CN114742852A - 一种基于网格求交的高效自由曲面分层方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于增材制造相关技术领域，其公开了一种基于网格求交的高效自由曲面分层方法及其应用，其包括以下步骤：(1)筛选出STL模型与曲面切片层位于公共碰撞空间内的三角面片；(2)对公共碰撞空间进行体素化，并确定三角面片穿过的所有体素，进而在体素中存储所属三角面片ID号；(3)求解交线段；(4)将交线段连接成交线环；(5)对相交三角面片的被交线环分割成的多边形区域进行三角剖分，并筛选出位于所述STL模型内的新剖分三角面片；同时获取位于所述STL模型内部的三角面片顶点，并依据得到的三角面片顶点进行搜索以得到包含所述三角面片顶点且不属于相交三角面片的三角面片，进而完成分层。本发明显著提高了效率及精度。
Description
技术领域
本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于网格求交的高效自由曲面分层方法及其应用。
背景技术
传统的增材制造基于平面分层方式进行加工，使用平面分层方式制造零件，存在许多限制和不足，如需要添加支撑材料，存在台阶效应，造成模型表面失真，在曲面基底上难以成形等问题。曲面分层方式可以很好地改善这些限制和不足，在实现保形制造、减少模型表面特征损失、提高零件表面精度等方面有明显改善。随着多自由度增材制造技术地不断发展，曲面层沉积成形CLFD(Curved Layer Fused Deposition)被大量研究，如电弧增材制造WAAM(Wire Arc Additive Manufacturing)、激光熔覆沉积LENS(Laser EngineeredNet Shaping)等工艺。在无支撑打印、已有曲面基底上进行再制造等领域，需要研究曲面分层和路径规划技术。
在增材制造曲面加工领域，目前存在许多曲面分层算法，如中国发明专利CN110750870 A和中国发明专利CN 111951399 A提出基于体素曲面距离场的方法进行曲面分层和路径轨迹规划，基于体素化的曲面分层方式，其算法时间复杂度和空间复杂度均为立方复杂度，体素化后数据量很大，计算时间很长，且存在精度误差，无法处理大尺寸模型和复杂点阵结构等模型。又如中国发明专利CN 110126279 A提出基于三角网格细分和沿面片法向反向偏移的方式进行曲面分层，该方法需要不断遍历模型所有的三角面片，且每次分层均需要对偏置后的点云数据做三角网格重建，效率比较低下。现有的基于三角面片的网格化曲面分层方式，用曲面切片层与模型做网格求交时，需要遍历模型的所有三角面片和曲面切片层的三角面片，算法时间复杂度为平方复杂度，无法处理大尺寸复杂模型。
综上所述，现有的曲面分层方式存在效率低下、不能处理大尺寸模型等问题，目前曲面分层算法有的只能处理简单曲面模型、存在精度误差等问题，在曲面加工领域应用范围受限。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于网格求交的高效自由曲面分层方法及其应用，所述分层方法可以对STL模型进行圆柱面、球面以及任意自由曲面类型的曲面分层；算法时间复杂度由传统的平方复杂度降低为线性复杂度，显著提高效率；且可处理Gb级包含千万级别三角面片的大尺寸复杂模型，是一种高效精确的曲面分层方法。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于网格求交的高效自由曲面分层方法，所述分层方法包括以下步骤：
(1)筛选出待加工零件的STL模型的三角网格中的三角面片与待加工零件所对应曲面切片层的三角网格中的三角面片位于公共碰撞空间内的三角面片；所述公共碰撞空间为所述STL模型与所述曲面切片层之间的公共碰撞空间；
(2)对所述公共碰撞空间进行离散体素化，并根据分离轴定理求解出步骤(1)所筛选出来的每个三角面片穿过的所有体素，进而在求解得到的体素中存储其所属的三角面片ID号，即求解得到的体素中存储有自身所属的三角面片ID号；
(3)获取所述公共碰撞空间内的所有体素中同时存储了STL模型的三角面片ID号和曲面切片层的三角面片ID号的体素，并分别判断获取到的每个体素对应的所有三角面片中的两两三角面片是否相交，若相交则记录交线段；否则跳过；
(4)合并得到的交线段的相同交点，以将所有交线段连接成封闭有序的交线环；
(5)步骤(3)中得到的相交三角面片的内部被所述交线环分割成多个区域，对多个区域中的多边形区域进行三角剖分，并筛选出剖分得到的三角面片中位于所述STL模型内的新剖分三角面片；同时获取位于所述STL模型内部的三角面片顶点，并依据得到的三角面片顶点进行搜索以得到包含所述三角面片顶点且不属于步骤(3)中得到的相交三角面片的三角面片；
(6)将步骤(5)搜索到的三角面片与新剖分三角面片合并形成包含曲面内部信息的三角网格，并将得到的三角网格与所述交线环一起作为自由曲面分层的结果。
进一步地，步骤(4)中，根据所述STL模型及所述曲面切片层的三角网格的邻接边的拓扑连续性来合并得到的交线段的相同交点，以将所有交线段连接成封闭有序的交线环。
进一步地，步骤(1)之前还包括对待加工零件的STL模型的三角网格进行拓扑重构，并根据待加工零件的表面特征构建系列曲面切片层的步骤。
进一步地，求解得到STL模型的包围盒与曲面切片层的包围盒的公共部分，即公共碰撞空间。
进一步地，步骤(2)中，根据所述STL模型的三角面片的特征尺寸设置体素精度，体素精度与STL模型三角面片的特征尺寸呈线性相关。
进一步地，首先根据STL模型的三角网格中三角面片的众数和中位数来综合表征三角面片尺寸的总体特征，并用得到的总体特征值乘以一个系数作为体素精度值。
进一步地，该系数为1.8。
进一步地，步骤(5)中，采用ear-cut算法对多边形区域三角剖分。
按照本发明的另一方面，提供了一种如上所述的基于网格求交的高效自由曲面分层方法在增材制造中的应用。
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，本发明提供的基于网格求交的高效自由曲面分层方法及其应用主要具有以下有益效果：
1.所述分层方法以面片形式保存和求解曲面分层，与体素法进行曲面分层相比，提高了分层结果的精度，同时减小了算法存储空间的使用，在处理情况复杂点阵结构等精细化模型和大尺寸模型时有较大优势；该分层方法可以处理包含错误信息的模型和非实体的面类三角网格，可以对模型进行圆柱面、球面及任意自由曲面等类型的曲面分层处理。
2.通过建立多信息体素空间，优化模型与曲面切片层的三角面片筛选，算法时间复杂度由传统的平方复杂度降低到线性复杂度，设模型与曲面切片层的三角面片数量分别为M和N，传统的算法时间复杂度为O(MN)，本方法的时间复杂度为O(M+N+V)，V为相交面片数量，显著提高了大尺寸复杂模型的分层效率；本方法可处理包含千万级别三角面片数量的Gb级大尺寸模型。
3.根据三角网格邻接边的拓扑连续性来合并得到的交线段的相同交点，避免了同一轮廓环交点在不同求交条件下的重复计算，解决交点重复求交过程因为浮点数计算误差导致的点扩散问题，获取正确曲面轮廓交线环，从而保证了曲面分层算法的精确性和鲁棒性，使得曲面分层方法具有更广泛的应用场景。
附图说明
图1是本发明提供的基于网格求交的高效自由曲面分层方法的流程示意图；
图2是待处理的零件模型示意图；
图3是构建的多信息体素空间和模型相交三角面片；
图4是模型曲面分层得到的三维轮廓交线环；
图5是模型的曲面分层结果。
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。
请参阅图1、图2及图3，本发明提供的一种基于网格求交的高效自由曲面分层方法主要包括以下步骤：
步骤一，对待加工零件的STL模型的三角网格进行拓扑重构，并根据待加工零件的表面特征构建系列曲面切片层。
具体地，读入待加工零件的STL模型，并对所述STL模型的三角网格进行拓扑重构。同时，根据待加工零件的表面特征构建相应的系列曲面切片层。简单的曲面如柱面、球面等可以直接通过算法生成，对于自由曲面则通过STL模型表面反求或者使用建模软件生成。
步骤二，筛选出所述STL模型的三角网格中的三角面片与所述曲面切片层的三角网格中的三角面片位于公共碰撞空间内的三角面片，所述公共碰撞空间为所述STL模型与所述曲面切片层之间的公共碰撞空间。
具体地，求解得到STL模型的包围盒与曲面切片层的包围盒的公共碰撞空间，并遍历所述STL模型的三角网格中的三角面片及所述曲面切片层的三角网格中的三角面片，以筛选出位于所述公共碰撞空间内的三角面片。
其中，对于STL模型及曲面切片层，首先分别求出各自的包围盒，再求解出两个包围盒的公共部分(即公共碰撞空间)，然后遍历STL模型和曲面切片层中的三角面片，以筛选出位于该公共碰撞空间中的三角面片。
步骤三，对所述公共碰撞空间进行离散体素化，并根据分离轴定理求解出步骤二所筛选出来的每个三角面片穿过的所有体素，进而在求解得到的体素中存储其所属的三角面片ID号，即求解得到的体素中存储有自身所属的三角面片ID号。
具体地，对所述公共碰撞空间进行离散体素化，并根据所述STL模型的三角面片的特征尺寸设置体素精度后，分别遍历STL模型和曲面切片层位于公共碰撞空间内的所有三角面片，根据分离轴定理求解出每个三角面片穿过的所有体素，并在这些体素中存储所属的三角面片ID号。
其中，对公共碰撞空间进行离散体素化时，选取适宜的体素精度是优化效率的关键。体素精度太小会使得体素数量增多，三角面片与体素做相交检测的时间增加；精度太低，划分空间范围太大，会导致体素内部保存的三角形数量过多，优化效果降低。体素精度与STL模型三角面片的特征尺寸呈线性相关，更具体地是与STL模型与曲面切片层相交部分的三角面片尺寸相关，本实施方式首先根据STL模型的三角网格中三角面片的众数和中位数来综合表征三角面片尺寸的总体特征，并用得到的总体特征值乘以一个系数作为体素精度值，本实施方式通过对多个STL模型的曲面分层测试及模拟研究，得到了体素精度与三角面片尺寸的关系，算法中该系数取1.8。
本实施方式中，针对此自由曲面点阵模型，三角面片特征尺寸为0.3，故该特征尺寸乘以体素精度系数1.8，取体素精度为0.5，并对三角面片表面体素化，确定每个三角面片所属体素，并在体素中保存相应的三角面片ID号，以构建多信息体素空间。
步骤四，获取所述公共碰撞空间内的所有体素中同时存储了STL模型的三角面片ID号和曲面切片层的三角面片ID号的体素，并分别判断获取到的每个体素对应的所有三角面片中的两两三角面片是否相交，若相交则记录交线段；否则跳过。
具体地，遍历所述公共碰撞空间内的所有体素，若该体素同时存储了STL模型的三角面片ID号和曲面切片层的三角面片ID号，则遍历该体素内的所有三角面片，以根据空间三角形求交算法判断两两三角面片是否相交，若相交则记录交线段；若不相交，则跳过。若体素为空或者只存储了一种三角面片ID号，则跳过，如此往复直至遍历完所有体素，完成相交三角面片的筛选和求交。
步骤五，根据所述STL模型及所述曲面切片层的三角网格的邻接边的拓扑连续性来合并得到的交线段的相同交点，以将所有交线段连接成封闭有序的交线环。
请参阅图4，其中，两个空间三角面片的求交算法不仅保存相交交点，同时也对每个交点记录该交点所属的边的信息；在空间三角面片求交过程中，由于同一条边重复求交因为浮点算数误差会使得交点数值不等而出现点扩散问题，影响后续的交线环提取，而本实施方式通过三角网格的邻接边的拓扑连续性来归并相同交点，保证了交线环按序正确连接。
步骤六，步骤四中得到的相交三角面片的内部被所述交线环分割成多个区域，对得到的多个区域中进行三角剖分，并筛选出剖分得到的三角面片中位于所述STL模型内的新剖分三角面片；同时获取位于所述STL模型内部的三角面片顶点，并依据得到的三角面片顶点进行搜索以得到包含所述三角面片顶点且不属于步骤四中得到的相交三角面片的三角面片，搜索到的三角面片称为原生三角面片。
具体地，对相交三角面片进行三角剖分时，需首先将三角面片中的多边形区域提取出来，并在此三角平面上建立局部坐标系，将面片上的交线环平面化，调用ear-cut算法对多边形区域三角剖分。其中，根据上述步骤求取的交线环，将相交三角面片分割成多个多边形区域，并进行三角剖分，根据交线环的方向和三角面片法向确定多边形区域的内外分类，获取位于模型内部的剖分三角面片。
三角面片内外分类时，根据上述相交边界处理步骤获取位于模型内部三角面片内部顶点，以这些顶点初始化顶点队列，对STL模型三角网格进行BFS图搜索，获取所有包含这些顶点且不属于相交且未被标记的三角面片，将这些三角面片放入结果集合中，并标记为已处理；之后，将这些顶点从顶点队列中删除，同时将这些三角面片的所有顶点放入顶点队列中，继续搜索，直到顶点队列为空，完成三角面片内外分类。
步骤七，将步骤六搜索到的三角面片与新剖分三角面片合并形成包含曲面内部信息的三角网格，并将得到的三角网格与所述交线环一起作为自由曲面分层的结果。本实施方式内所获得的曲面分层结果如图5所示。
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 (9)
1.一种基于网格求交的高效自由曲面分层方法，其特征在于，所述分层方法包括以下步骤：
(1)筛选出待加工零件的STL模型的三角网格中的三角面片与待加工零件所对应曲面切片层的三角网格中的三角面片位于公共碰撞空间内的三角面片；所述公共碰撞空间为所述STL模型与所述曲面切片层之间的公共碰撞空间；
(2)对所述公共碰撞空间进行离散体素化，并根据分离轴定理求解出步骤(1)所筛选出来的每个三角面片穿过的所有体素，进而在求解得到的体素中存储其所属的三角面片ID号，即求解得到的体素中存储有自身所属的三角面片ID号；
(3)获取所述公共碰撞空间内的所有体素中同时存储了STL模型的三角面片ID号和曲面切片层的三角面片ID号的体素，并分别判断获取到的每个体素对应的所有三角面片中的两两三角面片是否相交，若相交则记录交线段；否则跳过；
(4)合并得到的交线段的相同交点，以将所有交线段连接成封闭有序的交线环；
(5)步骤(3)中得到的相交三角面片的内部被所述交线环分割成多个区域，对多个区域中的多边形区域进行三角剖分，并筛选出剖分得到的三角面片中位于所述STL模型内的新剖分三角面片；同时获取位于所述STL模型内部的三角面片顶点，并依据得到的三角面片顶点进行搜索以得到包含所述三角面片顶点且不属于步骤(3)中得到的相交三角面片的三角面片；
(6)将步骤(5)搜索到的三角面片与新剖分三角面片合并形成包含曲面内部信息的三角网格，并将得到的三角网格与所述交线环一起作为自由曲面分层的结果。
2.如权利要求1所述的基于网格求交的高效自由曲面分层方法，其特征在于：步骤(4)中，根据所述STL模型及所述曲面切片层的三角网格的邻接边的拓扑连续性来合并得到的交线段的相同交点，以将所有交线段连接成封闭有序的交线环。
3.如权利要求1所述的基于网格求交的高效自由曲面分层方法，其特征在于：步骤(1)之前还包括对待加工零件的STL模型的三角网格进行拓扑重构，并根据待加工零件的表面特征构建系列曲面切片层的步骤。
4.如权利要求1所述的基于网格求交的高效自由曲面分层方法，其特征在于：求解得到STL模型的包围盒与曲面切片层的包围盒的公共部分，即公共碰撞空间。
5.如权利要求1-4任一项所述的基于网格求交的高效自由曲面分层方法，其特征在于：步骤(2)中，根据所述STL模型的三角面片的特征尺寸设置体素精度，体素精度与STL模型三角面片的特征尺寸呈线性相关。
6.如权利要求5所述的基于网格求交的高效自由曲面分层方法，其特征在于：首先根据STL模型的三角网格中三角面片的众数和中位数来综合表征三角面片尺寸的总体特征，并用得到的总体特征值乘以一个系数作为体素精度值。
7.如权利要求6所述的基于网格求交的高效自由曲面分层方法，其特征在于：该系数为1.8。
8.如权利要求1-4任一项所述的基于网格求交的高效自由曲面分层方法，其特征在于：步骤(5)中，采用ear-cut算法对多边形区域三角剖分。
9.一种权利要求1-8任一项所述的基于网格求交的高效自由曲面分层方法在增材制造中的应用。
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| CN114742852B (zh) | 2024-09-06 |
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