CN115165501A - 一种基于3d雕刻技术的岩石结构面重构雕刻方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于3D雕刻技术的岩石结构面重构雕刻方法，包括结构面点云形貌数据获取；重构结构面雕刻路径生成；重构结构面雕刻参数选取，选取合适的刀具并确定合适的雕刻的路径间距，进行雕刻；重构结构面雕刻精度评估，判断重构结构面与原始的结构面形态是否高精度吻合，如果精度较低，可调节雕刻参数，直至重构结构面与原始的结构面形态误差在允许的阈值内。本发明提供的一种基于3D雕刻技术的岩石结构面重构雕刻方法，能够克服现有结构面取样困难、制备技术不能高精度再现天然结构面形貌特征从而无法反映天然岩体结构面剪切力学行为各向异性的弊端，能够精确重构相应的岩石结构面。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学与工程技术领域，具体地涉及一种基于3D雕刻技术的岩石结构面重构雕刻方法。
背景技术
为了更好的研究天然岩体结构面粗糙度和剪切力学行为特性，进行直剪试验时一般采用控制变量法，特别地，研究结构面各向异性特征时需要大量岩性相同、表面形貌以及力学性质相同的结构面试样。目前针对室内试验岩石结构面重构方法，主要有4种：(1)现场采集结构面；(2)人工劈裂；(3)人工浇筑；(4)3D打印。
其中，现场采样在取样过程中容易造成结构面表面形态破损和结构面上下盘吻合度差，且其取样周期长与成本高，采样难度较大，成功率较低，并且无法大量获得相同形貌的原岩结构面试样；人工劈裂方法在利用巴西劈裂方法所得结构面，由于其形成力学原因仅为单一的张拉破坏，其形貌特征与天然结构面有较大差异，且其粗糙度范围变化较小，与天然结构面在各向异性方面有较大差异，且操作麻烦重复性较差，无法大量获得相同形貌的原岩结构面试样；人工浇筑方法中岩石基质多是采用类岩石材料进行浇筑，其力学性质与天然岩石有较大区别，试验结果无法真实反应天然结构面的力学性质；3D打印方法存在成本高，操作复杂、层状现象显著，打印材料力学性质与天然岩石差别较大的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于3D雕刻技术的岩石结构面重构雕刻方法，能够克服现有结构面取样困难和制备技术，不能高精度模拟结构面形貌特征，不能反映天然岩体结构面力学各向异性特性的弊端，能够在自然岩石上高精度重构天然岩石结构面试样。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于3D雕刻技术的岩石结构面重构雕刻方法，包括以下步骤：
步骤1、结构面点云形貌数据获取；
步骤2、重构结构面雕刻路径生成；
步骤3、重构结构面雕刻参数选取，包括选取合适的刀具并确定合适的雕刻的路径间距，进行雕刻；
步骤4、步骤4、重构结构面雕刻精度评估，判断重构结构面与原始的结构面形态是否高精度吻合，如果不吻合，则跳转步骤3，改变刀具和/或路径间距，直至重构结构面与原始的结构面形态误差在允许的阈值内。
进一步地，所述步骤1具体包括：
步骤101、用刷子轻轻清扫待扫描岩石结构面表面的碎屑和泥质颗粒，避免碎屑覆盖岩石结构面的细微起伏特性，在扫描区域周围粘贴标记点2，实现多点云数据的自动智能拼接，在扫描过程中，旋转扫描角度或进行多次扫描，拼接合成一个完整的结构面；
步骤102、扫描后获得大量天然岩石节理点云数据，通过后处理软件对点云数据进行去噪、优化及网格修补。
进一步地，所述步骤2具体包括：
步骤201、将步骤1中获取的结构面形貌点云数据，根据试验目的截取雕刻区域，截取结构面时，尽量选择可以代表结构面形貌特征的区域，然后对截取的结构面进行最佳拟合；
步骤202、利用雕刻路径制作软件制作成雕刻机可以识别的NC代码，选取雕刻过程中的走刀方式并生成雕刻路径。
进一步地，所述步骤3具体包括：
步骤301、加工时所述刀具始终竖直方向设置，根据需要雕刻的岩石的强度及成分，选取合适的刀具，且在不发生断刀的情况下选取合适的刀具半径；
步骤302、确定合适的雕刻路径间距，在雕刻机上进行结构面的雕刻。
进一步地，所述步骤301中，选取球头刀作为雕刻结构面的刀具，所述球头刀包括自上而下依次设置的刀柄和刀刃，所述刀刃底部为刀头，所述刀头为圆弧形。
进一步地，残留区域高度h为：
h≈r-[r2-(e/2)2]1/2 (1)
其中，r、e分别为刀头半径和路径间距；
相邻的路径间通常有一个重叠区域，重叠率roverlay与路径间距e关系如下所示：
e＝2r×(1.0-roverlay/100) (2)
当残留区域高度h过高，减小路径间距；当重叠率roverlay过高，减小刀头半径或增大路径间距。
进一步地，以雕刻生成的点云数据中任一点为中心的雕刻点，以刀具的刀柄半径做圆，计算将该圆范围内其他的雕刻点与中心的雕刻点之间的距离Dd，获取其他的雕刻点与中心的雕刻点的高度差hd，将Dd与hd做比后与刀刃的圆锥角进行比较，计算公式为：
Dd/hd≥AB/BC (3)
其中，AB为刀柄半径和刀头半径的差值，BC为刀刃长度；
如果满足公式(3)，则认为两个雕刻点之间有干涉现象，减小刀柄半径或增加路径间距，如果不满足公式(3)，则两个雕刻点互不干涉，能够进行雕刻。
进一步地，使用二维轮廓线比对进行评价，从重构结构面等间距提取多条轮廓线且从原始结构面对应位置提取多条轮廓线，进行轮廓线形态对比分析。
进一步地，使用三维粗糙度表征方法进行评价，依据三维粗糙度从各个方向定量化确定重构结构面与原始结构面表面形态吻合情况。
进一步地，使用Grasselli和Tatone提出的可表征结构面粗糙度各向异性的三维粗糙度参数分别计算原始结构面与重构结构面的粗糙度参数，具体算法为：以Y正轴方向方向为正北方向(90°)，X正轴方向为正东方向(0°)，Z正轴方向为竖直向上，从0°～360°均匀间隔一定角度选取多个剪切方向，能够计算不同剪切方向上的粗糙度数值；
采样Delaunay三角化算法将节理面点云数据离散为大量的三角形节理微元，通过这些三角形微元来逼近真实的节理面，根据几何分析，每个三角形微元的视倾角与剪切方向之间存在如下关系：
tanθ*＝-tanθ·cosα (4)
其中，α为方位角，θ为三角形微元的倾角，θ*为三角形微元的视倾角；
采用如下关系描述接触面积比与临界视倾角的函数关系：
其中，
为最大视倾角，C为拟合参数；
为临界视倾角为θ*时的接触面积比，A0为临界视倾角为0°时的接触面积比；
对公式(5)进行定积分得：
使用
表示结构面沿剪切方向的结构面粗糙度大小，用公式(6)作为粗糙度计算公式能够表示结构面粗糙度的各向异性；
分别计算每个剪切方向下的粗糙度，将雕刻结构面的粗糙度与原始结构面的粗糙度进行对比，如果误差在允许的阈值内那就认为雕刻的结构面在粗糙度方面进行评估时与原始结构面吻合度较高。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明提供的一种基于3D雕刻技术的岩石结构面重构雕刻方法，能够对天然岩石进行处理，通过结构面点云数据获取，能够准确获取结构面的特征，根据结构面形貌特征，生成重构结构面雕刻路径，选择合适的刀具并进行雕刻，最后对重构结构面雕刻精度评估，取样周期短、成本低，采样难度较小，成功率较高，能够在自然岩石上批量重构相同形貌的天然结构面试样，操作简单，重复性较好，能够真实反应天然岩石及天然结构面的力学性质，能够克服现有结构面取样困难和制备技术不能高精度模拟结构面形貌特征及不能反映天然岩体结构面力学特性各向异性的弊端，能够高精度重构天然岩石结构面试样。
附图说明
图1为结构面重构流程图。
图2为结构面扫描示意图。
图3为结构面雕刻路径示意图。
图4为锥形球头刀示意图。
图5为残留区域高度与路径间距的关系示意图。
图6为重叠率与路径间距的关系示意图。
图7为路径间距过小时雕刻路径相互干涉示意图。
图8为干涉计算原理示意图。
图9为三角化结构面三维粗糙度参数
计算简化示意图。
图10为原始结构面与重构结构面二维轮廓线对比图。
图11为原始结构面与重构结构面三维粗糙度对比图。
其中，1、岩石结构面；2、标记点；3、起始坐标轴；4、雕刻路径；5、路径间距；6、刀柄；7、刀刃；8、刀头；9、刀具；10、雕刻试样。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
一种基于3D雕刻技术的岩石结构面重构雕刻方法，如图1-图4所示，在雕刻试样10上进行雕刻，包括以下步骤：
步骤1、获取雕刻试样10的结构面点云形貌数据；
步骤2、重构结构面雕刻路径4生成；
步骤3、重构结构面雕刻参数选取，选取合适的刀具9并确定合适的雕刻的路径间距5，对雕刻试样10进行雕刻；
步骤4、重构结构面雕刻精度评估，判断重构结构面与原始的结构面形态是否高精度吻合，如果不吻合，则跳转步骤3，改变刀具9和/路径间距5，直至重构结构面与原始的结构面形态误差在允许的阈值内。
本发明提供的一种基于3D雕刻技术的岩石结构面高精度重构雕刻方法，能够对天然结构面试样高精度复制，通过三维激光扫描仪获取天然结构面点云数据，根据结构面点云数据，生成重构结构面雕刻路径4，选择合适的刀具9并进行雕刻，最后对重构结构面雕刻精度评估，成本低，能够进行大量相同形貌的天然结构面试样制作，操作简单重复性较好，能够真实反应天然结构面的物理力学性质，能够克服现有结构面取样困难和制备技术不能高精度还原结构面形貌特征及不能反映天然岩体结构面力学各向异性特性的弊端，能够精确重构相应的岩石结构面1。
如图1和图2所示，所述步骤1具体包括：
步骤101、用刷子轻轻清扫待扫描岩石结构面1表面的碎屑和泥质颗粒，避免碎屑覆盖岩石结构面1的细微起伏特性，在扫描区域周围粘贴标记点2，实现多点云数据的自动智能拼接，在扫描过程中，旋转扫描角度或进行多次扫描，拼接合成一个完整的结构面；
步骤102、扫描后获得大量天然岩石节理的点云数据，对点云数据进行去噪、优化及网格修补。
其中，所用扫描仪为手持式三维激光扫描仪，型号为Freescan X3，对点云数据进行去噪、优化及网格修补的后处理软件为Geomagic studio。
结构面标记点2标记过程中标记点2间距不能太大，否则无法准确获取岩体结构面信息，同时标记点2的间距也不能过小，太小将遮挡岩石结构面1形貌信息，标记点2间距范围为10～15cm。
如图3所示，所述步骤2具体包括：
步骤201、将步骤1中获取的结构面形貌点云数据，根据试验目的截取雕刻区域，截取雕刻区域时，尽量选择可以代表结构面形貌特征的结构面，然后对截取的雕刻区域的结构面进行最佳拟合；
步骤202、利用雕刻路径4制作软件制作成雕刻机可以识别的NC代码，选取雕刻过程中的走刀方式并生成雕刻路径4。
本发明实施例中，选择JD Paint作为雕刻路径4制作软件。
如图3-图8所示，所述步骤3具体包括：
步骤301、加工时所述刀具9始终竖直方向设置，根据需要雕刻的岩石的强度及成分，选取合适的刀具9，且在不发生断刀的情况下选取合适的刀具9半径；
步骤302、确定合适的雕刻的路径间距5，从起始坐标轴3开始，在雕刻机上进行结构面的雕刻。
由于天然岩石通常结构面形貌复杂、雕刻精度要求高，因此本发明中，步骤301中，选取球头刀作为雕刻结构面的刀具9，球头刀包括自上而下依次设置的刀柄6和刀刃7，刀刃7底部为刀头8，刀头8为圆弧形，加工时选取合适的刀头8半径。
球头刀加工时刀柄6始终竖直方向设置，刀头8上的一个点与加工面接触，没有突变，切削力连续变化、平稳，有利于保证表面加工质量，且其实际雕刻直径小于刀柄6直径，刀头8与工件接触部分小于刀头8直径，加工精度高，表面残余量少。
本发明中，采用CNC数控雕刻技术对球头到进行控制，CNC数控雕刻技术集计算机辅助技术，数控技术，图像处理技术及精密制造等于一体，具有高度集成性
高度自动化的特点，在伺服电机驱动下，XYZ三轴滚珠丝杠在预定雕刻路径4下进行运动，球头刀中的刀柄6由筒夹固定在Z轴上，刀柄6始终在竖直方向上上下移动，方向在沿着整个切削路径运动过程中保持不变。
在确定球头刀雕刻半径时，选择原则为在雕刻过程中不经常发生断刀，如图4所示，不影响雕刻效率的前提下刀具9半径越小越好，即刀头8半径越小越好，此外为了避免雕刻过程中刀具9断裂和经常换刀，选择刀刃7加金刚砂的球头刀。
如图5所示，所述步骤302中，当雕刻的路径间距5较大时，部分岩样区域无法雕刻，残留区域高度h为：
h≈r-[r2-(e/2)2]1/2 (1)
其中，r、e分别为刀头8半径和路径间距5；
如图6所示，相邻的路径间距5通常有一个重叠区域，重叠率与路径间距5的关系e如下所示：
e＝2r×(1.0-roverlay/100) (2)
其中，roverlay为重叠率，r为刀头8直径；
根据刀头8半径和路径间距5获取重叠率roverlay和残留区域高度h；
原则上，残留区域高度及重叠率越小雕刻精度越高。残留区域高度h过高时，则相邻雕刻路径间未雕刻区域较宽，即路径间距5较大；重叠率roverlay较高时，容易造成相邻路径间距5的过度雕刻，因此需要选择合适的雕刻路径参数组合。
因此本发明中，当残留区域高度h过高，减小路径间距5；当重叠率roverlay过高，减小刀头8半径或增大路径间距5。
路径间距5和重叠率是互锁的，主要用于控制侧向进给量，路径间距5在数值上等于侧向进给量，重叠率表示相邻两条路径的重复程度，重叠率越高，路径间距5越小，路径越密。
由于设置了路径间距5，刀头8半径越大，未雕刻区域的高度越小，雕刻的时间越少。如果刀头8半径过大，则无法雕刻结构面的细小信息。如果刀头8半径越小，在雕刻过程中刀具9非常容易断裂，严重降低雕刻效率。因此，在不影响雕刻效率的前提下刀头8半径越小越好。
如果路径间距5过小，也会产生一些问题，当刀具9雕刻路径4雕刻时，如果雕刻的路径间距5过小，刀具9可能会损坏已经雕刻好的表面。
本发明提出一种雕刻点干涉评估方法，能够判断两个雕刻点是否发生干涉，进而帮助选取合适的刀具9半径和路径间距5。
一种雕刻点干涉评估方法，如图8所示，以雕刻生成的点云数据中任一点为中心的雕刻点，以刀具9的刀柄6半径做圆，计算将该圆范围内其他的雕刻点与中心的雕刻点之间的距离Dd，获取其他的雕刻点与中心的雕刻点的高度差hd，将Dd与hd做比后与刀具9的圆锥角进行比较。
比较计算公式为：
Dd/hd≥AB/BC (3)
其中，Dd为其他的雕刻点与中心的雕刻点之间的距离，hd为其他的雕刻点与中心的雕刻点的高度差，AB为刀柄6半径和刀头8半径的差值，BC为刀刃7长度；
如果满足公式(3)，则认为两个雕刻点之间有干涉现象，减小刀柄6半径或增加路径间距5，如果不满足公式(3)，则两个雕刻点互不干涉，能够进行雕刻。
本发明中，上述路径间距5干涉评估中计算软件为Matlab软件。
在步骤4中，重构结构面雕刻精度评估，将步骤3重构所得的岩石三维结构面试样通过三维激光扫描获得其表面形貌的点云数据，并与步骤1获得的原始结构面形貌点云数据进行对比，同时采用二维轮廓线比对和三维粗糙度表征方法，评价重构结构面的雕刻精度，并根据试验要求决定是否需要重新雕刻。
具体地，采用三维激光扫描系统扫描获取雕刻结构面的点云数据，由于每个样本点云的参考坐标系不同，需要使用点云配准的方法将这些点云调整到一个共同的坐标系，然后利用二维轮廓线比对和三维糙度表征方法评价雕刻结构面与原始结构面的差异。
在二维结构面轮廓线比对过程中为了避免提取轮廓线粗糙度结果的随机性，使用二维轮廓线比对进行评价，从重构结构面等间距提取多条轮廓线且从原始结构面对应位置提取多条轮廓线，进行轮廓线形态对比分析。
使用三维粗糙度表征方法进行评价，依据三维粗糙度从各个方向定量化确定重构结构面与原始结构面表面形态吻合情况。
具体地，通过Grasselli和Tatone提出的可表征结构面粗糙度各向异性的三维粗糙度参数θ*/(C+1)分别计算原始结构面与雕刻重构结构面的粗糙度参数，具体算法为：以Y正轴方向方向为正北方向(90°)，X正轴方向为正东方向(0°)，Z正轴方向为竖直向上。从0°～360°均匀间隔一定角度选取多个剪切方向，可计算不同剪切方向上的粗糙度数值。
如图9所示，采用Delaunay三角化算法将节理面点云数据离散为大量的三角形节理微元，通过这些三角形微元来逼近真实的节理面，根据几何分析，每个三角形微元的视倾角与剪切方向之间存在如下关系：
tanθ*＝-tanθ·cosα (4)
其中，α为方位角，θ为三角形微元的倾角，θ*为三角形微元的视倾角。
如图10所示，对于任意给定一临界视倾角，可以计算视倾角大于该临界视倾角的节理微元的接触面积比。然后依次给定不同的临界视倾角，则可以得到相应的接触面积比。采用如下关系描述接触面积比与临界视倾角的函数关系：
其中，
为最大视倾角，C为拟合参数；
为临界视倾角为θ*时的接触面积比，A0为临界视倾角为0°时的接触面积比。
后又对公式(5)进行定积分得：
使用
表示结构面沿剪切方向的结构面粗糙度大小，用公式(6)作为粗糙度计算公式能够表示结构面粗糙度的各向异性。
用此公式计算可以分别计算不同剪切方向下的粗糙度，将雕刻结构面的粗糙度与原始结构面的粗糙度进行对比，如果误差在允许的阈值内那就认为雕刻的结构面在粗糙度方面进行评估时与原始结构面吻合度较高。
在本发明的一个实施例中，在某一野外天然岩体上基于3D雕刻技术的岩石结构面1重构雕刻方法，具体实施步骤包括：
步骤1、在野外天然岩体上选取结构面，用刷子轻轻清扫待扫描岩石结构面1表面的碎屑和泥质颗粒，避免碎屑覆盖岩石结构面1的细微起伏特性，之后在结构面上布设标识点，相邻标记点2之间的距离约为10～15cm，利用手持式三维激光扫描仪Freescan X3对结构面进行扫描，扫描仪采样间距为0.20mm，扫描过程中缓慢移动扫描仪位置，直至整个扫描区域扫描完成，然后将采集的结构面点云数据导入Geomagic studio对点云进行去噪、优化及网格修补。
步骤2、将步骤1中获取的结构面形貌点云数据，根据试验目的截取雕刻区域，截取面积为100mm×100mm正方形，选择区域为扫描区域的中心位置，然后对截取的结构面进行最佳拟合，之后利用雕刻路径4制作软件JD Paint制作成雕刻机可以识别的NC代码，选取雕刻过程中的走刀方式并生成雕刻路径4。
步骤3、雕刻结构面的岩石为砂岩，主要成分为石英(～62％)、长石(～18％)和方解石(～13％)，粒径范围主要为0.02～0.35mm，单轴抗压强度为48.37MPa，弹性模量为13.09GPa。选取球头刀作为雕刻结构面的刀具9，锥度球头刀长度约为46mm、磨砂长度为16mm、刀柄半径为3.0mm、刀头8半径为0.30～0.50mm，锥角约为4°。分别利用刀头8半径为0.30mm、0.40mm和0.50mm的刀具9进行雕刻，刀头8半径为0.3mm雕刻时经常发生断刀，而刀头8半径为0.40mm雕刻过程中未发生断刀，因此刀具9半径选择0.40mm；
刀头8半径选取为0.40mm后，设置了8个雕刻的路径间距5，分别为0.05mm、0.08mm、0.10mm、0.20mm、0.30mm、0.40mm、0.50mm，当路径间距5大于0.20mm时，相邻雕刻路径4之前存在一条未雕刻区域，因此路径间距5不能大于0.20mm，之后利用公式3在Matlab中计算路径间距5为0.05mm、0.08mm和0.10mm时，结果表明当路径间距5为0.05mm和0.08mm时均出现干涉情况，因此路径间距5选择0.10mm。之后在雕刻机上进行结构面的雕刻，在本研究中，使用3轴数控机床，主要由控制平面、主轴、工作台组成，该机床由伺服系统控制，具有较高的X、Y、Z轴传动精度，较高的定位精度(0.05mm)和加工精度(0.01mm)。
步骤4、由于激光扫描直接得到的点云数据为不规则分布点云，然后以X轴正方向为0°，顺时针每隔30°截取剖面轮廓线(最高点设置为0mm)，，与原始结构面相同位置进行对比，结果表明重构结构面可以较好的雕刻出轮廓线的起伏如图10所示；
再使用三维粗糙度从各个方向定量化评价重构结构面与原始结构面表面形态吻合情况，如图11所示，雕刻重构结构面与原始结构面粗糙度具有一致性，重构结构面足以代表原始结构面，说明本发明提出的雕刻结构面雕刻参数选取方法准确、有效，重构结构面精度较高，可以满足室内试验研究要求。
综上所述，本发明与现有技术相比，本发明提出基于3D雕刻技术的岩石结构面重构雕刻方法，且给出了雕刻点干涉评估方法，该雕刻参数评估方法，计算简单，效率高，实现了结构面重构雕刻参数准确选取，克服了现有3D雕刻技术无法有效确定雕刻参数导致重构结构面雕刻精度差的缺点，使得结构面包含的细微起伏可以被精确重构出来，能最大程度的还原原岩结构面的表面形貌特征信息，确保结构面重构精度。本发明方法明确提出刀头8半径与路径间距5选取方法，避免了选取刀头8半径及路径间距5时的开展大量的预雕刻试验，同时避免了雕刻过程中频繁更换刀具9，大大节约了结构面重构过程的时间和经济成本。此外，根据本发明方法可以快速、高效的在室内批量重构岩石三维结构面，克服了结构面剪切试验的破坏性造成的原结构面剪切试验不能重复的缺点。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于3D雕刻技术的岩石结构面重构雕刻方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、结构面点云形貌数据获取；
步骤2、重构结构面雕刻路径生成；
步骤3、重构结构面雕刻参数选取，包括选取合适的刀具并确定合适的雕刻的路径间距，进行雕刻；
步骤4、步骤4、重构结构面雕刻精度评估，判断重构结构面与原始的结构面形态是否高精度吻合，如果不吻合，则跳转步骤3，改变刀具和/或路径间距，直至重构结构面与原始的结构面形态误差在允许的阈值内。
2.根据权利要求1所述的基于3D雕刻技术的岩石结构面重构雕刻方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
步骤101、用刷子轻轻清扫待扫描岩石结构面表面的碎屑和泥质颗粒，避免碎屑覆盖岩石结构面的细微起伏特性，在扫描区域周围粘贴标记点2，实现多点云数据的自动智能拼接，在扫描过程中，旋转扫描角度或进行多次扫描，拼接合成一个完整的结构面；
步骤102、扫描后获得大量天然岩石节理点云数据，通过后处理软件对点云数据进行去噪、优化及网格修补。
3.根据权利要求1所述的基于3D雕刻技术的岩石结构面重构雕刻方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
步骤201、将步骤1中获取的结构面形貌点云数据，根据试验目的截取雕刻区域，截取结构面时，尽量选择可以代表结构面形貌特征的区域，然后对截取的结构面进行最佳拟合；
步骤202、利用雕刻路径制作软件制作成雕刻机可以识别的NC代码，选取雕刻过程中的走刀方式并生成雕刻路径。
4.根据权利要求1所述的基于3D雕刻技术的岩石结构面重构雕刻方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
步骤301、加工时所述刀具始终竖直方向设置，根据需要雕刻的岩石的强度及成分，选取合适的刀具，且在不发生断刀的情况下选取合适的刀具半径；
步骤302、确定合适的雕刻路径间距，在雕刻机上进行结构面的雕刻。
5.根据权利要求4所述的基于3D雕刻技术的岩石结构面重构雕刻方法，其特征在于：所述步骤301中，选取球头刀作为雕刻结构面的刀具，所述球头刀包括自上而下依次设置的刀柄和刀刃，所述刀刃底部为刀头，所述刀头为圆弧形。
6.根据权利要求5所述的基于3D雕刻技术的岩石结构面重构雕刻方法，其特征在于：残留区域高度h为：
h≈r-[r2-(e/2)2]1/2 (1)
其中，r、e分别为刀头半径和路径间距；
相邻的路径间通常有一个重叠区域，重叠率roverlay与路径间距e关系如下所示：
e＝2r×(1.0-roverlay/100) (2)
当残留区域高度h过高，减小路径间距；当重叠率roverlay过高，减小刀头半径或增大路径间距。
7.根据权利要求6所述的基于3D雕刻技术的岩石结构面重构雕刻方法，其特征在于：
以雕刻生成的点云数据中任一点为中心的雕刻点，以刀具的刀柄半径做圆，计算将该圆范围内其他的雕刻点与中心的雕刻点之间的距离Dd，获取其他的雕刻点与中心的雕刻点的高度差hd，将Dd与hd做比后与刀刃的圆锥角进行比较，计算公式为：
Dd/hd≥AB/BC (3)
其中，AB为刀柄半径和刀头半径的差值，BC为刀刃长度；
如果满足公式(3)，则认为两个雕刻点之间有干涉现象，减小刀柄半径或增加路径间距，如果不满足公式(3)，则两个雕刻点互不干涉，能够进行雕刻。
8.根据权利要求1所述的基于3D雕刻技术的岩石结构面重构雕刻方法，其特征在于：使用二维轮廓线比对进行评价，从重构结构面等间距提取多条轮廓线且从原始结构面对应位置提取多条轮廓线，进行轮廓线形态对比分析。
9.根据权利要求1所述的基于3D雕刻技术的岩石结构面重构雕刻方法，其特征在于：使用三维粗糙度表征方法进行评价，依据三维粗糙度从各个方向定量化确定重构结构面与原始结构面表面形态吻合情况。
10.根据权利要求1所述的基于3D雕刻技术的岩石结构面重构雕刻方法，其特征在于：使用Grasselli和Tatone提出的可表征结构面粗糙度各向异性的三维粗糙度参数分别计算原始结构面与重构结构面的粗糙度参数，具体算法为：以Y正轴方向方向为正北方向(90°)，X正轴方向为正东方向(0°)，Z正轴方向为竖直向上，从0°～360°均匀间隔一定角度选取多个剪切方向，能够计算不同剪切方向上的粗糙度数值；
采样Delaunay三角化算法将节理面点云数据离散为大量的三角形节理微元，通过这些三角形微元来逼近真实的节理面，根据几何分析，每个三角形微元的视倾角与剪切方向之间存在如下关系：
tanθ*＝-tanθ·cosα (4)
其中，α为方位角，θ为三角形微元的倾角，θ*为三角形微元的视倾角；
采用如下关系描述接触面积比与临界视倾角的函数关系：
其中，
为最大视倾角，C为拟合参数；
为临界视倾角为θ*时的接触面积比，A0为临界视倾角为0°时的接触面积比；
对公式(5)进行定积分得：
使用
表示结构面沿剪切方向的结构面粗糙度大小，用公式(6)作为粗糙度计算公式能够表示结构面粗糙度的各向异性；
分别计算每个剪切方向下的粗糙度，将雕刻结构面的粗糙度与原始结构面的粗糙度进行对比，如果误差在允许的阈值内那就认为雕刻的结构面在粗糙度方面进行评估时与原始结构面吻合度较高。
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