CN114115117A - 一种带有法向加工余量的刀轨生成方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有法向加工余量的刀轨生成方法及系统，其带有法向加工余量的刀轨生成过程为：获取原始模型，对所述原始模型进行解析以获得若干个三角面片；将划分所得的三角面片沿法向量方向进行偏移；基于偏移前每个三角面片的几何拓扑关系对偏移后的三角面片进行处理以获得封闭的法向偏置模型，并根据所述法向偏置模型生成对应的带有法向加工余量的刀轨。本发明自动将原始模型沿模型表面法向偏置，再根据法向偏置模型直接生成带有法向加工余量的刀轨，简化了人工计算余量的步骤，还可提高零件加工的精准程度，提高了零件加工的效率。

Description

一种带有法向加工余量的刀轨生成方法及系统

技术领域

本发明涉及数控加工技术领域，尤其涉及一种带有法向加工余量的刀轨生成方法、系统、设备及存储介质。

背景技术

在数控加工领域，使用者需要输入零件模型，根据零件模型生成所有的刀位面（Cutter Location，后续简称为CL面），再由刀位面上的点按照平行刀轨、偏置刀轨等样式连接形成刀轨；生成CL面的基本思想是将刀具沿着刀轴方向下坠，直至碰触到模型。

在实际加工场景中，零件的加工基本需要依次按照粗加工、二粗、半精、精加工的顺序执行，其中除了最后一步精加工的加工余量为0，确保与零件一致外，其余步骤都留有一定的加工余量。但是现有加工余量的选择一般都是需要人工计算获得的，计算所得的加工余量再录入控制系统中才可让机器按照预设余量对零件进行加工，但是人工计算效率以及准确度都相对较低。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种带有法向加工余量的刀轨生成方法，可产生法向偏置模型从而生成对应的带有法向加工余量的刀轨，代替人工操作，提高零件加工效率和准确度。

本发明的目的之二在于提供一种带有法向加工余量的刀轨系统。

本发明的目的之三在于提供一种电子设备。

本发明的目的之四在于提供一种存储介质。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种带有法向加工余量的刀轨生成方法，包括：

获取原始模型，对所述原始模型进行解析以获得若干个三角面片；

将划分所得的三角面片沿法向量方向进行偏移；

基于偏移前每个三角面片的几何拓扑关系对偏移后的三角面片进行处理以获得封闭的法向偏置模型，并根据所述法向偏置模型生成带有法向加工余量的刀轨。

进一步地，所述将划分所得的三角面片沿法向量方向进行偏移的方法为：

解析获取每个三角面片的顶点位置；

将每个三角面片的顶点往该三角面片所对应的法向量偏移至新的位置；

对每个三角面片偏移后的顶点进行顶点连接以获得偏移后的三角面片。

进一步地，对偏移后的三角面片进行处理的方法包括：

根据偏移前相邻两个三角面片之间的公共边的边属性，对偏移后的两个三角面片进行面片间的缝隙填补或重叠裁剪操作；

根据偏移前多个三角面片之间的公共顶点的点属性，对偏移后的多个三角面片的顶点位置进行球面补充，或对所述公共顶点相关联的面片进行缝隙填补或重叠裁剪操作。

进一步地，所述公共边的边属性的确定方法为：

判断公共边两侧相邻的两个三角面片在偏移过程中面片是否发生相交；

若两个三角面片始终不相交，两个三角面片的公共边的边属性为凸边，满足凸边属性的，对偏移后的两个三角面片执行缝隙填补操作；

若两个三角面片在偏移过程中发生相交，两个三角面片的公共边的边属性为凹边，满足凹边属性的，对偏移后的两个三角面片执行缝隙填补或重叠裁剪操作。

进一步地，所述若两个三角面片在偏移过程中发生相交，还包括：

判断两个三角面片沿法向量偏移预设偏移距离后两个三角面片最终是否处于相交状态，若否，则对偏移后的两个三角面片执行缝隙填补操作；若是，则对偏移后的两个三角面片执行重叠裁剪操作。

进一步地，执行所述缝隙填补操作的方法为：

在偏移后的两个三角面片之间生成以偏移距离为半径的圆柱面，使其与偏移后的两个三角面片发生相切。

进一步地，所述公共顶点的点属性的确定方法为：

判断偏移前与所述公共顶点相关联的边是否包含有凹边，当与所述公共顶点相关联的边中存在至少一条边为凹边，则该公共顶点的点属性为凹点；否则其点属性为凸点；满足凸点属性的，对偏移后的多个三角面片的顶点位置进行球面补充；满足凹点属性的，对所述公共顶点相关联的面片进行缝隙填补或重叠裁剪操作。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种带有法向加工余量的刀轨生成系统，执行如上述的带有法向加工余量的刀轨生成方法，包括：

模型解析模块，用于获取原始模型，对所述原始模型进行解析以获得若干个三角面片；

面片偏移模块，用于将划分所得的三角面片沿法向量方向进行偏移；

模型生成模块，用于基于偏移前每个三角面片的几何拓扑关系对偏移后的三角面片进行处理以获得封闭的法向偏置模型；

刀轨生成模块，用于根据所述法向偏置模型生成带有法向加工余量的刀轨。

本发明的目的之三采用如下技术方案实现：

一种电子设备，其包括处理器、存储器及存储于所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的带有法向加工余量的刀轨生成方法。

本发明的目的之四采用如下技术方案实现：

一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的带有法向加工余量的刀轨生成方法。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明将输入的原始模型进行解析获得若干个三角面片，对模型的所有三角面片沿法向偏移，实现将模型表面向外偏置的效果；再分别依赖偏置前每个三角形面片的点、边和面的拓扑关系对偏置后的面片进行填补缝隙、剪裁重叠部分等处理，生成封闭的新的法向偏置模型，相当于自动为原始模型增加了加工余量，再根据法向偏置模型生成对应的带有法向加工余量的刀轨，简化了人工计算余量的步骤，还可提高零件加工的精准程度，提高了零件加工的效率。

附图说明

图1为本发明带有法向加工余量的刀轨生成方法的流程示意图；

图2为本发明三角面片偏移示意图；

图3为本发明凸边偏移后新面片不相交的示意图；

图4为本发明凸边偏移后新面片间生成用于填补的圆弧的示意图；

图5为本发明凹边偏移后新面片相交的示意图；

图6为本发明凹边偏移后新面片不相交的示意图；

图7为本发明凹边偏移后不相交的新面片间生成用于填补的圆弧的示意图；

图8为本发明模型三角面片向外偏移的示意图；

图9为本发明法向偏置模型的示意图；

图10为本发明刀具沿刀轴方向下坠直至触摸到偏置模块的示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例一

本实施例提供一种带有法向加工余量的刀轨生成方法，可对STL模型进行沿表面法向向外偏置产生带余量的模型，可直接用于带有法向加工余量的刀轨生成，提高零件加工效率。

如图1所示，本实施例的带有法向加工余量的刀轨生成方法具体包括：

步骤S1：获取原始模型，对所述原始模型进行解析以获得若干个三角面片；

步骤S2：将划分所得的三角面片沿法向量方向进行偏移；

步骤S3：基于偏移前每个三角面片的几何拓扑关系对偏移后的三角面片进行处理以获得封闭的法向偏置模型，并根据所述法向偏置模型生成带有法向加工余量的刀轨。

本实施例输入的原始模型为封闭的STL模型，STL（Standard Triangle Language，标准三角语言）是一种由三角面片来表达模型表面的建模标准，本实施例获取零件的原始模型后对模型进行解析即可获得分布在模型表面上的若干个三角面片，而每个三角面片都有其对应的法向量，将每个三角片面沿法向量偏移至新的位置以获得新的法向偏置模型。

如图2所示，本实施例中将每个三角面片均沿其法向量方向进行偏移的具体方法为：

解析获取每个三角面片的顶点位置；

将每个三角面片的顶点往该三角面片所对应的法向量偏移至新的位置；

对每个三角面片偏移后的顶点进行顶点连接以获得偏移后的三角面片。

对于封闭的STL模型而言，公共边是相邻两个三角面片的公共部分，每条公共边两侧都有两个不同的三角面片；因此，可根据公共边两侧的三角面片偏置后的关系确定每条公共边的边属性，根据边属性将每条公共边划分为凸边和凹边。本实施例中区分凸边和凹边的依据是：凸边两侧的三角面片在向外偏置后不相交；凹边两侧的三角面片在偏置后可能相交或不相交。

本实施例中确定所述公共边的边属性的方法为：

判断公共边两侧相邻的两个三角面片在偏移过程中面片是否发生相交；

若偏移后两个三角面片始终不相交，则两个三角面片的公共边的边属性为凸边（如图3所示，实线为偏移前的三角面片，虚线为偏移后的三角面片，偏移后的三角面片始终不发生相交）；若两个三角面片在偏移过程中发生相交，两个三角面片的公共边的边属性为凹边。

若公共边的边属性为凸边，则对偏移后的两个三角面片执行缝隙填补操作；若公共边的边属性为凹边，则对偏移后的两个三角面片执行缝隙填补或重叠裁剪操作。

如图4所示，本实施例中对凸边执行缝隙填补操作的方法为：

在偏移后的两个三角面片之间生成以偏移距离为半径的圆柱面，且确保圆柱面与偏移后的两个三角面片发生相切，使得在偏移后两个三角面片之间形成圆弧结构，其圆弧为劣弧（图4中填补区域即为圆柱面生成位置）。

本实施例的凹边则存在两种情况，一是：如图5所示，图5中实线为偏移前的两三角面片，虚线为偏移后的两三角面片；偏移前，公共边两侧相邻的两个三角面片之间夹角为钝角，两个三角面片沿法向量方向向外偏移一定距离后，偏移所形成的新的面片相交，生成最终偏置STL模型表面时，需要剪裁掉重叠部分；剪裁时还需要考虑公共顶点的其他偏置面片，故不能仅根据共边关系直接剪裁，需要先将其进行剪裁标记，最后形成整个法向偏置模型时才统一裁剪。二是：如图6所示，图6中实线为偏移前的三角面片，虚线为偏移后的三角面片，偏移前，公共边两侧相邻的两个三角面片之间夹角非常小，在两个三角面片沿法向量向外偏移过程中，偏移所形成的两个新的面片会先相交后分离，当偏移到所需的偏移距离后，偏置后的两个三角面片不相交。因此，当两个三角面片在偏移过程中若出现相交，则还需判断两个三角面片沿法向量偏移预设偏移距离后两个三角面片最终是否仍处于相交状态，若是，则属于上述如图5所示的凹边情况；若偏移完毕后两面片不相交，则属于如图6所示的凹边情况，此时在偏移后的两个三角面片之间生成以偏置距离为半径的圆柱面，且确保圆柱面与偏置后的两个三角面片相切，使得在偏移后两个三角面片之间形成圆弧结构，如图7所示，虚线部分为生成的圆弧部分，其圆弧为优弧。

本实施例根据以上判断确定公共边的边属性后，凸边两侧的三角面片经过偏移后生成半径为偏置距离的圆柱面来修补两个三角面片之间缝隙。对于凹边，需要将凹边两侧偏置后的面片进行关联标记，使其在后续处理作为裁剪操作的对象。

本实施例中公共顶点是多条边的公共部分，公共顶点的点属性也分为凸点和凹点；在确定了所有公共边的凹凸属性后，判断偏移前与所述公共顶点相关联的边是否包含有凹边，当与所述公共顶点相关联的边中存在至少一条边（包含一条）为凹边时，则该公共顶点的点属性为凹点；否则其点属性为凸点。

本实施例根据模型的拓扑关联关系可知，STL模型上的点为周围N条边的公共点，同时为周围M个面的公共部分，所以每个顶点周围的面片偏移后的面片仍需要根据公共点的凹凸点属性，以及与此点相关联的公共边的边属性来进行缝补和剪裁操作。

参考图8、图9所示，对于凸点，与之关联的所有公共边都是凸边，因此在此点周围所有三角面片偏置后，各三角面片不相交，此时需要以凸点为圆心，偏移距离为半径生成球体；其后遍历与凸点相关联的公共边（即以此点为公共端点的全部边），以每个公共顶点为圆心，以边两侧面片的法向量和偏移距离生成一个空间劣圆弧；再将全部劣圆弧连接形成一条闭合曲线，根据闭合曲线将球体分割为两部分，并保留处于顶点一侧的部分球面并进行三角化处理，实现凸点处偏移后的三角面片的缝隙填充操作。

对于凹点，与之关联的边中至少有一条是凹边，其余边为凸边；对于凹边两侧的三角面片，偏移后存在相交和不相交的关系，若偏移后两三角面片不相交，则在偏置后的两三角面片之间形成优圆弧；若偏移后两三角面片相交，则将其标记为需要裁剪的对象；对于凸边两侧的三角面片，偏置后需要缝隙填充操作，即对其两侧偏置后的三角面片生成缝合圆柱面。

完成公共顶点全部关联边的遍历后，将所有的偏置面片、缝合圆柱面求交，裁剪重合部分，最终获得新的法向偏置模型；根据法向偏置模型生成对应的刀位面，由刀位面上的点按照平行刀轨、偏置刀轨等样式连接形成带有法向加工余量的刀轨；如图10所示，实线A为原始模型的刀位面，虚线B为法向偏置模型的刀位面，在实际零件加工过程中，刀具下坠并触碰到法向偏置模型所对应的刀位面B时停止，以此类推到整个法向偏置模型，刀具在法向偏置模型所对应的刀位面上时总能保证加工出的工件法向余量为指定值，提高零件加工准确性。

此外，在含有法向余量场景，将刀轨仿真后的残留模型与偏置后的新模型进行布尔运算，如果法向偏置模型减去残留模型不为空，则存在过切。可通过这种方法对加工零件质量进行检测，简单实用，在CAM领域具有重要作用。

实施例二

本实施例提供一种带有法向加工余量的刀轨生成系统，执行如实施例一所述的带有法向加工余量的刀轨生成方法，包括：

模型解析模块，用于获取原始模型，对所述原始模型进行解析以获得若干个三角面片；

面片偏移模块，用于将划分所得的三角面片沿法向量方向进行偏移；

模型生成模块，用于基于偏移前每个三角面片的几何拓扑关系对偏移后的三角面片进行填补缝隙、剪裁重叠部分等处理以获得封闭的法向偏置模型；

刀轨生成模块，用于根据所述法向偏置模型生成带有法向加工余量的刀轨。

本实施例还提供一种电子设备，其包括处理器、存储器及存储于所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例一中的带有法向加工余量的刀轨生成方法；另外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的带有法向加工余量的刀轨生成方法。

本实施例中的系统、设备及存储介质与前述实施例中的方法是基于同一发明构思下的多个方面，在前面已经对方法实施过程作了详细的描述，所以本领域技术人员可根据前述描述清楚地了解本实施例中的系统、设备及存储介质的结构及实施过程，为了说明书的简洁，在此就不再赘述。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种带有法向加工余量的刀轨生成方法，其特征在于，包括：

获取原始模型，对所述原始模型进行解析以获得若干个三角面片；

将划分所得的三角面片沿法向量方向进行偏移；

基于偏移前每个三角面片的几何拓扑关系对偏移后的三角面片进行处理以获得封闭的法向偏置模型，并根据所述法向偏置模型生成带有法向加工余量的刀轨。

2.根据权利要求1所述的带有法向加工余量的刀轨生成方法，其特征在于，所述将划分所得的三角面片沿法向量方向进行偏移的方法为：

解析获取每个三角面片的顶点位置；

将每个三角面片的顶点往该三角面片所对应的法向量偏移至新的位置；

对每个三角面片偏移后的顶点进行顶点连接以获得偏移后的三角面片。

3.根据权利要求1所述的带有法向加工余量的刀轨生成方法，其特征在于，对偏移后的三角面片进行处理的方法包括：

根据偏移前相邻两个三角面片之间的公共边的边属性，对偏移后的两个三角面片进行面片间的缝隙填补或重叠裁剪操作；

根据偏移前多个三角面片之间的公共顶点的点属性，对偏移后的多个三角面片的顶点位置进行球面补充，或对所述公共顶点相关联的面片进行缝隙填补或重叠裁剪操作。

4.根据权利要求3所述的带有法向加工余量的刀轨生成方法，其特征在于，所述公共边的边属性的确定方法为：

判断公共边两侧相邻的两个三角面片在偏移过程中面片是否发生相交；

若两个三角面片始终不相交，两个三角面片的公共边的边属性为凸边，满足凸边属性的，对偏移后的两个三角面片执行缝隙填补操作；

若两个三角面片在偏移过程中发生相交，两个三角面片的公共边的边属性为凹边，满足凹边属性的，对偏移后的两个三角面片执行缝隙填补或重叠裁剪操作。

5.根据权利要求4所述的带有法向加工余量的刀轨生成方法，其特征在于，所述若两个三角面片在偏移过程中发生相交，还包括：

判断两个三角面片沿法向量偏移预设偏移距离后两个三角面片最终是否处于相交状态，若否，则对偏移后的两个三角面片执行缝隙填补操作；若是，则对偏移后的两个三角面片执行重叠裁剪操作。

6.根据权利要求4所述的带有法向加工余量的刀轨生成方法，其特征在于，执行缝隙填补操作的方法为：

在偏移后的两个三角面片之间生成以偏移距离为半径的圆柱面，使其与偏移后的两个三角面片发生相切。

7.根据权利要求3所述的带有法向加工余量的刀轨生成方法，其特征在于，所述公共顶点的点属性的确定方法为：

判断偏移前与所述公共顶点相关联的边是否包含有凹边，当与所述公共顶点相关联的边中存在至少一条边为凹边，则该公共顶点的点属性为凹点；否则其点属性为凸点；满足凸点属性的，对偏移后的多个三角面片的顶点位置进行球面补充；满足凹点属性的，对所述公共顶点相关联的面片进行缝隙填补或重叠裁剪操作。

8.一种带有法向加工余量的刀轨生成系统，其特征在于，执行如权利要求1~7任意一项所述的带有法向加工余量的刀轨生成方法，包括：

模型解析模块，用于获取原始模型，对所述原始模型进行解析以获得若干个三角面片；

面片偏移模块，用于将划分所得的三角面片沿法向量方向进行偏移；

模型生成模块，用于基于偏移前每个三角面片的几何拓扑关系对偏移后的三角面片进行处理以获得封闭的法向偏置模型；

刀轨生成模块，用于根据所述法向偏置模型生成带有法向加工余量的刀轨。

9.一种电子设备，其特征在于，其包括处理器、存储器及存储于所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1~7任一所述的带有法向加工余量的刀轨生成方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现权利要求1~7任一所述的带有法向加工余量的刀轨生成方法。

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