CN112036012A - 一种基于区域生长的刀具对毛坯的布尔运算方法 - Google Patents

一种基于区域生长的刀具对毛坯的布尔运算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于区域生长的刀具对毛坯的布尔运算方法，属于加工仿真领域。包括：获取毛坯模型当前边界节点群和内部节点群、刀具模型下一时刻边界节点群；从毛坯当前内部节点群中找到与刀具表面相交叶节点，作为曲面维度区域生长种子；根据边界边搜索该种子节点的邻域，进行曲面维度区域生长，找出的所有新边界节点构成毛坯新边界点群；从新边界点群中找出带有外部公共边节点，作为空间维度区域生长种子；从该种子节点开始，在毛坯新旧边界之间区域进行空间维度区域生长，找出需要从内部节点转化为外部节点的节点，修改属性，所有未被修改的内部节点构成毛坯新内部节点群；将新旧边界区域之间区域的所有边界节点属性修改为外部，实现布尔运算。

Description

一种基于区域生长的刀具对毛坯的布尔运算方法
技术领域
本发明属于加工仿真领域，更具体地，涉及一种基于区域生长的刀具对毛坯的布尔运算方法。
背景技术
为了提高机械加工仿真过程的精确性和时效性、降低体素模型布尔运算过程的时间消耗，无论是国内还是国外对机械加工仿真中的布尔运算算法都进行了大量的研究工作。机械加工仿真过程中的布尔运算时整个机械加工仿真流程中的重要部分，提高了布尔运算部分的计算效率就能到幅度提升单次加工仿真的计算效率，从而提供整个加工仿真过程的流畅性。因此，对于机械加工仿真中布尔运算算法的研究具有十分重要的理论意义和现实意义。
传统的Voxel布尔运算方法基于八叉树的层次包围盒方法，通过该方法使得干涉部分的检测逐步细化，最终在叶节点进行距离计算以实现整个八叉树的布尔运算。但该方法在八叉树结构变得复杂之后会进行多次的包围盒层次遍历，使得无用的计算量迅速增加，因此会产生随着加工步骤的增多，布尔运算时间会逐步的增加。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于区域生长的刀具对毛坯的布尔运算方法，其目的在于解决Voxel布尔运算效率低的问题。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于区域生长的刀具对毛坯的布尔运算方法，该方法包括以下步骤：
S1.获取毛坯模型当前时刻的边界节点群和内部节点群、刀具模型下一时刻的边界节点群，其中，毛坯模型使用八叉树进行建模，边界节点表示模型表面穿过了节点，内部节点表示节点在模型内部；
S2.通过当前刀具模型与下一时刻毛坯模型的包围盒求交，从毛坯当前内部节点群中找到一个与刀具模型下一时刻的边界节点群相交的叶节点，作为曲面维度的区域生长的种子节点；
S3.根据曲面维度的区域生长的种子节点的边界边搜索该种子节点的邻域，在毛坯表面进行曲面维度的区域生长，找出毛坯所有新边界节点构成毛坯新边界点群，其中，边界边表示一个顶点在毛坯模型表面或者内部，另一个顶点在毛坯模型外部的边；
S4.从毛坯新边界点群中找出一个带有外部公共边的节点，作为空间维度的区域生长的种子节点，其中，外部公共边表示两个顶点均在毛坯模型外部的边；
S5.从空间维度的区域生长的种子节点开始，在毛坯新边界节点群构成的新边界区域和毛坯当前边界节点群构成的旧边界区域之间的区域进行空间维度的区域生长，找出毛坯当前内部节点群中需要从内部节点转化为外部节点的节点，修改其属性为外部节点，毛坯当前内部节点群中所有未被修改的内部节点构成毛坯新内部节点群；将毛坯新边界区域和旧边界区域之间的区域的所有边界节点的属性修改为外部节点，从而实现一次布尔运算。
优选地，八叉树的数据结构如下：
八叉树用八叉树节点的Map表示，通过索引八叉树节点的编码来确定该八叉树节点的位置与父子级关系；所述八叉树节点的编码是一个8进制的数字，编码的位数用于表示八叉树的层级L；其中，第一位的数字1表示根节点，第二位的数字表示该八叉树的第二层节点的位于第一层节点的号位，第三位表示该八叉树第三层节点位于第二层节点的号位，……，依此类推，第L位表示第L层节点位于第L-1层节点的号位。
优选地，八叉树节点的数据内容为包围盒数据和可视化所需的数据，其中，所述包围盒数据使用一个顶点坐标和包围盒边长来表示，将所有顶点数据存储在顶点数组中，八叉树节点从顶点数组中获取顶点坐标；可视化所需的数据包括两类数据，一是八叉树节点的位置信息，即八叉树节点是全在毛坯内部还是全在毛坯外部还是毛坯表面穿过了该节点；二是八叉树节点的顶点距离参数，所述顶点距离参数表示顶点到毛坯表面的外向距离与包围盒边长的比值。
优选地，通过计算单个八叉树节点的八个顶点到毛坯模型表面的外向距离，确定该八叉树节点的位置信息，若计算得到的外向距离全都为非正，表示该八叉树节点在毛坯模型内部；若计算得到的距离全都为非负，表示该八叉树节点在毛坯模型外部；若计算得到的外向距离正负混合，表示毛坯表面穿过了该节点。
优选地，步骤S3中，所述曲面维度的区域生长具体包括以下步骤：
(1)根据该种子节点的边界边信息，基于毛坯表面G0连续性，找出共用该边界边的其他三个相邻节点的位置信息，这三个节点均为新生长的毛坯边界节点；
(2)对新增的毛坯边界节点集中其中一个毛坯边界节点的顶点求解到下一个位置刀具表面的外向距离，从而确定该节点的边界边，找出新的边界边，并且对节点属性进行更新，分为毛坯内部、毛坯外部和边界节点三种属性；
(3)若步骤(2)中找到新的边界边，则共用边界边的新的三个相邻节点生长为新的毛坯边界节点；若新增的毛坯边界节点是旧的毛坯边界节点，即结束此节点的生长；再对其他新增的节点重复步骤(2)，直至所有新增边界节点结束生长。
优选地，步骤S4中，在毛坯新增边界节点找到一个存在外部公共边的节点，通过该外部公共边寻找领域，找到毛坯内部节点，作为种子。
优选地，步骤S5中，空间维度的区域生长具体包括以下步骤：
(1)从种子出发找到一条外部公共边，以其相邻的三个节点为新增毛坯外部节点的生长种子；
(2)对新增毛坯外部节点的每个边进行搜索，找到与外部公共边相邻的节点；
(3)判断其是否被标记为毛坯边界节点，如果是新增的边界节点，则该毛坯外部节点停止生长，再对其他新增毛坯外部节点进行步骤(2)，直至所有新增毛坯外部节点停止生长。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的基于区域生长的刀具对毛坯的布尔运算方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明将布尔运算的遍历过程全都放在叶节点层，免去了繁琐的上层包围盒计算以及八叉树上下层遍历过程，使得计算效率大幅度提升。本发明计算效率相关系数为单次切削体积，与加工件的复杂程度无关，因此不会出现八叉树布尔运算中会出现的当加工件变复杂后计算耗时大幅提升的问题。
(2)本发明针对不同的节点类型，进行分开的处理，精准地对边界节点进行距离计算，而计算后转化为外部节点的八叉树节点则简单化处理，无需进行该节点的距离计算，以此来减少算法运行时间。与传统的布尔运算方法相比，时间效率有了部分的提升，且在计算中省去了大量的底层节点的距离计算步骤。
(3)本发明使用边界差确定外部节点的方法依据空间连续性，不依赖于数值计算。相比传统的八叉树遍历布尔运算算法的顶点数值计算，减少了算法的计算时间。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于区域生长的刀具对毛坯的布尔运算方法流程图；
图2为本发明提供的八叉树节点编码示意图。
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，本发明提供了一种基于区域生长的刀具对毛坯的布尔运算方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1.获取毛坯模型当前时刻的边界节点群和内部节点群、刀具模型下一时刻的边界节点群，其中，毛坯模型使用八叉树进行建模，边界节点表示模型表面穿过了节点，内部节点表示节点在模型内部。
本发明使用Voxel作为最终的加工中毛坯模型，对刀具创建对应的回转体刀具模型。在储存Voxel模型的数据类型中，八叉树又是最常见的数据类型，原因在于八叉树不但能够很好的储存Voxel类型的数据，还为后面的布尔运算提供了很好的包围盒数据。显然，这是八叉树模型的一大优势，但八叉树模型也存在着它的劣势，那就是内存空间占用量会比单纯的使用数组来储存Voxel数据要大，同时，使用包围盒做计算基础的布尔运算效率也受到数据结构的一定限制。针对这个问题，本发明对传统的八叉树数据进行改进，使其空间占用变小的同时，在一定程度上提高布尔运算的计算效率。
优选地，八叉树的数据结构如下：
八叉树用八叉树节点的Map表示，通过索引八叉树节点的编码来确定该八叉树节点的位置与父子级关系；所述八叉树节点的编码是一个8进制的数字，编码的位数用于表示八叉树的层级L；其中，第一位的数字1表示根节点，第二位的数字表示该八叉树的第二层节点的位于第一层节点的号位，第三位表示该八叉树第三层节点位于第二层节点的号位，……，依此类推，第L位表示第L层节点位于第L-1层节点的号位。
如图2所示，八叉树节点的编码为八进制数12237，位数5表示有五层节点，第一位表示根节点，第二位数2表示该八叉树的第二层节点的位于第一层节点(根节点)的2号位，第三位数2表示该八叉树第三层节点位于第二层节点(上一个节点)的2号位，第四位数3表示该八叉树的第四层节点为与第三层节点的(上一个节点的)的3号位，第五位数7表示第五层节点位于第四层节点的7号位。
根据节点的编码号码和6-邻节点(6-邻节点表示和该八叉树节点拥有同一个面的6个相邻节点)方向可以快速检索出对应的邻节点的编码。
优选地，八叉树节点的数据内容为包围盒数据和可视化所需的数据，其中，所述包围盒数据使用一个顶点坐标和包围盒边长来表示，将所有顶点数据存储在顶点数组中，八叉树节点从顶点数组中获取顶点坐标；可视化所需的数据包括两类数据，一是八叉树节点的位置信息，即八叉树节点是全在毛坯内部还是全在毛坯外部还是毛坯表面穿过了该节点；二是八叉树节点的顶点距离参数，所述顶点距离参数表示顶点到毛坯表面的外向距离与包围盒边长的比值。
优选地，通过计算单个八叉树节点的八个顶点到毛坯模型表面的外向距离，确定该八叉树节点的位置信息，若计算得到的外向距离全都为非正，表示该八叉树节点在毛坯模型内部；若计算得到的距离全都为非负，表示该八叉树节点在毛坯模型外部；若计算得到的外向距离正负混合(正负均有)，表示毛坯表面穿过了该节点。
这样的八叉树数据较普通八叉树结构节省了内存空间，同时使得八叉树数据的拓扑表达关系更加清晰，不仅可以实现父子之间的遍历，也能实现在同层中的相邻遍历，为后续基于区域生长算法的布尔运算提供了数据结构上的基础。
步骤S2.通过当前刀具模型与下一时刻毛坯模型的包围盒求交，从毛坯当前内部节点群中找到一个与刀具模型下一时刻的边界节点群相交的叶节点，作为曲面维度的区域生长的种子节点。
将两个模型转化到同一坐标系下，使用Voxel数据与刀具模型进行层次包围盒的干涉检查遍历。以找到第一个干涉叶节点作为后续算法的生长种子。本实施例采用AABB包围盒(轴向齐包容盒)。
步骤S3.根据曲面维度的区域生长的种子节点的边界边搜索该种子节点的邻域，在毛坯表面进行曲面维度的区域生长，找出毛坯所有新边界节点构成毛坯新边界点群，其中，边界边表示一个顶点在毛坯模型表面或者内部，另一个顶点在毛坯模型外部的边。
边界边表示此边的一个顶点在毛坯模型表面/内部，另一个顶点在毛坯模型外部，即毛坯表面穿过该干涉边。共享同一条边界边的4个八叉树节点均为边界节点。优选地，步骤S3中，所述曲面维度的区域生长具体包括以下步骤：
(1)根据该种子节点的边界边信息，基于毛坯表面G0连续性，找出共用该边界边的其他三个相邻节点的位置信息，这三个节点均为新生长的毛坯边界节点；
(2)对新增的毛坯边界节点集中其中一个毛坯边界节点的顶点求解到下一个位置刀具表面的外向距离，从而确定该节点的边界边，找出新的边界边，并且对节点属性进行更新，分为毛坯内部、毛坯外部和边界节点三种属性；
(3)若步骤(2)中找到新的边界边，则共用边界边的新的三个相邻节点生长为新的毛坯边界节点；若新增的毛坯边界节点是旧的毛坯边界节点，即结束此节点的生长；再对其他新增的节点重复步骤(2)，直至所有新增边界节点结束生长。
广度优先搜索，可以保证布尔运算计算完整，不会存在缺失和遗漏。
步骤S4.从毛坯新边界点群中找出一个带有外部公共边的节点，作为空间维度的区域生长的种子节点，其中，外部公共边表示两个顶点均在毛坯模型外部的边。
优选地，步骤S4中，在毛坯新增边界节点找到一个存在外部公共边的节点，通过该外部公共边寻找领域，找到毛坯内部节点，作为种子。
步骤S5.从空间维度的区域生长的种子节点开始，在毛坯新边界节点群构成的新边界区域和毛坯当前边界节点群构成的旧边界区域之间的区域进行空间维度的区域生长，找出毛坯当前内部节点群中需要从内部节点转化为外部节点的节点，修改其属性为外部节点，毛坯当前内部节点群中所有未被修改的内部节点构成毛坯新内部节点群；将毛坯新边界区域和旧边界区域之间的区域的所有边界节点的属性修改为外部节点，从而实现一次布尔运算。
刀具对毛坯模型的切削之后，会将部分在毛坯内部的节点变成在毛坯表面，而在刀具内部的部分，也就是被切削的部分则会变为在毛坯外部。在加工仿真算法中，每一次布尔运算都是根据毛坯模型和新的刀具位置对毛坯模型中八叉树叶节点中的节点位置信息和顶点距离参数进行更新。
优选地，步骤S5中，空间维度的区域生长具体包括以下步骤：
(1)从种子出发找到一条外部公共边，以其相邻的三个节点为新增毛坯外部节点的生长种子；
(2)对新增毛坯外部节点的每个边进行搜索，找到与外部公共边相邻的节点；
(3)判断其是否被标记为毛坯边界节点，如果是新增的边界节点，则该毛坯外部节点停止生长，再对其他新增毛坯外部节点进行步骤(2)，直至所有新增毛坯外部节点停止生长。
空间生长，向节点的6个重要主要方向搜索，没有共边节点搜索。步骤S5中进行用广度优先遍历生长时不需要进行顶点的距离计算，只需要通过节点的标记与状态来进行判断。能够预见的是搜索到的所有只会有两种位置状态，即，内部节点和边界节点。当所搜到节点为内部节点时，此时节点必定为需要改为外部节点的叶节点。所搜到的节点为边界节点时，会进行一次布尔运算次数判断，当搜索到的节点为当前布尔运算轮次生成的边界节点时，该节点不会进入生长队列，此节点为最新边界；当搜索到的节点为之前轮次生成的边界节点时，表示到了生长边界，节点同样不会入队，但会将该节点修改为外部节点。
通过这样的区域生长的算法，本发明在同一层的八叉树节点之间进行遍历完成了一次刀具模型对毛坯模型的布尔运算，通过不断迭代布尔运算来更新毛坯模型，最终达到模拟实际机床切削的效果。
对应地，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的基于区域生长的刀具对毛坯的布尔运算方法。
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 (8)

1.一种基于区域生长的刀具对毛坯的布尔运算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1.获取毛坯模型当前时刻的边界节点群和内部节点群、刀具模型下一时刻的边界节点群，其中，毛坯模型使用八叉树进行建模，边界节点表示模型表面穿过了节点，内部节点表示节点在模型内部；
S2.通过当前刀具模型与下一时刻毛坯模型的包围盒求交，从毛坯当前内部节点群中找到一个与刀具模型下一时刻的边界节点群相交的叶节点，作为曲面维度的区域生长的种子节点；
S3.根据曲面维度的区域生长的种子节点的边界边搜索该种子节点的邻域，在毛坯表面进行曲面维度的区域生长，找出毛坯所有新边界节点构成毛坯新边界点群，其中，边界边表示一个顶点在毛坯模型表面或者内部，另一个顶点在毛坯模型外部的边；
S4.从毛坯新边界点群中找出一个带有外部公共边的节点，作为空间维度的区域生长的种子节点，其中，外部公共边表示两个顶点均在毛坯模型外部的边；
S5.从空间维度的区域生长的种子节点开始，在毛坯新边界节点群构成的新边界区域和毛坯当前边界节点群构成的旧边界区域之间的区域进行空间维度的区域生长，找出毛坯当前内部节点群中需要从内部节点转化为外部节点的节点，修改其属性为外部节点，毛坯当前内部节点群中所有未被修改的内部节点构成毛坯新内部节点群；将毛坯新边界区域和旧边界区域之间的区域的所有边界节点的属性修改为外部节点，从而实现一次布尔运算。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，八叉树的数据结构如下：
八叉树用八叉树节点的Map表示，通过索引八叉树节点的编码来确定该八叉树节点的位置与父子级关系；所述八叉树节点的编码是一个8进制的数字，编码的位数用于表示八叉树的层级L；其中，第一位的数字1表示根节点，第二位的数字表示该八叉树的第二层节点的位于第一层节点的号位，第三位表示该八叉树第三层节点位于第二层节点的号位，……，依此类推，第L位表示第L层节点位于第L-1层节点的号位。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，八叉树节点的数据内容为包围盒数据和可视化所需的数据，其中，所述包围盒数据使用一个顶点坐标和包围盒边长来表示，将所有顶点数据存储在顶点数组中，八叉树节点从顶点数组中获取顶点坐标；可视化所需的数据包括两类数据，一是八叉树节点的位置信息，即是八叉树节点的八个顶点全在毛坯内部还是全在毛坯外部还是毛坯表面穿过了该节点；二是八叉树节点的顶点距离参数，所述顶点距离参数表示顶点到毛坯表面的外向距离与包围盒边长的比值。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，通过计算单个八叉树节点的八个顶点到毛坯模型表面的外向距离，确定该八叉树节点的位置信息，若计算得到的外向距离全都为非正，表示该八叉树节点在毛坯模型内部；若计算得到的距离全都为非负，表示该八叉树节点在毛坯模型外部；若计算得到的外向距离正负混合，表示毛坯表面穿过了该节点。
5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述曲面维度的区域生长具体包括以下步骤：
(1)根据该种子节点的边界边信息，基于毛坯表面G0连续性，找出共用该边界边的其他三个相邻节点的位置信息，这三个节点均为新生长的毛坯边界节点；
(2)对新增的毛坯边界节点集中其中一个毛坯边界节点的顶点求解到下一个位置刀具表面的外向距离，从而确定该节点的边界边，找出新的边界边，并且对节点属性进行更新，分为毛坯内部、毛坯外部和边界节点三种属性；
(3)若步骤(2)中找到新的边界边，则共用边界边的新的三个相邻节点生长为新的毛坯边界节点；若新增的毛坯边界节点是旧的毛坯边界节点，即结束此节点的生长；再对其他新增的节点重复步骤(2)，直至所有新增边界节点结束生长。
6.如权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，步骤S4中，在毛坯新增边界节点找到一个存在外部公共边的节点，通过该外部公共边寻找领域，找到毛坯内部节点，作为种子。
7.如权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，步骤S5中，空间维度的区域生长具体包括以下步骤：
(1)从种子出发找到一条外部公共边，以其相邻的三个节点为新增毛坯外部节点的生长种子；
(2)对新增毛坯外部节点的每个边进行搜索，找到与外部公共边相邻的节点；
(3)判断其是否被标记为毛坯边界节点，如果是新增的边界节点，则该毛坯外部节点停止生长，再对其他新增毛坯外部节点进行步骤(2)，直至所有新增毛坯外部节点停止生长。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的基于区域生长的刀具对毛坯的布尔运算方法。
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CN113359608A (zh) * 2021-06-30 2021-09-07 华中科技大学 一种面向机床加工过程仿真的体素干涉检测方法和系统

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