CN112149244B - 一种增减材制造中等值线加工轨迹的规划方法 - Google Patents

一种增减材制造中等值线加工轨迹的规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于増材制造相关技术领域，并公开了一种增减材制造中等值线加工轨迹的规划方法。该方法包括：S1对于待成形壳体零件的三维曲面模型三角网格化；选取初始曲线；S2计算三角网格模型中所有网格的顶点到初始曲线的最短测地线；S3将所述三角网格模型切片，获得多个切片层，对于每个切片层，设定每个切片层的等值线高度，每个网格的边对应的两个顶点的最短测地线长度与等值线高度相比较，若不等于等值线高度，进行插值否则，两个顶点中最短测地线长度等于等值线高度的点为等值点；S4按照设定顺序连接单个切片层中的等值点，即获得单个切片层中的加工轨迹。通过本发明，计算简单快捷，最终获得产品成形精度高，误差小。

Description

一种增减材制造中等值线加工轨迹的规划方法
技术领域
本发明属于増材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种增减材制造中等值线加工轨迹的规划方法。
背景技术
等值线是计算机图形学的研究热点，广泛应用于科研和工程领域。由于开发等值线软件的专业性强、难度大、周期长，目前国外的正版等值线软件价格昂贵，国内尚无专门的等值线软件。随着国内工业迅猛的发展，对等值线技术的应用日益广泛，如曲面加工领域、增材制造领域的应用。
为解决上述问题，特别地，在增减材制造领域，一方面，用户的需求日趋多样化、个性化，而当前基于曲面的增减材制造的等值线样式较少，难以生成个性化的等值线样式；另一方面，用现有方法生成曲面等值线时难以同时保证较高的效率与精度。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种增减材制造中等值线加工轨迹的规划方法，该方法利用计算最短测地线获得等值线，即获得单个切片层中的加工轨迹，按照该加工轨迹加工获得的产品制造精度高。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种增减材制造中等值线加工轨迹的规划方法，该方法包括下列步骤：
S1对于待成形壳体零件的三维曲面模型进行三角网格化，以此获得待成形零件的三角网格模型；选取待成形壳体零件与成形平台相交的曲线作为初始曲线；
S2计算所述三角网格模型中所有网格的顶点到所述初始曲线的最短测地线，所有顶点的最短测地线的集合为测地线场；
S3将所述三角网格模型切片，获得多个切片层，对于每个切片层，设定每个切片层的等值线高度，将所述三角网格模型中每个网格的边对应的两个顶点的最短测地线长度分别与该顶点所在切片层的等值线高度相比较，当两个顶点的最短测地线长度均不等于设定的所述等值线高度时，在该两个顶点所在的边上插入等值点，使得该插入的等值点的最短测地线长度等于设定的所述等值线高度，否则，两个顶点中最短测地线长度等于设定的所述等值线高度的点即为等值点；
S4按照设定顺序连接单个切片层中的等值点，即获得单个切片层中的等值线，该等值线即为该切片层的加工轨迹，获得所有切片层中的等值线，即获得待成形零件的加工轨迹。
进一步优选地，在步骤S1中，所述初始曲线的计算方法为三角网格化中，相邻的三角网格共用一条相同的边。
进一步优选地，在步骤S1中，所述初始曲线采用Dijkstra算法求解获得。
进一步优选地，在步骤S2中，计算所述最短测地线的方法为MMP算法或CH-HAN算法。
进一步优选地，在步骤S3中，相邻的切片层设定的等值线高度相差一个切片层厚度。
进一步优选地，在步骤S3中，设定的等值线高度为d，等值点的坐标按照下列方式获得：
其中，A和B分别代表边的两个顶点的坐标，dmax和dmin分别是顶点A和B中的最短测地线长度的最大值和最短测地线长度的最小值。
进一步优选地，在步骤S3中，所述等值线高度介于所述两个顶点的最短测地线长度之间包括等值线高度等于顶点的最短测地线长度，当等值线高度等于顶点的最短测地线长度时，该顶点即为等值点。
进一步优选地，在步骤S4中，按照设定顺序连接单个切片层中的等值点按照下列方式进行，选择一个等值点作为起始点，在该等值点所在的三角网格的边上选择另外一个等值点作为起始点后的下一个点，重复，直至回到所述起始点，以此形成一条封闭的等值线。
进一步优选地，单个切片层中有一条等值线或多条等值线。
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，并具被下列有益效果：
1.本发明提供的三角网格曲面测地线场的等值线轨迹规划方法是一种基于三角网格曲面的精确距离场计算方法，该等值线的计算精度较高，同时也可以自定义初始曲线，从而设计等值线样式，满足个性化需求；
2.本发明中通过采用计算最短测地线的方式获取等值点，然后通过连接等值点获得等值线，即加工轨迹，该方法相比现有的増材制造的轨迹规划方法，计算简单快捷，最终获得产品成形精度高，误差小。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的增减材制造中等值线加工轨迹的规划方法流程图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的设定初始曲线形成过程示意图，其中，(a)是初始点形成示意图，(b)是初始曲线形成示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的采用Dijkstra算法生成初始曲线原理图，其中，(a)是初始扩展源s与未标记节点的示意图，(b)是从s往相邻顶点P2、P3扩展过程示意图，(c)是从P3往相邻未标记顶点P2、P4、P5扩展过程示意图，(d)是从P5往相邻未标记顶点P4扩展示意图，(e)是从P3往相邻未标记顶点P4扩展过程示意图，(f)是每个顶点到初始扩展源的最短距离示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的最短测地线的计算示意图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的最短测地线示意图，其中，(a)是源点s与目标点p之间的三角网格序列，(b)是两点间的最短测地线，(c)是以顶点s为初始点的测地现场；
图6是按照本发明的优选实施例所构建的插入等值点的示意图；
图7是按照本发明的优选实施例所构建的等值线示意图，其中(a)是基于初始点的等距等值线，(b)是基于初始曲线的等距等值线。
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，一种增减材制造中等值线加工轨迹的规划方法，该方法包括下列步骤：
(a)曲面三角化
对曲面进行三角化，生成三角网格曲面，如图2中(a)和(b)所示。也可以称为三角网格曲面建立顶点、边三角网格间的拓扑关系，其中，通过任意顶点，可以索引到它所邻接的所有边和三角网格；通过任意边，可以索引到它的两个顶点和它所邻接的三角网格；通过任意三角网格，可以索引到它的三个顶点和三条边，以及它所邻接的三角网格，简单的说，即相邻的三角形共用一条边和该条边对应的两个顶点。
(b)指定初始曲线
在计算机屏幕上通过鼠标拾取若干顶点作为锚点，采用Dijkstra算法生成最短路径连接锚点，生成初始曲线，也可以指定一个顶点，此时初始曲线为一个初始点，初始点与初始曲线如图2所示。本发明中，可以选取成形平台与待成形零件壳体的相交曲线作为初始曲线。
下面具体介绍如何获得初始曲线的过程。
在求从网格中的某一顶点(源点)到其余各顶点的最短路径时，经典Dijkstra算法将网络中的顶点分成三部分：未标记顶点、临时标记顶点和最短路径顶点(永久标记顶点)。如图3显示了利用Dijkstra算法计算5个顶点间的最短路径的过程，未标记顶点为白色，临时标记顶点为灰色，最短路径顶点为黑色，顶点之间的单向连接关系用连线与箭头表示，顶点之间的距离为连线的长度，算法开始时源点初始化为最短路径顶点，其余为未标记顶点，如图3中的(a)所示，显示了初始扩展源s与所有未标记节点；算法执行过程中，每次从最短路径顶点往相邻顶点扩展，判断距离值是否更新后，在所有临时标记顶点中提取距离值最小的顶点，修改为最短路径顶点后作为下一次的扩展源，再重复前面的步骤，当所有顶点都为黑色时算法结束，例如，从s点往相邻顶点扩展时，其单向邻接顶点为P2与P3，sP2与sP3长度分别为10与5，更新P2与P3原有距离值即无穷大值为10与5，如图3中的(b)所示，显示了从s往相邻顶点P2、P3扩展的计算过程，可知P3为当前距离值最小的顶点，修改为最短路径顶点后作为下一次的扩展源，如图3中的(c)所示，显示了从P3往相邻未标记顶点P2、P4、P5扩展的计算过程，可知P5为距离较小的节点，重复以上步骤，依次寻找出最短路径节点P5，如图3中的(d)所示，显示了从P5往相邻未标记顶点P4扩展的计算过程，更新了P4的最短距离值(从14更新为13)，P2和P4如图3中的(e)所示，显示了从P3往相邻未标记顶点P4扩展的计算过程，更新了P4的最短距离值(从13更新为9)，如图3中的(f)所示，算法结束，可以知道任意顶点到源点s的最短路径。
(c)计算三角网格曲面测地线场
计算所有顶点到初始曲线的最短测地线，形成测地线场。顶点的距离值为最短测地线的长度，最短测地线是一条三角网格曲面上两点间的最短路径，顶点到初始曲线的最短测地线是指，顶点到初始曲线组成点的最短测地线中最短的一条。
最短测地线的计算方法基于离散测地线问题的经典算法如MMP算法、CH-HAN算法。为计算顶点s(初始点)与目标点p之间的最短测地线，需先将两点间的三角网格展开至平面，使得p铺展至p′，如图4所示，然后在平面上寻找一条通过一系列相邻三角网格(三角网格序列)的直线sp′连接两点，最后逆向旋转三角网格得到最短测地线sp。可能不存在一条通过三角网格序列的直线sp′，需在三角网格序列上寻找特殊顶点s′作为伪源点，用寻找通过三角网格序列的直线ss′与s′p′，该方式是现有常规技术，此处不作累述。图5中(a)展示了源点s与目标点p之间的三角网格序列，图5中(b)展示了两点间的最短测地线，图5中(c)展示了以顶点s为初始点的测地现场。
(d)插入等值点
为生成一定距离值δ0的等值线，需遍历所有边。若边跨越该距离值，则在这条边上插入等值点。图6中边p1p2跨越δ0，即δ1＜δ0＜γ2，等值点qi为，
(e)生成等值线
顺序连接等值点，成为一条等值线。顺序连接等值点的具体办法为，任选一个等值点qi(图6)作为第一点，在该点所在边的对边上寻找一个等值点qi+1作为下一点，与第一点连接。由于一条边最多与两个三角网格相邻，其对边最多有四条，可能存在多个等值点，则任选一个点作为下一点。重复以上过程，确保每一个点只被连接一次，直到所有点均被连接。图7展示了等距等值线，即相邻等值线的间距相等，其中图7中(a)为基于初始点的等距等值线，图7中(b)为基于初始曲线的等距等值线。
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)

1.一种增减材制造中等值线加工轨迹的规划方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
S1对于待成形壳体零件的三维曲面模型进行三角网格化，以此获得待成形零件的三角网格模型；选取待成形壳体零件与成形平台相交的曲线作为初始曲线；
S2计算所述三角网格模型中所有网格的顶点到所述初始曲线的最短测地线，所有顶点的最短测地线的集合为测地线场；
S3将所述三角网格模型切片，获得多个切片层，对于每个切片层，设定每个切片层的等值线高度，将所述三角网格模型中每个网格的边对应的两个顶点的最短测地线长度分别与该顶点所在切片层的等值线高度相比较，当所述等值线高度介于所述两个顶点的最短测地线长度之间时，在该两个顶点所在的边上插入等值点，使得该插入的等值点的插值高度等于设定的所述等值线高度，否则，不予处理；
其中，设定的等值线高度为d，等值点的坐标按照下列方式获得：
其中，A和B分别代表边的两个顶点的坐标，dmax和dmin分别是顶点A和B中的最短测地线长度的最大值和最短测地线长度的最小值；
S4按照设定顺序连接单个切片层中的等值点，即获得单个切片层中的等值线，该等值线即为该切片层的加工轨迹，获得所有切片层中的等值线，即获得待成形零件的加工轨迹。
2.如权利要求1所述的一种增减材制造中等值线加工轨迹的规划方法，其特征在于，在步骤S1中，所述初始曲线的计算方法为三角网格化中，相邻的三角网格共用一条相同的边。
3.如权利要求1所述的一种增减材制造中等值线加工轨迹的规划方法，其特征在于，在步骤S1中，所述初始曲线采用Dijkstra算法求解获得。
4.如权利要求1所述的一种增减材制造中等值线加工轨迹的规划方法，其特征在于，在步骤S2中，计算所述最短测地线的方法为MMP算法或CH-HAN算法。
5.如权利要求1所述的一种增减材制造中等值线加工轨迹的规划方法，其特征在于，在步骤S3中，相邻的切片层设定的等值线高度相差一个切片层厚度。
6.如权利要求1所述的一种增减材制造中等值线加工轨迹的规划方法，其特征在于，在步骤S3中，所述等值线高度介于所述两个顶点的最短测地线长度之间包括等值线高度等于顶点的最短测地线长度，当等值线高度等于顶点的最短测地线长度时，该顶点即为等值点。
7.如权利要求1所述的一种增减材制造中等值线加工轨迹的规划方法，其特征在于，在步骤S4中，按照设定顺序连接单个切片层中的等值点按照下列方式进行，选择一个等值点作为起始点，在该等值点所在的三角网格的边上选择另外一个等值点作为起始点后的下一个点，重复，直至回到所述起始点，以此形成一条封闭的等值线。
8.如权利要求7所述的一种增减材制造中等值线加工轨迹的规划方法，其特征在于，单个切片层中有一条等值线或多条等值线。
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