离，以及预设轨迹间距对体素进行划分，获得切片层内的多条加工轨迹；(d)计算每条加工轨迹上每个体素的法向，该法向即为加工方向，按照每个切片层的加工轨迹和加工方向进行増材制造即可获得所需的零件。通过本发明，提高现有熔融沉积方法的普适性。

Description

一种基于模型体素化距离变换的増材制造方法
技术领域
本发明属于増材制造领域，更具体地，涉及一种基于模型体素化距离变换的増材制造方法。
背景技术
作为增材制造的第一步，轨迹规划方式影响着整个工艺过程的制造方案、制造可行性、制造难度。传统的轨迹规划方式通常是通过平面切片得到二维轮廓，进而产生二维制造轨迹，这一方法对简单形状的零件行之有效，但是对于形状复杂、存在悬臂或中空等结构的零件，此方法的实施需要修改原始模型，如添加支撑结构，将带来浪费材料、影响表面精度、后处理难度大等问题。近年来，产生了诸多轨迹规划新方法，如自适应平面切片方法、特征曲面切片方法等，但是这些轨迹规划方法只针对特殊结构，普适性较差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于模型体素化距离变换的増材制造方法，其通过对整个体素模型和单个切片层中的体素赋予距离标签，然后分别按照距离标签对切片层和切片层内的轨迹进行划分，最后获得熔融沉积成形轨迹，该方法，对待成形零件的结构没有要求，适用范围广，普适性好。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于模型体素化距离变换的増材制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)三维模型的体素化
对待成形零件的三维模型进行体素化，使得该三维模型被分割为多个立方体，以此获得体素模型，其中，每个立方体为一个体素；
(b)切片
在体素模型中选择多个连续的体素形成一个初始切片层，根据每个所述体素到所述初始切片层的距离以及预设切片厚度对所体素模型中的体素进行划分，以此实现对所述体素模型中体素的划分获得多个切片层；
(c)切片层内加工轨迹的规划
对于每个切片层，以该切片层的外边界上的体素作为起始体素，根据该切片层内的体素到所述起始体素之间的距离，以及预设轨迹间距对该切片层内的体素进行划分，以此获得每条加工轨迹对应的体素集合，对于属于同一条轨迹的体素集合进行曲线拟合，获得该体素集合对应的加工轨迹，以此获得该切片层中的所有加工轨迹；
(d)加工方向的规划
对于每条加工轨迹，计算该条加工轨迹上每个体素的法向，该法向即为该体素处的加工方向，按照每个切片层的加工轨迹和加工方向进行増材制造即可获得所需的零件。
进一步优选地，在步骤(a)中，所述体素化优选按照下列方式进行：建立空间三维坐标系，沿该空间三维坐标系的三个方向按照预设切割步长对所述三维模型进行切割，以此将所述三维模型切割为多个立方体。
进一步优选地，在步骤(b)中，所述对所述体素模型中体素的划分获得多个切片层，优选按照下列步骤进行：
(b1)对于体素模型中的每个体素，计算其到所述初始切片层中的每个体素的距离，以此获得多个距离值，将该多个距离值中的最小值作为该体素的距离标签，以此获得所述体素模型中所有体素的第一距离标签；
(b2)设定切片厚度，所述初始切片层作为起始位置，计算获得每个切片层所需满足的距离标签范围，按照每个切片层所需满足的距离标签范围对所述三维模型的所有体素进行划分，满足同一个距离标签范围的体素属于同一个切片层，以此获得多个切片层。
进一步优选地，在步骤(c)中，所述获得每条加工轨迹对应的体素集合，优选按照下列步骤进行：
(c1)计算该切片层中每个体素到所述起始体素的距离，以此获得多个距离值，将距离值中的最小值作为该体素的第二距离标签；
(c2)设定轨迹间距，所述起始体素作为起始位置，以此获得每条轨迹所需满足的距离标签范围，根据每条轨迹所需满足的距离标签范围，对每个切片层内的体素进行划分，满足同一个距离标签范围的体素属于同一条轨迹，以此获得每条加工轨迹对应的体素集合。
进一步优选地，在步骤(c)中，所述对于属于同一条轨迹的体素集合进行曲线拟合，优选采用B样条曲线拟合的方法。
进一步优选地，在步骤(d)中，所述计算每条加工轨迹上每个体素的法向，优选按照下列步骤进行：
(d1)对于每条加工轨迹上的每个体素，计算该体素所在切片层距离所述初始切片层的距离d，每个体素对应八个顶点，每个顶点对应不同的距离标签，在所述体素的每条边上进行插值，以此在每条边上获得距离标签为d的插值点，即获得十二个插值点；
(d2)将所述十二个插值点中每三个插值点相连形成三角面片，以此形成多个三角面片，计算每个三角面片的法向量，所有三角面片法向量的合向量方向即为所述体素的法向。
进一步优选地，在步骤(d)中，所述増材制造优选为熔融沉积成形。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过采用距离变换使得体素模型中每个体素获得距离标签，然后按照距离标签进行切片层的划分，对于任意形状的模型都能生成等距切片层，相对于传统的用一组平面或者曲面与模型相交得到切片层的方法，计算效率更高,此外，这样产生的切片层完全依附于其上一层切片层，在增材制造过程中可以免去支撑；
2、本发明通过第二次采用距离变换使得切片层中体素获得距离标签，然后按照距离标签进行单个切片层内的轨迹划分，对于任意形状的切片层都能够快速地生成等距轨迹；
3、本发明通过采用三角面片化后计算体素的法向量方向,使得每个体素不仅仅具备空间位置信息，同时也具备空间向量信息，为多轴联动增材制造工艺提供了充分的信息支撑。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于模型体素化距离变换的増材制造方法的流程图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的待成形零件的三维网格模型
图3是按照本发明的优选实施例所构建的待成形零件的体素模型；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的前三个体素距离标签的计算过程示意图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的集合Q中体素的变化示意图；
图6是按照本发明的优选实施例所构建的集合Q中顶端体素的相邻体素的示意图；
图7是按照本发明的优选实施例所构建的体素模型切片后的示意图；
图8是按照本发明的优选实施例所构建的单个切片层中轨迹规划示意图；
图9是按照本发明的优选实施例所构建的最终熔融轨迹示意图。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种基于模型体素化距离变换的増材制造方法，该方法包括下列步骤：
(a)输入三维模型，对其进行体素化。
体素化的方法为：建立模型的空间坐标系OXYZ，在X、Y、Z各维度上以设定长度对模型分割，将三维模型分割获得边长为设定长度的多个立方体，即体素模型，每个立方体为一个体素，每个体素有8个顶点，顶点中X坐标、Y坐标、Z坐标都最小的顶点坐标表示该体素的坐标。
(b)体素模型的切片处理
在体素模型上选择初始切片层，以初始切片层中的每个体素为种子对三维模型所有体素进行距离变换，使每一个体素具有一个距离标签。
其中，初始切片层是指利用增材制造方法制造该模型时的第一层，该初始切片层中包括多个连续的体素。种子是指进行距离变换的起点，本实施例中，将种子的距离标签设定为0，距离变换是计算每一个体素到种子的最小距离，该最小距离为该体素的距离标签。距离变换按照下列步骤进行：
(b1)初始化。对体素模型中的体素vi(i＝1,2,3,...,n，i是体素的序号，n是体素的总数量)，对于第i个体素，设定其距离标签为无穷大，即di＝∞，mi＝0，其中，di是第i个体素的距离标签，mi用于表示距离标签是否为最短距离，当距离标签为最短距离时，mi＝1，否则，mi＝0；对于种子vs，设定ds＝0，ms＝1，将vs放入集合Q中，集合Q用于顺序存储已经确定距离标签的体素。
(b2)传播。按照以下步骤循环进行。
对于处在集合Q顶端的体素，形成顶端体素集合，对于该顶端集合中的顶端体素，获得每个顶端体素的相邻体素，其中，Q顶端的体素是Q集合中距离标签最小的体素；
对于与所述顶端体素相邻的体素的体素vj，寻找与该体素vj相邻的体素，计算以体素vj为起点，经过与体素vj相邻的体素到达种子的距离，将其中的最短距离作为体素vj的距离标签。
(b3)当计算获得所有体素的距离标签后，根据每个体素的距离标签，以初始层为基准，按照预设切片层厚度将体素模型划分为多个等距体素切片层。
(c)清除所有距离标签，然后对每一体素切片层，以其轮廓体素为种子对该层的体素进行距离变换，该距离变换的方法与步骤(b)中的距离变换的方法相同，以此获得每个切片层中所有体素的距离标签，设定轨迹间距，按照设定轨迹间距将切片层中的体素划分为多个等距的体素集合，将每个体素集合中的体素拟合为曲线，即获得加工轨迹曲线，拟合的过程中采用B样条曲线拟合的方法。
(d)对于每条加工轨迹，计算该条加工轨迹上每个体素的法向，该法向即为该体素处的加工方向，按照每个切片层的加工轨迹和加工方向进行増材制造即可获得所需的零件。计算每条加工轨迹上每个体素的法向按照下列步骤进行：
(d1)对于每条加工轨迹上的每个体素，计算该体素所在切片层距离所述初始切片层的距离d，每个体素对应八个顶点，每个顶点对应不同的距离标签，在体素的每条边上进行插值，以此在每条边上获得距离标签为d的插值点，即获得十二个插值点；
(d2)用直线将所述十二个插值点中每三个插值点相连，保证直线互不相交，形成三角面片，以此形成多个三角面片，计算每个三角面片的法向量，所有三角面片法向量的合向量方向即为所述体素的法向。
依次对体素轨迹上的每个点执行以下操作，将其前后两点单位法向量与其自身单位法向量求和得到其修正法向量，对所有点的法向量进行修正，即实现一次法向量均匀化，可进行多次。从而避免前后两点法向量方向变换过大。
体素轨迹后处理，得到最终的熔融沉积成形的熔积轨迹。
(e)利用熔积轨迹进行多轴联动增材制造。多轴联动是指在一台机床或机器人上利用数控系统，使得工件和焊枪协同进行直线运动和旋转运动。
下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。
(a)，如图2所示，是待成形零件的三维模型，将该三维模型体素化，获得如图3所示的体素模型
(b)在体素模型上选择初始层，以初始层体素为种子对三维模型所有体素进行距离变换，获得使每一个体素具有一个距离标签。
(b1)将所有体素的属性变量设定为0，距离标签设定为极大值。选择一个体素作为种子，用灰色表示，将其属性变量设定为1，距离标签设定为0，然后放入Q中。此时Q中只有一个距离标签为0的体素。
(b2)遍历与Q顶端的体素邻接的26个体素，寻找处在三角面片上的体素，计算每一个体素到种子的最短距离，以下依次介绍前三个体素距离标签的计算过程，如图4所示：
第一个体素，距离标签更新为1，属性变量更新为1，然后放入Q中，此时Q中有两个体素，距离标签为分别为0和1；
第二个体素，其邻接体素中有两个属性变量为1的体素，到这两个体素的距离分别是1和
Figure BDA0002210648720000071
通过这两个体素到达种子的距离分别是1+1和
Figure BDA0002210648720000072
所以，其距离标签更新为较小值
Figure BDA0002210648720000073
属性变量设定为1，然后放入Q中。此时Q中有三个体素，距离标签为分别为0、1和
Figure BDA0002210648720000074
第三个体素，其邻接体素中有三个属性变量为1的体素，到这两个体素的距离分别是1、
Figure BDA0002210648720000075
和
Figure BDA0002210648720000076
通过这三个体素到达种子的距离分别是
Figure BDA0002210648720000077
Figure BDA0002210648720000078
和
Figure BDA0002210648720000079
所以，其距离标签更新为较小值
Figure BDA00022106487200000710
属性变量设定为1，然后放入Q中。此时Q中有四个体素，距离标签为分别为0、1、
Figure BDA0002210648720000081
和
Figure BDA0002210648720000082
如图5所示，是集合Q中距离标签从0到
Figure BDA0002210648720000083
逐渐变换的过程，
(b3)在遍历完Q顶端体素邻接的所有体素后，结果如图6所示，弹出顶端体素，若Q不为空集，则继续对Q的顶端体素执行(b2)，直到Q为空集。
(b4)根据距离变换结果，以初始层为基准以设定间距step生成等距体素切片层，如图7所示。
(c)清除所有距离标签，然后对每一体素切片层，以其轮廓体素为种子对该层的体素进行距离变换，使各层体素重新具有一个距离标签，根据各层距离变换结果，以各体素切片层轮廓为基准生成等距体素轨迹，如图8所示，然后对各体素轨迹的所有体素排序。
(d)计算加工轨迹上每个体素的法向量，体素轨迹后处理，得到最终的熔积轨迹，如图9所示，图中，轨迹已进行法向量均匀化，法向量用灰色短线表示，可以看出轨迹上前后法向量方向并无较大变化。
本领域的技术人员容易理解，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 (7)

1.一种基于模型体素化距离变换的増材制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)三维模型的体素化
对待成形零件的三维模型进行体素化，使得该三维模型被分割为多个立方体，以此获得体素模型，其中，每个立方体为一个体素；
(b)切片
在体素模型中选择多个连续的体素形成一个初始切片层，以初始切片层中的每个体素为种子对三维模型所有体素进行距离变换，使每一个体素具有一个距离标签，根据每个体素的距离标签以及预设切片厚度对所体素模型中的体素进行划分，以此实现对所述体素模型中体素的划分获得多个切片层；
(c)切片层内加工轨迹的规划
对于每个切片层，以其轮廓体素为种子对该层的体素进行距离变换，使各层体素重新具有一个距离标签，根据距离标签和预设轨迹间距对该切片层内的体素进行划分，以此获得每条加工轨迹对应的体素集合，对于属于同一条轨迹的体素集合进行曲线拟合，获得该体素集合对应的加工轨迹，以此获得该切片层中的所有加工轨迹；
(d)加工方向的规划
对于每条加工轨迹，计算该条加工轨迹上每个体素的法向，该法向即为该体素处的加工方向，按照每个切片层的加工轨迹和加工方向进行増材制造即可获得所需的零件；
其中，所述距离变换按照下列步骤进行：
(b1)初始化，对体素模型中的体素vi，i＝1,2,3,...,n，i是体素的序号，n是体素的总数量，对于第i个体素，设定其距离标签为无穷大，即di＝∞，mi＝0，其中，di是第i个体素的距离标签，mi用于表示距离标签是否为最短距离，当距离标签为最短距离时，mi＝1，否则，mi＝0，对于种子vs，设定ds＝0，ms＝1，将vs放入集合Q中，集合Q用于顺序存储已经确定距离标签的体素；
(b2)传播，按照以下步骤循环进行：
对于处在集合Q顶端的体素，形成顶端体素集合，对于该顶端体素集合中的顶端体素，获得每个顶端体素的相邻体素，其中，Q顶端的体素是Q集合中距离标签最小的体素；
对于与所述顶端体素相邻的体素的体素vj，寻找与该体素vj相邻的体素，计算以体素vj为起点，经过与体素vj相邻的体素到达种子的距离，将其中的最短距离作为体素vj的距离标签。
2.如权利要求1所述的一种基于模型体素化距离变换的増材制造方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述体素化按照下列方式进行：建立空间三维坐标系，沿该空间三维坐标系的三个方向按照预设切割步长对所述三维模型进行切割，以此将所述三维模型切割为多个立方体。
3.如权利要求1所述的一种基于模型体素化距离变换的増材制造方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述对所述体素模型中体素的划分获得多个切片层，按照下列步骤进行：
(b1)获取所有体素的距离标签，将该距离标签作为每个体素的第一距离标签；
(b2)设定切片厚度，所述初始切片层作为起始位置，计算获得每个切片层所需满足的距离标签范围，按照每个切片层所需满足的距离标签范围对所述三维模型的所有体素进行划分，满足同一个距离标签范围的体素属于同一个切片层，以此获得多个切片层。
4.如权利要求1所述的一种基于模型体素化距离变换的増材制造方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述获得每条加工轨迹对应的体素集合，按照下列步骤进行：
(c1)将每层中体素的距离标签作为每个体素的第二距离标签；
(c2)设定轨迹间距，起始体素作为起始位置，以此获得每条轨迹所需满足的距离标签范围，根据每条轨迹所需满足的距离标签范围，对每个切片层内的体素进行划分，满足同一个距离标签范围的体素属于同一条轨迹，以此获得每条加工轨迹对应的体素集合。
5.如权利要求1所述的一种基于模型体素化距离变换的増材制造方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述对于属于同一条轨迹的体素集合进行曲线拟合，采用B样条曲线拟合的方法。
6.如权利要求1所述的一种基于模型体素化距离变换的増材制造方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述计算该条加工轨迹上每个体素的法向，按照下列步骤进行：
(d1)对于每条加工轨迹上的每个体素，计算该体素所在切片层距离所述初始切片层的距离d，每个体素对应八个顶点，每个顶点对应不同的距离标签，在所述体素的每条边上进行插值，以此在每条边上获得距离标签为d的插值点，即获得十二个插值点；
(d2)将所述十二个插值点中每三个插值点相连形成三角面片，以此形成多个三角面片，计算每个三角面片的法向量，所有三角面片法向量的合向量方向即为所述体素的法向。
7.如权利要求1所述的一种基于模型体素化距离变换的増材制造方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述増材制造为熔融沉积成形。
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