CN113917887A - 一种基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法 - Google Patents

一种基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法 Download PDF

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CN113917887A CN202111228379.8A CN202111228379A CN113917887A CN 113917887 A CN113917887 A CN 113917887A CN 202111228379 A CN202111228379 A CN 202111228379A CN 113917887 A CN113917887 A CN 113917887A
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林永升
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Beijing Tongyan Sicheng Technology Co ltd
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法，包括以下步骤：S1、导入STL三角网格模型；S2、建立三角网格连接；S3、确定轨迹切片平面；S4、求切片平面和STL模型交点；S5、计算顶点法向量；S6、计算交点法向量；S7、轨迹点插补；本发明可以对复杂自由曲面工件进行轨迹规划，通过导入STL工件模型，根据加工要求和加工策略生成机器人或机床运动轨迹，轨迹信息包括轨迹点和在轨迹点对应的工具方向的法向量，算法是基于Linux系统，使用python语言实现，适用于多种硬件平台，降低硬件成本，减少了机器人示教编程的人工参与，降低中小企业使用机床或机器人的人工成本。

Description

一种基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法
技术领域
本发明涉及机床加工技术领域，具体为一种基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法的方法。
背景技术
工业化进程的不断向前推进，对产品的设计、制造提出了更高的要求，一些的形状复杂的工件表面是复杂自由曲面，对加工技术提出了更高的要求；
自由曲面本身具有复杂的形式，三轴数控机床虽然控制较为简单，容易实现，但是对于自由曲面而言，难以达到要求的加工精度，加工自由曲工件需要完成曲面信息的提取与处理，结合加工要求，制定相应的加工策略，以生成适用于此工件的加工轨迹，目前通常采用的方法有，机器人示教编程，使用离线编程软件生成加工轨迹；
现有的机器人示教编程需要大量人工操作，工件复杂的情况下示教难度大，工件更换时需要重新示教编程，对中小型企业而言，加工或喷涂的工件批量较少，种类较多，以上问题较为突出，现有的离线编程软件同样需要人工参与，且对中小型企业而言成本较高，一些离线编程软件只能处理三轴机床的轨迹规划，没有适用于五轴机床或六轴机器人，处理复杂自由曲面的轨迹规划能力，为此，提出一种基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法，包括以下步骤：
S1、导入STL三角网格模型；
S2、建立三角网格连接；
S3、确定轨迹切片平面；
S4、求切片平面和STL模型交点；
S5、计算顶点法向量；
S6、计算交点法向量；
S7、轨迹点插补；
S8、导出轨迹点数据。
作为本技术方案的进一步优选的：在S1中将三角网格模型转换为计算机处理的三角网格数据，使用工控机读取三角网格模型文件信息，将三角网格模型的数据转换为点，线，三角形等数据结构。
作为本技术方案的进一步优选的：在S2中工控机处理三角网格模型，得出三角网格之间的位置关系，位置关系包括点与对边的关系，边与邻接边的关系，三角形和指向三角形外的法向量的关系。
作为本技术方案的进一步优选的：在S3中轨迹的截平面互相平行，间距相等，截平面的间距根据工艺要求确定，轨迹间隔为D，截平面垂直于X轴，为保证截平面切割工件，计算工件顶点在X轴上的最大值和最小值，若工件顶点的X坐标最小值为Xmim，工件顶点的X坐标最大值为Xmax。
作为本技术方案的进一步优选的：在S4中截平面与三角网格模型相交分为两种情况：
第一种情况是截平面与三角形边相交，而不与三角网格的顶点相交，通常发生的是这种情况；
第二种情况是截平面与三角形的顶点相交，特殊地，截平面同时与三角形的两个顶点相交也可以归类于这种情况；
求截平面与三角网格模型的交点分为以下步骤：
第一步、确定截平面表达式为
Ax+By+Cz+D＝0 (式1)；
第二步、遍历三角网格模型的三角形边，得到第一个与截面相交的边，若三角形边的两个端点分别为P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)，则当：
(Ax1+By1+Cz1+D)(Ax2+By2+Cz2+D)＜0
时，边P1P2与截面Ax+By+Cz+D＝0有交点；
(Ax1+By1+Cz1+D)(Ax2+By2+Cz2+D)＝0
边P1P2的顶点在截平面上；
第三步、求取第二步中得到的边与截平面交点：
边P1P2可以用以下参数方程表达：
Figure BDA0003315043240000031
Figure DA00033150432451394130
将式2代入式1，得到
Figure BDA0003315043240000032
将公式3代入公式2，得到交点的三维坐标。
作为本技术方案的进一步优选的：在S5中顶点法向量为顶点邻接三角形法向量按三角形面积的加权平均；
Figure BDA0003315043240000033
式中λi为三角形面积；
Figure BDA0003315043240000034
作为本技术方案的进一步优选的：在S6中交点法向量为顶点法向量的加权平；
设线段的两个端点法向量分别为
Figure BDA0003315043240000035
交点到线段两个端点的
Figure BDA0003315043240000036
作为本技术方案的进一步优选的：在S7中设两个轨迹点分别为
P1(x1，y1，z1、P2(x2，y2，z2)，则线段P1P2的表达式为：
(z＝z1+t·(z2-z1)0≤t≤1 (式4)
Figure BDA0003315043240000037
将公式5代入公式4，得到P1，P2中间的n个插补点坐标。
作为本技术方案的进一步优选的：在S8中轨迹点数据由轨迹点坐标和该轨迹点对应的法向量组成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可以对复杂自由曲面工件进行轨迹规划，通过导入STL工件模型，根据加工要求和加工策略生成机器人或机床运动轨迹，轨迹信息包括轨迹点和在轨迹点对应的工具方向的法向量，算法是基于Linux系统，使用python语言实现，适用于多种硬件平台，降低硬件成本，减少了机器人示教编程的人工参与，降低中小企业使用机床或机器人的人工成本。
附图说明
图1为本发明的步骤流程图；
图2为本发明截平面和自由曲面位置关系示意图；
图3为本发明截平面和三角网格相交情况示意图；
图4为本发明顶点法向量示意图；
图5为本发明轨迹点计算示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法，包括以下步骤：
S1、导入STL三角网格模型；
S2、建立三角网格连接；
S3、确定轨迹切片平面；
S4、求切片平面和STL模型交点；
S5、计算顶点法向量；
S6、计算交点法向量；
S7、轨迹点插补；
S8、导出轨迹点数据。
本实施例中，在S1中将三角网格模型转换为计算机处理的三角网格数据，使用工控机读取三角网格模型文件信息，将三角网格模型的数据转换为点，线，三角形等数据结构。
本实施例中，在S2中工控机处理三角网格模型，得出三角网格之间的位置关系，位置关系包括点与对边的关系，边与邻接边的关系，三角形和指向三角形外的法向量的关系。
本实施例中，在S3中轨迹的截平面互相平行，间距相等，截平面的间距根据工艺要求确定，轨迹间隔为D，截平面垂直于X轴，为保证截平面切割工件，计算工件顶点在X轴上的最大值和最小值，若工件顶点的X坐标最小值为Xmin，工件顶点的X坐标最大值为Xmax。
本实施例中，在S4中截平面与三角网格模型相交分为两种情况：
第一种情况是截平面与三角形边相交，而不与三角网格的顶点相交，通常发生的是这种情况；通过图5所述截平面与三角形边相交，而不与三角网格的顶点相交，这种情况的发生概率较大
第二种情况是截平面与三角形的顶点相交，特殊地，截平面同时与三角形的两个顶点相交也可以归类于这种情况；
求截平面与三角网格模型的交点分为以下步骤：
第一步、确定截平面表达式为
Ax+By+Cz+D＝0 (式1)；
第二步、遍历三角网格模型的三角形边，得到第一个与截面相交的边，若三角形边的两个端点分别为P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)，则当：
(Ax1+By1+Cz1+D)(Ax2+By2+Cz2+D)＜0
时，边P1P2与截面Ax+By+Cz+D＝0有交点；
(Ax1+By1+Cz1+D)(Ax2+By2+Cz2+D)＝0
边P1P2的顶点在截平面上；
第三步、求取第二步中得到的边与截平面交点：
边P1P2可以用以下参数方程表达：
Figure BDA0003315043240000061
Figure DA00033150432451442939
将式2代入式1，得到
Figure BDA0003315043240000063
Figure DA00033150432451448857
将公式3代入公式2，得到交点的三维坐标。
本实施例中，在S5中顶点法向量为顶点邻接三角形法向量按三角形面积的加权平均；
Figure BDA0003315043240000065
式中λi为三角形面积；
Figure BDA0003315043240000066
Figure DA00033150432451594837
通过以图5中的点B为例，点B的法向量为ΔBAD，ΔBDE，ΔBEF，ΔBFG，ΔBGC，ΔBCA法向量按三角形面积的加权平均。
本实施例中，在S6中交点法向量为顶点法向量的加权平；
设线段的两个端点法向量分别为
Figure BDA0003315043240000068
交点到线段两个端点的
Figure BDA0003315043240000069
向量。
本实施例中，在S7中设两个轨迹点分别为P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)，则线段P1P2的表达式为：
Figure BDA00033150432400000610
Figure DA00033150432451467937
若在P1，P2中添加n个插补点，则可以令，
Figure BDA00033150432400000612
将公式5代入公式4，得到P1，P2中间的n个插补点坐标；通过重复计算S5和S6，计算得到所有交点的法向量。
本实施例中，在S8中轨迹点数据由轨迹点坐标和该轨迹点对应的法向量组成。
本实施例中，本发明基于LinuxCNC系统，使用python语言实现，可以运行与Linux系统的工控机平台，生成的轨迹结果不局限于特定的形式，可以转换为多种形式的轨迹文件，同时适用于机器人和机床。
实施例二
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法，包括以下步骤：
S1、导入STL三角网格模型；
S2、建立三角网格连接；
S3、确定轨迹切片平面；
S4、求切片平面和STL模型交点；
S5、计算顶点法向量；
S6、计算交点法向量；
S7、轨迹点插补；
S8、导出轨迹点数据。
本实施例中，在S1中将三角网格模型转换为计算机处理的三角网格数据，使用工控机读取三角网格模型文件信息，将三角网格模型的数据转换为点，线，三角形等数据结构。
本实施例中，在S2中工控机处理三角网格模型，得出三角网格之间的位置关系，位置关系包括点与对边的关系，边与邻接边的关系，三角形和指向三角形外的法向量的关系。
本实施例中，在S3中轨迹的截平面互相平行，间距相等，截平面的间距根据工艺要求确定，轨迹间隔为D，截平面垂直于X轴，为保证截平面切割工件，计算工件顶点在X轴上的最大值和最小值，若工件顶点的X坐标最小值为Xmin，工件顶点的X坐标最大值为Xmax；
一个截平面的表达式为：
Figure BDA0003315043240000081
其他截平面表达式为：
Figure BDA0003315043240000082
本实施例中，在S4中截平面与三角网格模型相交分为两种情况：
第一种情况是截平面与三角形边相交，而不与三角网格的顶点相交，通常发生的是这种情况；通过图5所述截平面与三角形边相交，而不与三角网格的顶点相交，这种情况的发生概率较大
第二种情况是截平面与三角形的顶点相交，特殊地，截平面同时与三角形的两个顶点相交也可以归类于这种情况；
求截平面与三角网格模型的交点分为以下步骤：
第一步、确定截平面表达式为
Ax+By+Cz+D＝0；
第二步、遍历三角网格模型的三角形边，得到第一个与截面相交的边，若三角形边的两个端点分别为P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)，则当：
(Ax1+By1+Cz1+D)(Ax2+By2+Cz2+D)＜0
时，边P1P2与截面Ax+By+Cz+D＝0有交点；
(Ax1+By1+Cz1+D)(Ax2+By2+Cz2+D)＝0
边P1P2的顶点在截平面上；
第三步、求取第二步中得到的边与截平面交点：
边P1P2可以用以下参数方程表达：
Figure BDA0003315043240000083
Figure DA00033150432451497249
得到：
Figure BDA0003315043240000085
Figure DA00033150432451501409
将公式7代入公式6，得到交点的三维坐标。
本实施例中，在S5中顶点法向量为顶点邻接三角形法向量按三角形面积的加权平均；
Figure BDA0003315043240000091
式中λi为三角形面积；
Figure BDA0003315043240000092
Figure DA00033150432451630365
通过以图5中的点B为例，点B的法向量为ΔBAD，ΔBDE，ΔBEF，ΔBFG，ΔBGC，ΔBCA法向量按三角形面积的加权平均。
本实施例中，在S6中交点法向量为顶点法向量的加权平；
设线段的两个端点法向量分别为
Figure BDA0003315043240000093
交点到线段两个端点的
Figure BDA0003315043240000094
向量。
本实施例中，在S7中设两个轨迹点分别为P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)，则线段P1P2的表达式为：
Figure BDA0003315043240000095
Figure DA00033150432451512489
若在P1，P2中添加n个插补点，则可以令，
Figure BDA0003315043240000096
将公式5代入公式4，得到P1，P2中间的n个插补点坐标；通过重复计算S5和S6，计算得到所有交点的法向量。
本实施例中，在S8中轨迹点数据由轨迹点坐标和该轨迹点对应的法向量组成。
实施例三
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法，包括以下步骤：
S1、导入STL三角网格模型；
S2、建立三角网格连接；
S3、确定轨迹切片平面；
S4、求切片平面和STL模型交点；
S5、计算顶点法向量；
S6、计算交点法向量；
S7、轨迹点插补；
S8、导出轨迹点数据。
本实施例中，在S1中将三角网格模型转换为计算机处理的三角网格数据，使用工控机读取三角网格模型文件信息，将三角网格模型的数据转换为点，线，三角形等数据结构。
本实施例中，在S2中工控机处理三角网格模型，得出三角网格之间的位置关系，位置关系包括点与对边的关系，边与邻接边的关系，三角形和指向三角形外的法向量的关系。
本实施例中，在S3中轨迹的截平面互相平行，间距相等，截平面的间距根据工艺要求确定，轨迹间隔为D，截平面垂直于X轴，为保证截平面切割工件，计算工件顶点在X轴上的最大值和最小值，若工件顶点的X坐标最小值为Xmin，工件顶点的X坐标最大值为Xmax。
本实施例中，在S4中截平面与三角网格模型相交分为两种情况：
第一种情况是截平面与三角形边相交，而不与三角网格的顶点相交，通常发生的是这种情况；通过图5所述截平面与三角形边相交，而不与三角网格的顶点相交，这种情况的发生概率较大
第二种情况是截平面与三角形的顶点相交，特殊地，截平面同时与三角形的两个顶点相交也可以归类于这种情况；
求截平面与三角网格模型的交点分为以下步骤：
第一步、确定截平面表达式为
Ax+By+Cz+D＝0 (式1)；
第二步、遍历三角网格模型的三角形边，得到第一个与截面相交的边，若三角形边的两个端点分别为P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)，则当：
(Ax1+By1+Cz1+D)(Ax2+By2+Cz2+D)＜0
时，边P1P2与截面Ax+By+Cz+D＝0有交点；
(Ax1+By1+Cz1+D)(Ax2+By2+Cz2+D)＝0
边P1P2的顶点在截平面上；
第三步、求取第二步中得到的边与截平面交点：
边P1P2可以用以下参数方程表达：
Figure BDA0003315043240000111
Figure DA00033150432451532599
将式2代入式1，得到
Figure BDA0003315043240000113
Figure DA00033150432451539302
将公式9代入公式8，得到交点的三维坐标。
本实施例中，在S5中顶点法向量为顶点邻接三角形法向量按三角形面积的加权平均；
Figure BDA0003315043240000115
式中λi为三角形面积；
Figure BDA0003315043240000116
Figure DA00033150432451645636
通过以图5中的点B为例，点B的法向量为ΔBAD，ΔBDE，ΔBEF，ΔBFG，ΔBGC，ΔBCA法向量按三角形面积的加权平均。
本实施例中，在S6中交点法向量为顶点法向量的加权平；
设线段的两个端点法向量分别为
Figure BDA0003315043240000118
交点到线段两个端点的
Figure BDA0003315043240000119
向量。
本实施例中，在S7中设两个轨迹点分别为P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)，则线段P1P2的表达式为：
Figure BDA0003315043240000121
Figure DA00033150432451551191
若在P1，P2中添加n个插补点，则可以令，
Figure BDA0003315043240000123
将公式5代入公式4，得到P1，P2中间的n个插补点坐标；通过重复计算S5和S6，计算得到所有交点的法向量。
本实施例中，在S8中轨迹点数据由轨迹点坐标和该轨迹点对应的法向量组成。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、导入STL三角网格模型；
S2、建立三角网格连接；
S3、确定轨迹切片平面；
S4、求切片平面和STL模型交点；
S5、计算顶点法向量；
S6、计算交点法向量；
S7、轨迹点插补；
S8、导出轨迹点数据。
2.根据权利要求1所述的基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法，其特征在于：在S1中将三角网格模型转换为计算机处理的三角网格数据，使用工控机读取三角网格模型文件信息，将三角网格模型的数据转换为点，线，三角形等数据结构。
3.根据权利要求1所述的基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法，其特征在于：在S2中工控机处理三角网格模型，得出三角网格之间的位置关系，位置关系包括点与对边的关系，边与邻接边的关系，三角形和指向三角形外的法向量的关系。
4.根据权利要求1所述的基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法，其特征在于：在S3中轨迹的截平面互相平行，间距相等，截平面的间距根据工艺要求确定，轨迹间隔为D，截平面垂直于X轴，为保证截平面切割工件，计算工件顶点在X轴上的最大值和最小值，若工件顶点的X坐标最小值为Xmin，工件顶点的X坐标最大值为Xmax。
5.根据权利要求1所述的基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法，其特征在于：在S4中截平面与三角网格模型相交分为两种情况：
第一种情况是截平面与三角形边相交，而不与三角网格的顶点相交，通常发生的是这种情况；
第二种情况是截平面与三角形的顶点相交，特殊地，截平面同时与三角形的两个顶点相交也可以归类于这种情况；
求截平面与三角网格模型的交点分为以下步骤：
第一步、确定截平面表达式为：Ax+By+Cz+D＝0 (式1)；
第二步、遍历三角网格模型的三角形边，得到第一个与截面相交的边，若三角形边的两个端点分别为P1(x1y1z1)、P2(x2y2z2)，则当：
(Ax1+By1+Cz1+D)(Ax2+By2+Cz2+D)＜0时，边P1P2与截面Ax+By+Cz+D＝0有交点；
(Ax1+By1+Cz1+D)(Ax2+By2+Cz2+D)＝0
边P1P2的顶点在截平面上；
第三步、求取第二步中得到的边与截平面交点：
边P1P2可以用以下参数方程表达：
Figure FDA0003315043230000021
Figure FDA0003315043230000022
将公式3代入公式2，得到交点的三维坐标。
6.根据权利要求1所述的基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法，其特征在于：在S5中顶点法向量为顶点邻接三角形法向量按三角形面积的加权平均；
Figure FDA0003315043230000023
式中λI为三角形面积；
Figure FDA0003315043230000024
Figure FDA0003315043230000026
7.根据权利要求1所述的基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法，其特征在于：在S6中交点法向量为顶点法向量的加权平；
设线段的两个端点法向量分别为
Figure FDA0003315043230000025
交点到线段两个端点的距离分别为d1，d2，则交点法向量为：。
Figure FDA0003315043230000031
Figure FDA0003315043230000034
8.根据权利要求1所述的基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法，其特征在于：在S7中设两个轨迹点分别为P1(x1y1z1)、P2(x2y2z2)，则线段的表达式为：
Figure FDA0003315043230000032
若0≤t≤1在P1P2中添加n个插补点，则可以令，
Figure FDA0003315043230000033
将公式5代入公式4，得到P1P2中间的n个插补点坐标。
9.根据权利要求1所述的基于三角网格模型的机床加工轨迹生成方法，其特征在于：在S8中轨迹点数据由轨迹点坐标和该轨迹点对应的法向量组成。
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