CN114842169A - 一种基于stl切片算法的壳体零件轮廓路径提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于STL切片算法的壳体零件轮廓路径提取方法。首先通过三维建模软件读取并打开已有的壳体零件模型，由壳体零件的特征以及任务需求确定好轮廓曲线的分段情况；其次由零件模型轮廓特征获取每段目标路径对应的轮廓点坐标，通过轮廓点坐标确定切平面方程；再次通过STL文件中三角面片的顶点位置信息来判断三角面片与切平面的位置关系，计算其与切平面的交点坐标，得到每段路径上的离散点集；最后由离散点集进而拟合出每段路径，最终形成整个路径。本发明对3D打印领域中的STL切片算法进行了创新，建立了任意方向上的切平面方程，并实现了轮廓路径离散点的定位和提取，能够准确的拟合出形状结构复杂的汽车壳体零件的轮廓路径曲线。

Description

一种基于STL切片算法的壳体零件轮廓路径提取方法

技术领域

本发明属于机械加工制造领域，涉及一种壳体零件的轮廓提取方法，特别涉及一种基于STL切片算法的壳体零件轮廓路径提取方法。

背景技术

汽车生产中存在许多壳体零件，这类零件大多形状复杂，一般方法难以使其成形，大多采用铸造工艺生产此类零件，比如发动机飞轮壳、气缸体、气缸盖、变速器箱体、后桥壳体等。而且此类零件在浇铸成型后不可避免地在模具分型处以及拉模、粘砂面处产生尺寸不一、形状各异的飞边，这就需要对此类零件进一步的打磨加工去除飞边。目前依然采用人工打磨的方式去除飞边，不仅效率低、一致性差、劳动强度大，而且无法跟上生产节奏。在“智能制造”，“工业4.0”的大背景下，如何高效，准确的实现加工制造是我们迫切需要考虑的问题。文献“胡亮,黄志刚,梁远标.STL模型切片数据的生成算法研究[J].机械工程与自动化,2016(2):40-41,46”提出了一种新的分层切片算法，把所有被切到的面片交点储存在面片信息中，对面片进行分组排序，利用交点以及上下层的继承关系来提高求取轮廓数据的效率。申请号为CN202010544704.0的中国专利公开了一项名称为“一种STL模型切片方法和装置”的切片方法，该方法主要通过读取STL模型获得第一切片平面；以第一切片平面为依据进行厚度设定对STL模型水平相切来获得第一轮廓曲线；通过填充实体构成掩膜，最终投影到液态光敏树脂，实现了轮廓信息的准确获取，提高了打印的准确性。

但以上方法都是在高度方向进行分层切片，只能获取某一高度的截面轮廓，难以适用于复杂零件的轮廓路径的生成，因此本发明提出了任意方向的STL切片算法，根据零件的特征将目标路径分段处理，再根据每段路径对应点坐标信息获取每段路径对应的切面方程，从而实现从目标方向进行汽车壳体零件的轮廓路径点的切取，最终通过获取的点集信息进行路径拟合。该方法能够准确拟合出汽车壳体零件的轮廓路径曲线，并结合机器人加工和机器视觉等技术完成自适应加工，实现汽车壳体零件高效、高品质生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于STL切片算法的壳体零件轮廓路径提取方法，针对汽车壳体零件的形状复杂的特点，进行任意方向的路径点切取，实现了此类复杂零件的轮廓路径拟合。便于此类零件进一步的智能加工。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于STL切片算法的壳体零件轮廓路径提取方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：通过三维建模软件建模或者读取并打开已有的壳体零件模型，再由壳体零件的特征以及任务需求确定好轮廓曲线的分段情况；

步骤2：在三维建模软件中填充壳体零件为实体，将填充好的壳体零件保存为STL文件；

步骤3：在三维建模软件中选取轮廓曲线的每段路径对应的点位置信息，用于完成切平面方程的建立；

步骤4：针对某一段目标路径，由步骤2中保存的STL文件中的所有三角面片的点位置信息和该段路径对应的切平面方程来判断哪些三角面片和切平面是否有交点，最终遍历所有路径段；

步骤5：由步骤4筛选出与切平面相交的三角面片，求出相应三角面片与切平面的两个交点坐标，也即是轮廓点；

步骤6：依据步骤1中轮廓曲线的路径分段信息和已有的零件模型特征完成段与段间的排序，从而完成步骤5获取的所有轮廓点的排序；

步骤7：对排序好的轮廓点进行B样条曲线拟合，最终实现壳体零件的轮廓路径曲线的生成。

本发明的有益效果：

本发明充分考虑到汽车壳体零件结构形状复杂，传统的STL切片算法难以实现该零件的路径点的提取，提出一种针对目标路径的多方向的切片方法，同时判断三角面片和切平面的位置关系并计算出交点的坐标信息，并通过填充壳体零件模型并对坐标范围进行限定来减少干扰交点，最终拟合出汽车壳体零件的复杂的加工轮廓路径，从而使得后续智能加工的顺利进行。

附图说明

图1为申请实施例中整体流程图。

图2为申请实施例中STL切片算法流程图。

图3为申请实施例中判断切平面与三角面片相交情况流程图。

图4为申请实施例中获取切平面与三角面片交点坐标流程图。

图5为申请实施例中飞轮壳实物图。

图6为申请实施例中飞轮壳路径分段示意图。

图7为申请实施例中直线段路径的切平面示意图。

图8为申请实施例中飞轮壳路径拟合结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本发明提供一种基于STL切片算法的汽车壳体零件轮廓路径提取方法，轮廓路径提取方法的整体流程如图1所示。STL切片算法的流程图如图2所示，STL切片算法中需要对切平面与三角面片相交情况做出判断，并对相交的面片进行交点坐标的获取，流程如图3和图4所示。汽车壳体零件在生产过程中不可避免的会产生很多飞边，目前多采用人工打磨的方式去除飞边，不仅劳动强度大，效率低，零件一致性差，而且无法跟上生产节奏。本发明提供了一种基于STL切片算法的汽车壳体零件轮廓路径提取方法，结合机器人加工和机器视觉等技术，实现此类零件的智能加工。

如图1至图8所示，以汽车壳体零件采用Solidworks三维软件操作为例对本发明进行说明，一种基于STL切片算法的壳体零件轮廓路径提取方法，具体方法如下：

步骤1：通过Solidworks三维建模软件读取并打开已有的汽车壳体零件的模型，再由壳体零件的特征以及任务需求确定好轮廓曲线的分段情况；

步骤2：在Solidworks三维建模软件中填充汽车壳体零件为实体，避免后续处理时产生过多的干扰内轮廓点，将填充好的汽车壳体零件保存为STL文件；

步骤3：在Solidworks三维建模软件中选取轮廓曲线的每段路径对应的点位置信息，用于完成切平面方程的建立；

步骤4：针对某一段目标路径，由步骤2中保存的STL文件中的所有三角面片的点位置信息和该段路径对应的切平面方程来判断哪些三角面片和切平面是否有交点，最终遍历所有路径段；

步骤5：由步骤4筛选出与切平面相交的三角面片，求出相应三角面片与切平面的两个交点坐标，也即是轮廓点；

步骤6：对步骤5获取的轮廓点进行排序，由于通过切片算法得到的每段路径点集本身是有序的，所以整段路径拟合时只用考虑段与段间的连接顺序，依据步骤1中的路径分段信息和已有的零件模型特征完成段与段间的排序，即可完成所有轮廓点的排序；

比如本实施例中，如图6所示(数字1至22为轮廓曲线上的分段编号)，对于段与段间的排序，为1→11→2→12→13→14→15→3→17→4→5→20→6→7→22，由于独立路径段均为规则的直线段和圆段，很容易得出，不需要拟合；

步骤7：对排序好的轮廓点进行B样条曲线拟合，最终实现汽车壳体零件的轮廓路径曲线的生成，本实施例中曲线拟合结果如图8所示；

需要说明的是：步骤1中，对轮廓曲线进行分段处理，根据零件模型中不同的曲线所在平面特征将任务路径分为水平面和非水平面区域，其中水平面区域内的路径按照Z轴方向的高度又分为多段不同路径；

比如本实施例中，对于飞轮壳实物的及其路径分段情况如图5与图6所示，针对该飞轮壳几何特征以及飞边分布位置进行轮廓路径的分段处理，轮廓曲线的提取方法采用切平面法，根据飞轮壳中不同的平面特征将任务路径分为水平面和非水平面区域，如图6所示，灰色任务路径(1、2、3、4、6、7)和浅灰色圆形任务路径(8、9、10)为水平面路径，黑色任务路径(11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22)为垂直面和倾斜面的非水平面路径，可以看到，黑色路径将灰色路径分成了七段，加上浅灰色的圆形路径，可以划分出十段不同高度的水平面路径，这十段水平面路径的平面高度也即Z方向的高度值，可直接对实物进行测量得到，本实施例中得到的测量结果为Z1＝42.24mm，Z2＝11.47mm，Z3＝42.79mm，Z4＝3.99mm，Z5＝13.94mm，Z6＝42.19mm，Z7＝53.00mm，Z8＝15.02mm，Z9＝18.81mm，Z10＝15.48mm；

需要说明的是：步骤2中，由于从Solidworks三维建模软件中生成的汽车壳体零件模型的STL文件中的三角面片个数较少，且分布按照几何特征相对均匀，需要对汽车壳体零件STL文件中目标路径区域的三角面片进行网格重画和网格细分，保证目标区域的网格密度，后续步骤5中得到的交点会更密集，从而可以更准确的拟合轮廓路径曲线，但过于密集的点集会导致拟合时间过长，一般情况下，交点密度为5-30每厘米，该实施例中，切片点在2000左右得到的拟合曲线更准确，时间也适中。

需要说明的是：步骤3中，对于非直线段切平面方程的建立(以汽车壳体零件坐标系为基准建立三维坐标系XYZ，Z轴方向为零件厚度方向)，由不共线的三个点可以确定一个平面，从Solidworks三维建模软件任取汽车壳体零件的每段路径不共线的三个点Q₁(x₁,y₁,z₁)、Q₂(x₂,y₂,z₂)、Q₃(x₃,y₃,z₃)，建立切平面方程Ax+By+Cz+D＝0，A、B、C分别为切平面方程的系数，D切平面方程的常数；

其中

中，

对于直线段，选取直线两端点和壳体零件模型中心区域附近不在此直线上的点进行切平面方程的建立，切平面方程确定方式与非直线段相同；每段路径对应的不共线的三点均可在Solidworks三维建模软件中手动进行选取，确保三点不共线；

比如本实施例中，对于直线段路径11，选取直线11的两端点和止口圆的圆心建立平面方程如图7所示；

需要说明的是：步骤4中，判断某段路径对应的切平面与三角面片是否有交点时，需要对路径上坐标点(x，y，z)的每个坐标极值进行限定范围，从而避免获取到切平面与其他路径段上的三角面片的交点，产生很多干扰点。

需要说明的是：对路径上坐标点(x，y，z)的每个坐标极值限定范围方法可以参考如下：

在Solidworks三维建模软件中，由汽车壳体零件的几何特征以及软件中的点坐标测量工具可分别得到某段路径上坐标点(x，y，z)对应的坐标值的最大值和最小值，由于仅为了避免出现其他区域的干扰点，故坐标值x，y，z的最大值和最小值不必过于精细，由x，y，z的最大值和最小值即可确定对该路径限定的立方体区域：

(x，y，z)为某段路径上点的坐标，x_min、x_max分别为该段路径上点的x轴坐标的最小值和最大值；y_min、y_max分别为该段路径上点的y坐标的最小值和最大值；z_min、z_max分别为该段路径上点的z坐标的最小值和最大值。

需要说明的是：步骤4中，判断三角面片和切平面是否相交，由步骤3中求解出的切平面方程可以得到该平面的法向量N，从切平面中任取一点P1，假设三角面片的三个顶点为Pa、Pb、Pc，从P1到三角面片的三个顶点组成三个向量，三个向量分别与法向量N做内积得到三个值，值的正负即可表示三角面片的三个顶点与切平面的位置关系；如果三个值中出现于0的值，说明切平面经过了三角面片中的顶点，这种情况出现的概率极低，一旦出现，可以直接舍弃该三角面片，进行下一个的三角面片的切取；如果三个值全为正值或者全为负值，则说明三角面片的三个顶点位于平面的同一侧，也即三角面片与切平面不相交；如果三个值不全为正值或者不全为负值，则说明三角面片的三个顶点位于平面的两侧，也即三角面片与切平面相交，保留该三角面片。

需要说明的是：步骤5中，由上述步骤可知，三角面片与切平面相交时，三角面片的三个顶点必然分布在切平面的两侧，且必然是一个顶点位于切平面的一侧，另外两个顶点位于切平面的另一侧，那么由一顶点向另一侧的两顶点做直线，建立直线方程并与切平面方程联立即可得到交点坐标；

需要说明的是：步骤4中，判断三角面片和切平面是否相交的具体公式，

切平面的法向量N(A，B，C)，其中A、B、C分别为切平面方程的三个系数，假设三角面片的三个顶点为Pa(x_a，y_a，z_a)、Pb(x_b，y_b，z_b)、Pc(x_c，y_c，z_c)，切平面中任意一点为P1(x’，y’，z’)，三个向量分别为P1Pa＝(x_a-x’，y_a-y’，z_a-z’)、P1Pb＝(x_b-x’，y_b-y’，z_b-z’)、P1Pc＝(x_c-x’，y_c-y’，z_c-z’)，三个向量分别与法向量N做内积。并比较三个内积与0的大小情况。

需要说明的是：获取交点坐标的具体公式如下：

假设P1Pa·N>0、P1Pb·N>0、P1Pc·N<0，则Pc位于切平面方程的一侧，Pa，Pb位于切平面方程的另一侧，则切平面与三角面片的PaPc，PbPc边相交于两点；PaPc，PbPc的直线方程为：

两直线方程分别与切平面Ax+By+Cz+D＝0方程联立，求得两交点。

需要说明的是，本发明采用的三维软件不限于SolidWorks，还可以为Pro/E、UG、3DS MAX、Rhino、CATIA等等。

需要说明的是，虽然上述以汽车壳体零件为例说明，实际上不限于汽车零件，可以是其他类型壳体零件。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于STL切片算法的壳体零件轮廓路径提取方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：通过三维建模软件建模或者读取并打开已有的壳体零件模型，再由壳体零件的特征以及任务需求确定好轮廓曲线的分段情况；

步骤2：在三维建模软件中填充壳体零件为实体，将填充好的壳体零件保存为STL文件；

步骤3：在三维建模软件中选取轮廓曲线的每段路径对应的点位置信息，用于完成切平面方程的建立；

步骤4：针对某一段目标路径，由步骤2中保存的STL文件中的所有三角面片的点位置信息和该段路径对应的切平面方程来判断哪些三角面片和切平面是否有交点，最终遍历所有路径段；

步骤5：由步骤4筛选出与切平面相交的三角面片，求出相应三角面片与切平面的两个交点坐标，也即是轮廓点；

步骤6：依据步骤1中轮廓曲线的路径分段信息和已有的零件模型特征完成段与段间的排序，从而完成步骤5获取的所有轮廓点的排序；

步骤7：对排序好的轮廓点进行B样条曲线拟合，最终实现壳体零件的轮廓路径曲线的生成。

2.根据权利要求1所述基于STL切片方法的壳体零件轮廓路径提取方法，其特征在于：步骤1中，对轮廓曲线进行分段处理，根据零件模型中不同的曲线所在平面特征将任务路径分为水平面和非水平面区域，其中水平面区域内的路径按照Z轴方向的高度又分为多段不同路径。

3.根据权利要求1所述基于STL切片方法的壳体零件轮廓路径提取方法，其特征在于：步骤2中，对壳体零件STL文件中目标路径区域的三角面片进行网格重画和网格细分，使得步骤5中所得交点密度为5-30每厘米。

4.根据权利要求1所述基于STL切片方法的壳体零件轮廓路径提取方法，其特征在于：步骤3中，对于非直线段切平面方程的建立，由不共线的三个点确定一个平面，从三维建模软件任取壳体零件的每段路径不共线的三个点Q₁(x₁,y₁,z₁)、Q₂(x₂,y₂,z₂)、Q₃(x₃,y₃,z₃)，建立切平面方程Ax+By+Cz+D＝0，A、B、C分别为切平面方程的系数，D切平面方程的常数；

其中

中，

对于直线段，选取直线两端点和壳体零件模型中心区域附近不在此直线上的点进行切平面方程的建立，切平面方程确定方式与非直线段相同。

5.根据权利要求1所述基于STL切片方法的壳体零件轮廓路径提取方法，其特征在于：步骤4中，判断某段路径对应的切平面与三角面片是否有交点时，对路径上坐标点(x，y，z)的每个坐标极值限定范围。

6.根据权利要求1所述基于STL切片方法的壳体零件轮廓路径提取方法，其特征在于：步骤4中，判断三角面片和切平面是否相交，方法如下：

由步骤3中求解出的切平面方程可以得到该切平面的法向量N，从切平面中任取一点P1，假设三角面片的三个顶点分别为Pa、Pb、Pc，从P1到三角面片的三个顶点组成三个向量，三个向量分别与法向量N做内积得到三个值，通过该值的正负判断三角面片的三个顶点与切平面的位置关系，具体如下：

如果三个值中出现等于0的值，说明切平面经过了三角面片中的顶点，直接舍弃该三角面片，进行下一个的三角面片的切取；

如果三个值全为正值或者全为负值，则说明三角面片的三个顶点位于平面的同一侧，也即三角面片与切平面不相交；

如果三个值不全为正值或者不全为负值，则说明三角面片的三个顶点位于平面的两侧，也即三角面片与切平面相交。

7.根据权利要求1所述基于STL切片方法的壳体零件轮廓路径提取方法，其特征在于：步骤5中，计算交点坐标方法如下：

三角面片与切平面相交时，三角面片的三个顶点必然分布在切平面的两侧，且必然是一个顶点位于切平面的一侧，另外两个顶点位于切平面的另一侧，那么由一顶点向另一侧的两顶点做直线，建立直线方程并与切平面方程联立得到交点坐标。

8.根据权利要求5所述基于STL切片方法的壳体零件轮廓路径提取方法，其特征在于：对路径上坐标点(x，y，z)的每个坐标极值限定范围方法如下：

在三维建模软件中，由壳体零件的几何特征以及软件中的点坐标测量工具可分别得到某段路径上坐标点(x，y，z)对应的坐标值的最大值和最小值，由x，y，z的最大值和最小值即可确定该路径对应的立方体区域：

(x，y，z)为某段路径上点的坐标，x_min、x_max分别为该段路径上点的x坐标的最小值和最大值；y_min、y_max分别为该段路径上点的y坐标的最小值和最大值；z_min、z_max分别为该段路径上点的z坐标的最小值和最大值。

9.根据权利要求6所述基于STL切片方法的壳体零件轮廓路径提取方法，其特征在于：判断三角面片和切平面是否相交的具体公式如下：

切平面的法向量N(A，B，C)，其中A、B、C分别为切平面方程的三个系数，假设三角面片的三个顶点为Pa(x_a，y_a，z_a)、Pb(x_b，y_b，z_b)、Pc(x_c，y_c，z_c)，切平面中任意一点为P1(x’，y’，z’)，三个向量分别为P1Pa＝(x_a-x’，y_a-y’，z_a-z’)、P1Pb＝(x_b-x’，y_b-y’，z_b-z’)、P1Pc＝(x_c-x’，y_c-y’，z_c-z’)，三个向量分别与法向量N做内积。

10.根据权利要求9所述基于STL切片方法的壳体零件轮廓路径提取方法，其特征在于：获取交点坐标的具体公式如下：

假设P1Pa·N>0、P1Pb·N>0、P1Pc·N<0，则Pc位于切平面方程的一侧，Pa，Pb位于切平面方程的另一侧，则切平面与三角面片的PaPc，PbPc边相交于两点；PaPc，PbPc的直线方程为：

两直线方程分别与切平面Ax+By+Cz+D＝0方程联立，求得两交点。

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