CN114115119A - 基于三角网格的刀具扫掠体生成方法、装置及存储介质 - Google Patents

基于三角网格的刀具扫掠体生成方法、装置及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开基于三角网格的刀具扫掠体生成方法，通过在刀具的三角形网格模型上找到一个剪影轮廓线，以使得模型分割成前后两个模型，将处于刀具平移方向前端的模型进行平移，将剪影轮廓线沿着刀具平移方向平移后得到剪影轮廓线的模型，最终根据分割形成的处于刀具平移方向后端的模型、处于刀具平移方向前端的模型平移后的模型以及剪影轮廓线形成的模型组合得出最终的刀具扫掠体。本发明具有计算复杂度低、数据冗余量小、便于编程实现等特点。本发明还公开基于三角网格的刀具扫掠体生成装置及存储介质。

Description

基于三角网格的刀具扫掠体生成方法、装置及存储介质
技术领域
本发明涉及数控加工领域，尤其涉及基于三角网格的刀具扫掠体方法、装置及存储介质。
背景技术
在数控加工仿真领域内，刀具需要沿着指定的路径运动对毛坯材料进行机械切削，从而模拟出实际材料的去除过程，以便为实际的生产过程提供数据参考。由于用户给定的仿真精度不同时，刀具的运动路径可以离散成多段小的直线。因此，目前位于刀具的运动路径的研究，大多数集中于研究如何生成单段直线运行的刀具扫掠体。
比如对于专利号CN201380017553.1、发明名称为对通过工具对工件的机械加工进行仿真的方法和系统的专利文献中是通过将刀具离散成多个点，并以多条射线来表达单次运动的刀具扫掠体。该方法需要在刀具表面上生成大量的射线，同时对于处于平移方向后端的刀具的表面的射线也需要采样，然而这部分的射线实际上并没有参与材料的去除，导致数据出现较大冗余，这些多余的数据操作耗费了计算机资源。
再比如专利号为CN200510096277.X、发明名称为基于压缩体素模型的球头刀空间扫描体构造方法的专利文献中是使用体素法来构造型刀具扫掠体。该方法将刀具考虑成实体模型，同时将刀具扫掠体的内部也要采用体素法见表达，尽管刀具已经进行体素压缩，但是其仍然需要处理巨大的数据量，计算复杂度高。
再比如专利号为CN201010581644.6、发明名称为基于包络理论的数控加工仿真中通用刀具扫描体生成方法以及专利号为CN201310347465.X、发明名称为一种刀具扫描体建模方法的专利文献中是使用隐式曲面来计算刀具扫掠体。此类方法需要解析曲面来描述刀具形状和扫掠体，由于其涉及到多元方程组求解，很容易存在多解或者无解的情况。很明显，目前的刀具扫掠体的计算方法均存在计算复杂高、数据冗余量大等问题。
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基于三角网格的刀具扫掠体生成方法，其能够解决现有技术中刀具扫掠体生成时存在计算复杂度高、数据冗余量大等问题。
本发明的目的之二在于提供基于三角网格的刀具扫掠体生成装置，其能够解决现有技术中刀具扫掠体生成时存在计算复杂度高、数据冗余量大等问题。
本发明的目的之三在于提供一种存储介质，其能够解决现有技术中刀具扫掠体生成时存在计算复杂度高、数据冗余量大等问题。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
基于三角网格的刀具扫掠体生成方法，所述刀具扫掠体生成方法包括：
模型获取步骤：获取刀具的三角形网格模型、刀具平移方向的矢量和平移距离；
轮廓线获取步骤：获取刀具的三角形网格模型表面的剪影轮廓线；所述剪影轮廓线是由所述刀具的三角形网格模型表面的多个点组成，并且每个点对应的法矢量与刀具平移方向的矢量垂直；
分割步骤：根据所述剪影轮廓线将刀具的三角形网格模型分割形成第一三角形网格模型、第二三角形网格模型，并且所述第一三角形网格模型位于刀具平移方向的后端、第二三角形网格模型位于刀具平移方向的前端；
平移步骤：将所述第一三角形网格模型的位置保持不变，将所述第二三角形网格模型以所述平移距离，并沿着所述刀具平移方向进行平移；
扫掠步骤：将所述剪影轮廓线以所述平移距离，并沿着刀具平移方向进行平移得出第三三角形网格模型，进而根据所述第一三角形网格模型、第三三角形网格模型和第二三角形网格模型的组合得出刀具扫掠体。
进一步地，所述轮廓线获取步骤具体包括：根据点积原理获取所述剪影轮廓线；所述剪影轮廓线上的每个点的法矢量与刀具平移方向的矢量的点积结果为零。
进一步地，所述轮廓线获取步骤具体包括：
顶点遍历步骤：从所述刀具的三角形网格模型中查找得出每个三角形网格的顶点，并根据每个顶点得出对应法矢量；
点积步骤：将每个顶点的法矢量分别与所述刀具平移方向的矢量进行点积，并根据点积结果将所有顶点划分为正顶点和负顶点；
边查找步骤：遍历刀具的三角形网格模型中每个三角形网格的所有边，并查找出同时具有正顶点和负顶点的边，记为第一边；
连线步骤：在每条所述第一边上查找出一个点，并且该点的法矢量与刀具平移方向的矢量垂直，然后将查找出的所有点顺序连接起来以得出所述剪影轮廓线。
进一步地，所述连线步骤还包括：根据插值算法在每条所述第一边上查找出一个点，并使得该点的法矢量与刀具平移方向的矢量垂直。
进一步地，所述插值算法包括线性插值算法和二次插值算法中的任意一种。
进一步地，所述连线步骤还包括：将查找出的所有点按照连接搜索方法顺序连接起来；所述连接搜索方法包括最近相邻法和广度优先搜索算法中的任意一种。
进一步地，所述正顶点的法矢量与刀具平移方向的矢量的点积结果大于零；所述负顶点的法矢量与刀具平移方向的矢量的点积结果小于零的顶点。
进一步地，所述顶点遍历步骤具体包括：根据加权平均法从刀具的三角形网格模型中查找得出每个三角形网格的顶点。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
基于三角形网格的刀具扫掠体生成装置，其包括存储器和处理器，所述存储器上存储有在处理器上运行的刀具扫掠体生成程序，所述刀具扫掠体生成程序为计算机程序，所述处理器执行所述刀具扫掠体生成程序时实现如本发明的目的之一采用的基于三角网格的刀具扫掠体生成方法的步骤。
本发明的目的之三采用如下技术方案实现：
一种存储介质，该存储介质为计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序为刀具扫掠体生成程序，所述刀具扫掠体生成程序被处理器执行时实现如本发明的目的之一采用的基于三角网格的刀具扫掠体生成方法的步骤。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明是基于三角形网格的方式来实现对刀具的扫掠体的形成，通过在扫局的三角形网格模型的表面查找得出一条剪影轮廓线，使得刀具的三角形网格模型形成两个三角形网格模型，然后将位于刀具平移方向前端的三角形网格模型进行平移，同时将剪影轮廓线也向刀具平移方向进行平移扫掠，进而根据得出的两个三角形网格模型和剪影轮廓线形成的扫掠体组成生成刀具扫掠体。本发明的算法简单、操作方便，便于编程实现，解决现有的刀具扫掠体的生成方案具有数据冗余量大、数据计算复杂等问题。
附图说明
图1为本发明提供的基于三角网格的刀具扫掠体生成方法的流程图；
图2为图1中步骤S2的流程图；
图3为本发明给出的一个三角形网格的三个顶点、法矢量以及刀具平移方向的矢量示意图；
图4为图1中的三角形网格中具有正顶点和负顶点两条边上的点以及连线示意图；
图5为本发明提供的一个刀具的三角形网格模型M的示意图；
图6为图5中三角形网格模型M被剪影轮廓线分割后，将第二三角形网格模型平移后的示意图；
图7为图5对应的刀具扫掠体示意图。
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
本发明提供一种基于三角网格的刀具扫掠体生成方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1、获取刀具的三角形网格模型、刀具平移方向的矢量和平移距离。
在实际的工程中，刀具、零件、毛坯大多数都是使用三角网格来表达形状，进行三维布尔运算来完成仿真模拟的。因此，本发明所采用的刀具模型为三角形网格模型。其中，三角形网格模型是指由多个三角形拼接而成的网格模型。
优选地，本发明设定刀具的三角形网格模型记为M，刀具平移方向的矢量记为ν，平移距离是指刀具需要平移的距离，记为d，如图5所示，图中的箭头为刀具平移方向。
步骤S2、获取刀具的三角形网格模型表面的剪影轮廓线。
优选地，剪影轮廓线记为s，其是在刀具的三角形网格模型M表面的一段曲线，并由刀具的三角形网格模型M表面的一系列点组成，其中，每个点对应的法矢量与刀具平移方向的矢量垂直。其中，每个点对应的法矢量是指三角形网格模型M表面的法矢量，是指通过在其表面找一点，与该点切平面垂直、并且指向模型外的矢量。
优选地，点的法矢量与刀具平移方向的矢量垂直，也即是指点的法矢量与刀具平移方向的矢量的点积结果为零。因此，本发明是利用点积原理来实现剪影轮廓线的形成。
其中，点积原理，又称为点乘，其定义为：a•b=|a|•|b|cos<a,b>；其中，<a,b>表示向量a，向量b的夹角，取值范围为[0，180]。
本发明根据上述点积原理按照每个点对应的刀具的三角形网格模型M表面的法矢量与刀具平移方向的矢量垂直的规则查找得出刀具的三角形网格模型M表面的一系列点，然后将这些点连线形成剪影轮廓线s。
优选地，如图2所示，步骤S2还具体包括：
步骤S21、根据刀具的三角形网格模型查找得出刀具的三角形网格模型中的每个三角形网格的顶点，并根据每个顶点得出对应法矢量。
具体地，设定顶点的法矢量记为ni，其中，i为顶点的序号。对于所有顶点的编号可根据实际的需求设置，也可以随机设置。如图3所示，对于一个三角形网格，包括三个顶点，每个顶点的法矢量分别为n1、n2、n3。
优选地，由于刀具的三角形网格模型中的三角形网格有很多，本发明通过加权平均法或其他的方法来查找到所有三角形网格的顶点。
由于刀具的三角形网格模型是由多个三角形网格拼接而成的，因此，两个相邻的三角形网格会共用同一条边，也会共用顶点。
由于每个三角形网格均处于三角形网格模型的平面上，因此，每个三角形网格的顶点均存在对应的法矢量。
优选地，在学术和工程实际中，通常采用周围一圈三角形的法矢量的加权平均。具体做法，顶点的法矢量等于每个三角形的法矢量乘以面积，加和之后除以所有三角形面积之和。
步骤S22、将每个顶点的法矢量分别与刀具平移方向的矢量进行点积，并根据点积结果将所有顶点分为正顶点和负顶点。
其中，正顶点是指点积结果大于零的点，负顶点是指点积结果小于零的点每个三角形网格的顶点的法矢量记为ni，则ni•ν> 0时对应的顶点记为正顶点，ni•ν< 0时对应的顶点记为负顶点。如图3所示，该三角形网格具有两个正顶点和一个负顶点，负顶点的法矢量为n1，两个正顶点的法矢量分别为n2、n3。
步骤S23、遍历刀具的三角形网格模型中每个三角形网格的所有边，并查找出同时具有正顶点和负顶点的边，记为第一边。
步骤S24、在每条第一边上查找出任意一点，并且该点的法矢量与刀具平移方向的矢量垂直。
具体地，本发明根据插值算法在每条第一边上查找出任意一点，并且该点的法矢量与刀具平移方向的矢量垂直，也即该点的法矢量与刀具平移方向的矢量的点积结果为零。
具体地，将查找得出的点的法矢量记为n，则该点的法矢量n与刀具的平移方向的矢量ν需要满足以下条件：
n •ν = 0。
优选地，插值算法可包括线性插值算法、二次插值算法均可实现。
步骤S25、将查找出的所有点连接起来得到剪影轮廓线。也即，将所有与刀具的平移方向的矢量的点积结果为零的点连接起来即可得到剪影轮廓线。
具体地，在将所有点连接起来时采用连接搜索方法顺序连接。其中，连接搜索方法不限于最近相邻法、广度优先搜索法。
也即，如图4所示，该三角形网格同时具有负顶点和正顶点的边有两条，然后分别在两条边上选择一个点，并且该点的法矢量与刀具平移方向的矢量垂直，这样将这两个点连接起来即可形成剪影轮廓线s的一部分。
步骤S3、根据剪影轮廓线将刀具的三角形网格模型分割形成两个三角形网格模型，分别记为第一三角形网格模型、第二三角形网格模型，并且第一三角形网格模型位于刀具平移方向的后端、第二三角形网格模型位于刀具平移方向的前端。
具体地，第一三角形网格模型记为M1，第二三角形网格模型记为M2，其中，第一三角形网格模型M3位于刀具平移方向的后端、第二三角形网格模型M2位于刀具平移方向的前端。
步骤S4、将第一三角形网格模型的位置不变，将第二三角形网格模型以所述平移距离，并沿着所述刀具平移方向进行平移。
也即，将第一三角形网格模型M1的位置保持不变，将第二三角形网格模型M2沿着刀具平移方向、并平移距离d进行平移，如图6所示，通过得出的剪影轮廓线可将刀具的三角形网格模型分割形成两个三角形网格模型，然后将第一三角形模型的位置保持不变，将第二三角形网格模型沿着刀具平移方向进行平移。
步骤S5、将剪影轮廓线以所述平移距离，并沿着刀具平移方向进行平移得出剪影轮廓线的扫掠体，并记为第三三角形网格模型。
具体地，第三三角形网格模型记为M3。也即，将剪影轮廓线s以平移距离d，沿着刀具平移方向进行平移即可得到剪影轮廓线s的扫掠体，也即第三三角形网格模型M3。
步骤S6、根据第一三角形网格模型、第三三角形网格模型以及第二三角形网格模型组合得出刀具扫掠体。
也即，将第一三角形网格模型M1、第三三角形网格模型M3和第二三角形网格模型M2组合以得出刀具扫掠体，如图7所示，将剪影轮廓线s也沿着刀具平移方向平移d的距离得出扫掠体，然后根据三个模型的组合得到刀具的扫掠体。
本发明的操作简单、计算复杂度低，方便编程实现。
实施例二
基于实施例一，本发明还提供基于三角网格的刀具扫掠体生成装置，其包括存储器和处理器，所述存储器上存储有在处理器上运行的刀具扫掠体生成程序，所述刀具扫掠体生成程序为计算机程序，所述处理器执行所述刀具扫掠体生成程序时实现以下步骤：
模型获取步骤：获取刀具的三角形网格模型、刀具平移方向的矢量和平移距离；
轮廓线获取步骤：获取刀具的三角形网格模型表面的剪影轮廓线；所述剪影轮廓线是由所述刀具的三角形网格模型表面的多个点组成，并且每个点对应的法矢量与刀具平移方向的矢量垂直；
分割步骤：根据所述剪影轮廓线将刀具的三角形网格模型分割形成第一三角形网格模型、第二三角形网格模型，并且所述第一三角形网格模型位于刀具平移方向的后端、第二三角形网格模型位于刀具平移方向的前端；
平移步骤：将所述第一三角形网格模型的位置保持不变，将所述第二三角形网格模型以所述平移距离，并沿着所述刀具平移方向进行平移；
扫掠步骤：将所述剪影轮廓线以所述平移距离，并沿着刀具平移方向进行平移得出第三三角形网格模型，进而根据所述第一三角形网格模型、第三三角形网格模型和第二三角形网格模型的组合得出刀具扫掠体。
进一步地，所述轮廓线获取步骤具体包括：根据点积原理获取所述剪影轮廓线；所述剪影轮廓线上的每个点的法矢量与刀具平移方向的矢量的点积结果为零。
进一步地，所述划分轮廓线步骤具体包括：
顶点遍历步骤：从所述刀具的三角形网格模型中查找得出每个三角形网格的顶点，并根据每个顶点得出对应法矢量；
点积步骤：将每个顶点的法矢量分别与所述刀具平移方向的矢量进行点积，并根据点积结果将所有顶点划分为正顶点和负顶点；
边查找步骤：遍历刀具的三角形网格模型中每个三角形网格的所有边，并查找出同时具有正顶点和负顶点的边，记为第一边；
连线步骤：在每条所述第一边上查找出一个点，并且该点的法矢量与刀具平移方向的矢量垂直，然后将查找出的所有点顺序连接起来以得出所述剪影轮廓线。
进一步地，所述连线步骤还包括：根据插值算法在每条所述第一边上查找出一个点，并使得该点的法矢量与刀具平移方向的矢量垂直。
进一步地，所述插值算法包括线性插值算法和二次插值算法中的任意一种。
进一步地，所述连线步骤还包括：将查找出的所有点按照连接搜索方法顺序连接起来；所述连接搜索方法包括最近相邻法和广度优先搜索算法中的任意一种。
进一步地，所述正顶点的法矢量与刀具平移方向的矢量的点积结果大于零；所述负顶点的法矢量与刀具平移方向的矢量的点积结果小于零的顶点。
进一步地，所述顶点查找步骤具体包括：根据加权平均法从刀具的三角形网格模型中查找得出每个三角形网格的顶点。
实施例三
基于实施例一，本发明还提供另外一实施例，一种存储介质，该存储介质为计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序为刀具扫掠体生成程序，所述刀具扫掠体生成程序被处理器执行时实现如以下步骤：
模型获取步骤：获取刀具的三角形网格模型、刀具平移方向的矢量和平移距离；
轮廓线获取步骤：获取刀具的三角形网格模型表面的剪影轮廓线；所述剪影轮廓线是由所述刀具的三角形网格模型表面的多个点组成，并且每个点对应的法矢量与刀具平移方向的矢量垂直；
分割步骤：根据所述剪影轮廓线将刀具的三角形网格模型分割形成第一三角形网格模型、第二三角形网格模型，并且所述第一三角形网格模型位于刀具平移方向的后端、第二三角形网格模型位于刀具平移方向的前端；
平移步骤：将所述第一三角形网格模型的位置保持不变，将所述第二三角形网格模型以所述平移距离，并沿着所述刀具平移方向进行平移；
扫掠步骤：将所述剪影轮廓线以所述平移距离，并沿着刀具平移方向进行平移得出第三三角形网格模型，进而根据所述第一三角形网格模型、第三三角形网格模型和第二三角形网格模型的组合得出刀具扫掠体。
进一步地，所述轮廓线获取步骤具体包括：根据点积原理获取所述剪影轮廓线；所述剪影轮廓线上的每个点的法矢量与刀具平移方向的矢量的点积结果为零。
进一步地，所述划分轮廓线步骤具体包括：
顶点遍历步骤：从所述刀具的三角形网格模型中查找得出每个三角形网格的顶点，并根据每个顶点得出对应法矢量；
点积步骤：将每个顶点的法矢量分别与所述刀具平移方向的矢量进行点积，并根据点积结果将所有顶点划分为正顶点和负顶点；
边查找步骤：遍历刀具的三角形网格模型中每个三角形网格的所有边，并查找出同时具有正顶点和负顶点的边，记为第一边；
连线步骤：在每条所述第一边上查找出一个点，并且该点的法矢量与刀具平移方向的矢量垂直，然后将查找出的所有点顺序连接起来以得出所述剪影轮廓线。
进一步地，所述连线步骤还包括：根据插值算法在每条所述第一边上查找出一个点，并使得该点的法矢量与刀具平移方向的矢量垂直。
进一步地，所述插值算法包括线性插值算法和二次插值算法中的任意一种。
进一步地，所述连线步骤还包括：将查找出的所有点按照连接搜索方法顺序连接起来；所述连接搜索方法包括最近相邻法和广度优先搜索算法中的任意一种。
进一步地，所述正顶点的法矢量与刀具平移方向的矢量的点积结果大于零；所述负顶点的法矢量与刀具平移方向的矢量的点积结果小于零的顶点。
进一步地，所述顶点查找步骤具体包括：根据加权平均法从刀具的三角形网格模型中查找得出每个三角形网格的顶点。
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.基于三角网格的刀具扫掠体生成方法，其特征在于，所述刀具扫掠体生成方法包括：
模型获取步骤：获取刀具的三角形网格模型、刀具平移方向的矢量和平移距离；
轮廓线获取步骤：获取刀具的三角形网格模型表面的剪影轮廓线；所述剪影轮廓线是由所述刀具的三角形网格模型表面的多个点组成，并且每个点对应的法矢量与刀具平移方向的矢量垂直；
分割步骤：根据所述剪影轮廓线将刀具的三角形网格模型分割形成第一三角形网格模型、第二三角形网格模型，并且所述第一三角形网格模型位于刀具平移方向的后端、第二三角形网格模型位于刀具平移方向的前端；
平移步骤：将所述第一三角形网格模型的位置保持不变，将所述第二三角形网格模型以所述平移距离，并沿着所述刀具平移方向进行平移；
扫掠步骤：将所述剪影轮廓线以所述平移距离，并沿着刀具平移方向进行平移得出第三三角形网格模型，进而根据所述第一三角形网格模型、第三三角形网格模型和第二三角形网格模型的组合得出刀具扫掠体。
2.根据权利要求1所述的基于三角网格的刀具扫掠体生成方法，其特征在于，所述轮廓线获取步骤具体包括：根据点积原理获取所述剪影轮廓线；所述剪影轮廓线上的每个点的法矢量与刀具平移方向的矢量的点积结果为零。
3.根据权利要求2所述的基于三角网格的刀具扫掠体生成方法，其特征在于，所述轮廓线获取步骤具体包括：
顶点遍历步骤：从所述刀具的三角形网格模型中查找得出每个三角形网格的顶点，并根据每个顶点得出对应法矢量；
点积步骤：将每个顶点的法矢量分别与所述刀具平移方向的矢量进行点积，并根据点积结果将所有顶点划分为正顶点和负顶点；
边查找步骤：遍历刀具的三角形网格模型中每个三角形网格的所有边，并查找出同时具有正顶点和负顶点的边，记为第一边；
连线步骤：在每条所述第一边上查找出一个点，并且该点的法矢量与刀具平移方向的矢量垂直，然后将查找出的所有点顺序连接起来以得出所述剪影轮廓线。
4.根据权利要求3所述的基于三角网格的刀具扫掠体生成方法，其特征在于，所述连线步骤还包括：根据插值算法在每条所述第一边上查找出一个点，并使得该点的法矢量与刀具平移方向的矢量垂直。
5.根据权利要求4所述的基于三角网格的刀具扫掠体生成方法，其特征在于，所述插值算法包括线性插值算法和二次插值算法中的任意一种。
6.根据权利要求5所述的基于三角网格的刀具扫掠体生成方法，其特征在于，所述连线步骤还包括：将查找出的所有点按照连接搜索方法顺序连接起来；所述连接搜索方法包括最近相邻法和广度优先搜索算法中的任意一种。
7.根据权利要求3所述的基于三角网格的刀具扫掠体生成方法，其特征在于，所述正顶点的法矢量与刀具平移方向的矢量的点积结果大于零；所述负顶点的法矢量与刀具平移方向的矢量的点积结果小于零的顶点。
8.根据权利要求3所述的基于三角网格的刀具扫掠体生成方法，其特征在于，所述顶点遍历步骤具体包括：根据加权平均法从刀具的三角形网格模型中查找得出每个三角形网格的顶点。
9.基于三角形网格的刀具扫掠体生成装置，其包括存储器和处理器，所述存储器上存储有在处理器上运行的刀具扫掠体生成程序，所述刀具扫掠体生成程序为计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述刀具扫掠体生成程序时实现如权利要求1-8中任意一项所述的基于三角网格的刀具扫掠体生成方法的步骤。
10.一种存储介质，该存储介质为计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序为刀具扫掠体生成程序，其特征在于，所述刀具扫掠体生成程序被处理器执行时实现如权利要求1-8中任意一项所述的基于三角网格的刀具扫掠体生成方法的步骤。
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