CN116563507A - 面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法，获取工件模型，将工件模型中的三维信息转化为二维信息；提取工件模型六个面的表面拓扑信息中的有效闭环边界；提取工件模型某面法向的深度拓扑信息中的有效闭环边界；将收集的表面拓扑信息中的有效闭环边界和深度拓扑信息中的有效闭环边界进行三维拼接。本发明的面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法中，具有高效精准抽取复杂型腔零件边界轮廓的优点。

Description

面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法

技术领域

本发明属于加工边界自动提取方法领域，具体涉及面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法。

背景技术

刀具轨迹的生成是零件数控加工中最关键的步骤，它直接决定了加工产品的质量，而加工区域边界的提取是刀具轨迹生成的重要研究内容。在实际应用中，特别是加工复杂型腔的结构建，对加工精度和效率要求较高，传统的手工编程耗费时间较长，容易出现错误，而通过加工区域边界自动提取方法能很好完成任务，通过程序实现可加工域的自动计算，构建虚拟环境离线编程，只需导入待加工工件的实体模型和初始加工区域，加工区域边界便会被自动抽取。三轴加工区域边界提取技术研究中，主要形成了以下几种典型方法：分别为G-Buffer方法、Z-map方法、多面体法、投影法、偏置面法等。

现有关于面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法都能高效高精度自动抽取加工边界，但是受工件姿态和加工平面约束较大，通常需要通过面面相交求边缘轮廓，其中复杂曲面求交曲线的拟合难度较大，算法复杂；加工区域抽取之后还要进行加工刀轨规划，一些算法未能综合考虑刀具干涉、行距以及步长对材料切削的影响，增加了其后续的处理难度。

因此，针对现有技术的不足提供面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法。

发明内容

为解决现有技术中的上述问题，本发明提供了面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法，其具有无法高效精准抽取复杂型腔零件边界轮廓的问题。

本发明采用了以下技术方案：

面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法，

包括如下步骤：

S1、获取工件模型，将工件模型中的三维信息转化为二维信息；

S2、提取工件模型六个面的表面拓扑信息中的有效闭环边界；

S3、提取工件模型某面法向的深度拓扑信息中的有效闭环边界；

S4、将收集的表面拓扑信息中的有效闭环边界和深度拓扑信息中的有效闭环边界进行三维拼接。

作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S1中：在获取到工件模型信息后，根据用户的指令，生成待加工零件的工件模型和初始约束平面的工艺参数。

作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S2中，包括如下步骤：

S2.1、分析获取到的工件模型，根据用户的指令，确定一个视图，用一组初始约束平面与加工曲面进行面面相交，利用消隐算法提取出投影方向上的轮廓线，获取轮廓线后规划出加工区域；

S2.2、对提取到的加工区域的轮廓线进行去重处理，抽取出有效闭环边界；

S2.3、经过各拓扑图形去重后，分类输出各种环数据，通过内外环识别算法确定可加工区域和不可加工区域；

S2.4、更换视图，重复步骤S2.1-S2.3，分类输出各种环数据后，确定可加工区域和不可加工区域。

作为本发明技术方案的进一步改进，在步骤S2.1中，加工时用平面约束面与XOY坐标平面截交规划出加工区域，沿着视图的外法矢量方向对表面信息进行投影变换。

作为本发明技术方案的进一步改进，在步骤S2.1中，在通过消隐算法提取投影方向的轮廓线时，通过比较形状每条边相对每个面的可见性，计算并提取出每条边的可见部分与消隐部分，突出显示锐边、光滑边、缝边、轮廓线等可视线条，重构出由轮廓线组成的一个简化的模型。

作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S3中，包括如下步骤：

S3.1、利用AABB包围盒设定坐标系和视图方向，根据用户的指令，确定一个视图方向和步进深度，通过点法式构建约束平面；

S3.2、将模型与平面进行求交得到基于上述设定好视图的深度信息图，提取出深度截面信息投影的轮廓线；

S3.3、对提取出的深度截面信息进行去重处理，抽取出有效闭环边界；

S3.4、更换视图，重复步骤S2.1-S2.3，经过各拓扑图形去重后，分类输出各种环数据，借助内外环识别算法确定可加工区域和不可加工区域。

作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S4中，包括如下步骤：

S4.1、提取每个环本身的几何信息，对有效闭环进行型腔轮廓环和岛屿轮廓环分类；

S4.2、将所有闭环按照相互关系放入到表示各环位置关系的树状结构中，利用二维多型腔零件型腔区域自动识别算法识别闭环边界内的加工区域与非加工区域，各闭环相互位置的树状结构决定其区材料域是否需要被切除；

S4.3、将整组约束平面与加工曲面面面相交后截交提取的闭环轮廓进行三维拼接汇总，从而获取可加工区域和不可加工区域。

作为本发明技术方案的进一步改进，在步骤S4.2中，树根上的环及其各兄弟环一定是型腔的轮廓环，外环的子环及其各兄弟环一定是岛屿的轮廓环，内环的子环及其各兄弟环一定是型腔的轮廓环。

作为本发明技术方案的进一步改进，在提取闭环时，通过基于Z-map模型的加工区域边界抽取算法把Z-map模型下规则网格点阵转化为二元图进行边界抽取，然后以基于段长的方式，逐行扫描步长段，并利用上下行段之间的关系确定段左右节点的连接，以形成有向环，从而确定边界为外轮廓或者内轮廓，从而确定加工区域边界。

一种计算机设备，其特征在于：面向三轴加工的加工区域边界自动提取系统中存储有至少一条指令、至少一端程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、至少一端程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现如权利要求1至9任一项所述的：面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出的面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法，用于提取工件模型的拓扑信息中的有效闭环边界，将三维的信息转化为二维的信息，通过在软件中输入工件模型，依次收集工件模型六个面的表面拓扑信息中的有效闭环边界和收集工件模型某面法向的深度拓扑信息中的有效闭环边界，将收集的表面拓扑信息中的有效闭环边界和深度拓扑信息中的有效闭环边界进行三维拼接，从而确定加工区域的边界该方法实现了面向三轴加工的加工区域边界自动提取，避免了一些复杂工件人工操作的不确定性、劳动量大和后期校准困难等问题，通过控制和操纵图形来离线规划加工轨迹，能够让操作者提前优化操作方案和运行周期。本发明的面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法中，具有高效精准抽取复杂型腔零件边界轮廓的特点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术作进一步地详细说明：

图1是面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法的示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。附图中各处使用的相同的附图标记指示相同或相似的部分。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法，包括如下步骤：

S1、获取工件模型，将工件模型中的三维信息转化为二维信息；

S2、提取工件模型六个面的表面拓扑信息中的有效闭环边界；

S3、提取工件模型某面法向的深度拓扑信息中的有效闭环边界；

S4、将收集的表面拓扑信息中的有效闭环边界和深度拓扑信息中的有效闭环边界进行三维拼接。

其中，用于提取工件模型的拓扑信息中的有效闭环边界，将三维的信息转化为二维的信息，通过在软件中输入工件模型，依次收集工件模型六个面的表面拓扑信息中的有效闭环边界和收集工件模型各面法向的深度拓扑信息中的有效闭环边界，将收集的表面拓扑信息中的有效闭环边界和深度拓扑信息中的有效闭环边界进行三维拼接，从而确定加工区域的边界该方法实现了面向三轴加工的加工区域边界自动提取，避免了一些复杂工件人工操作的不确定性、劳动量大和后期校准困难等问题，通过控制和操纵图形来离线规划加工轨迹，能够让操作者提前优化操作方案和运行周期。本发明的面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法中，具有高效精准抽取复杂型腔零件边界轮廓的特点。

具体地，在步骤S1中，在获取到工件模型信息后，根据用户的指令，生成待加工零件的工件模型和初始约束平面的工艺参数；工件模型的文件格式包括STEP和IGES格式，STEP模型中包括了各种形式的B-Rep数据，具有完整的几何信息和拓扑信息，对其拓扑信息中的有效闭环边界提取是实现面向三轴加工区域边界自动提取的关键步骤。

具体地，在步骤S2中，包括如下步骤：

S2.1、分析获取到的工件模型，根据用户的指令，确定一个视图，用一组初始约束平面与加工曲面进行面面相交，利用消隐算法提取出投影方向上的轮廓线，获取轮廓线后规划出加工区域；加工时用平面约束面与XOY坐标平面截交规划出加工区域，沿着视图的外法矢量方向对表面信息进行投影变换

S2.2、对提取到的加工区域的轮廓线进行去重处理，抽取出有效闭环边界；

S2.3、经过各拓扑图形去重后，分类输出各种环数据，通过内外环识别算法确定可加工区域和不可加工区域；

S2.4、更换视图，重复步骤S2.1-S2.3，分类输出各种环数据后，确定可加工区域和不可加工区域。

经过上述步骤，只需输入工件模型，便可以得到该模型在选定的视图下的表面拓朴信息。

其中，在步骤S2.1中，在通过消隐算法提取投影方向的轮廓线时，通过比较形状每条边相对每个面的可见性，计算并提取出每条边的可见部分与消隐部分，突出显示锐边、光滑边、缝边、轮廓线等可视线条，即重构出一个简化的由轮廓线组成的模型。

具体地，在步骤S2.2中，抽取出有效闭环边界是通过深度遍历储存线条的容器，不断迭代判断当前直线与遍历直线是否相连，且是通过起点还是终点相连，最终遍历出多条边首尾相接组成封闭环。对闭环容器进行进一步遍历输出矩形或梯形，非矩形和非梯形的闭环先遍历输出成直线、圆弧或椭圆弧，再将剩余的样条等其他曲线进行按照按弦高差将曲线离散成点，通过判断离散点前后能否连接成微小直线段，最后进行拼接输出。

具体地，在步骤S3中，包括如下步骤：

S3.1、在输入工件模型后，利用AABB包围盒设定坐标系和视图方向后，根据用户的指令，确定一个视图方向和步进深度，通过点法式构建约束平面；

S3.2、将模型与平面进行求交得到基于上述设定好视图的深度信息图，提取出深度截面信息投影的轮廓线；

S3.3、对提取出的深度截面信息进行去重处理，抽取出有效闭环边界；

S3.4、更换视图，重复步骤S2.1-S2.3，经过各拓扑图形去重后，分类输出各种环数据，借助内外环识别算法确定可加工区域和不可加工区域。

具体地，在步骤S3中，选定俯视图视角和深度：取视点在Z轴正无穷远，视线方向为Z轴负方向，深度已设定，物体投影到XOY平面上，后续关于闭环线条的信息提取步骤同上。

具体地，在步骤S4中，包括如下步骤：

S4.1、提取每个环本身的几何信息，对有效闭环进行型腔轮廓环和岛屿轮廓环分类；

S4.2、将所有闭环按照相互关系放入到表示各环位置关系的树状结构中，利用二维多型腔零件型腔区域自动识别算法识别闭环边界内的加工区域与非加工区域，各闭环相互位置的树状结构决定其区材料域是否需要被切除；

S4.3、将整组约束平面与加工曲面面面相交后截交提取的闭环轮廓进行三维拼接汇总，从而获取可加工区域和不可加工区域

具体地，在步骤S4中，因为三轴加工机床对工件模型的加工是从模型表面开始，加工时沿某面法向量逐层进刀，只需将工件模型的表面拓扑信息和深度拓扑信息按照先后位置关系进行三维拼接，便可确定加工区域边界。

其中，在步骤S4.2中，树根上的环及其各兄弟环一定是型腔的轮廓环，外环的子环及其各兄弟环一定是岛屿的轮廓环，内环的子环及其各兄弟环一定是型腔的轮廓环。在此方法中，对加工区域的边界提取主要是借助逐层提取平面中的封闭环来完成，但是在二维图上无法直接判断该封闭环是岛屿的轮廓环还是型腔的轮廓环，需要利用树状嵌套结构图进行判定。一个树状结构最顶端便是根，根上的环及其同一层的兄弟环都是外环，判定为型腔的轮廓环；根的下一层即为外环的子环及其同一层兄弟环都是内环，判定为岛屿的轮廓环；以此类推。

更具体地，在提取闭环时，通过基于Z-map模型的加工区域边界抽取算法把Z-map模型下规则网格点阵转化为二元图进行边界抽取，然后以基于段长的方式，逐行扫描步长段，并利用上下行段之间的关系确定段左右节点的连接，以形成有向环，从而确定边界为外轮廓或者内轮廓，从而确定加工区域边界。

一种计算机设备，其特征在于：面向三轴加工的加工区域边界自动提取系统中存储有至少一条指令、至少一端程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、至少一端程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现如权利要求1至9任一项所述的：面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法。。

本发明所述的面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法的其它内容参见现有技术，在此不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法，其特征在于，

包括如下步骤：

S1、获取工件模型，将工件模型中的三维信息转化为二维信息；

S2、提取工件模型六个面的表面拓扑信息中的有效闭环边界；

S3、提取工件模型某面法向的深度拓扑信息中的有效闭环边界；

S4、将收集的表面拓扑信息中的有效闭环边界和深度拓扑信息中的有效闭环边界进行三维拼接。

2.根据权利要求1所述的面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法，其特征在于：

步骤S1中：

在获取到工件模型信息后，根据用户的指令，生成待加工零件的工件模型和初始约束平面的工艺参数。

3.根据权利要求1所述的面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法，其特征在于：

步骤S2中，包括如下步骤：

S2.1、分析获取到的工件模型，根据用户的指令，确定一个视图，用一组初始约束平面与加工曲面进行面面相交，利用消隐算法提取出投影方向上的轮廓线，获取轮廓线后规划出加工区域；

S2.2、对提取到的加工区域的轮廓线进行去重处理，抽取出有效闭环边界；

S2.3、经过各拓扑图形去重后，分类输出各种环数据，通过内外环识别算法确定可加工区域和不可加工区域；

S2.4、更换视图，重复步骤S2.1-S2.3，分类输出各种环数据后，确定可加工区域和不可加工区域。

4.根据权利要求3所述的面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法，其特征在于：

在步骤S2.1中，加工时用平面约束面与XOY坐标平面截交规划出加工区域，沿着视图的外法矢量方向对表面信息进行投影变换。

5.根据权利要求3所述的面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法，其特征在于：

在步骤S2.1中，在通过消隐算法提取投影方向的轮廓线时，通过比较形状每条边相对每个面的可见性，计算并提取出每条边的可见部分与消隐部分，突出显示锐边、光滑边、缝边、轮廓线可视线条，重构出由轮廓线组成的一个简化的模型。

6.根据权利要求1所述的面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法，其特征在于：

步骤S3中，包括如下步骤：

S3.1、利用AABB包围盒设定坐标系和视图方向，根据用户的指令，确定一个视图方向和步进深度，通过点法式构建约束平面；

S3.2、将模型与平面进行求交得到基于上述设定好视图的深度信息图，提取出深度截面信息投影的轮廓线；

S3.3、对提取出的深度截面信息进行去重处理，抽取出有效闭环边界；

S3.4、更换视图，重复步骤S2.1-S2.3，经过各拓扑图形去重后，分类输出各种环数据，借助内外环识别算法确定可加工区域和不可加工区域。

7.根据权利要求1所述的面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法，其特征在于：

步骤S4中，包括如下步骤：

S4.1、提取每个闭环本身的几何信息，对有效闭环进行型腔轮廓环和岛屿轮廓环分类；

S4.2、将所有闭环按照相互关系放入到表示各环位置关系的树状结构中，利用二维多型腔零件型腔区域自动识别算法识别闭环边界内的加工区域与非加工区域，各闭环相互位置的树状结构决定其区材料域是否需要被切除；

S4.3、将整组约束平面与加工曲面面面相交后截交提取的闭环轮廓进行三维拼接汇总，从而获取可加工区域和不可加工区域。

8.根据权利要求6所述的面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法，其特征在于：

在步骤S4.2中，树根上的环及其各兄弟环一定是型腔的轮廓环，外环的子环及其各兄弟环一定是岛屿的轮廓环，内环的子环及其各兄弟环一定是型腔的轮廓环。

9.根据权利要求3或6所述的面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法，其特征在于：在提取闭环边界时，通过基于Z-map模型的加工区域边界抽取算法把Z-map模型下规则网格点阵转化为二元图进行边界抽取，然后以基于段长的方式，逐行扫描步长段，并利用上下行段之间的关系确定段左右节点的连接，以形成有向环，从而确定边界为外轮廓或者内轮廓，从而确定加工区域边界。

10.一种计算机设备，其特征在于：面向三轴加工的加工区域边界自动提取系统中存储有至少一条指令、至少一端程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、至少一端程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现如权利要求1至9任一项所述的：面向三轴加工的加工区域边界自动提取方法。