CN116954157A - 一种产品点云模型的加工路径直接生成和制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产品点云模型的加工路径直接生成和制造方法。本发明在CAD/CAM系统中导入采集设备所生成的点云模型；对导入的点云模型进行预处理，主要包括对点云模型进行降噪处理和从点云模型中提取待加工点云模型；基于预处理得到的待加工点云模型，生成初始加工路径，然后以该路径为当前路径，并根据加工参数计算下一条加工路径，并以新路径为当前路径进行迭代计算得到所有加工路径。本发明方法能够通过简单稳定的解析计算来直接生成点云模型上的加工路径，避免了现有方法中的曲面重建等中间步骤，实现了高效、鲁棒的加工路径生成与产品制造。

Description

一种产品点云模型的加工路径直接生成和制造方法

技术领域

本发明属于计算机辅助设计与制造(Computer-Aided Design andManufacturing,CAD/CAM)系统领域的一种加工路径生成和产品制造方法，具体涉及了一种高端制造产品点云模型的加工路径直接生成与数控加工方法。

背景技术

在数控加工过程中，刀具加工路径决定了加工件的形状精度以及表面粗糙程度，直接影响工件的加工质量。刀具加工路径即切削刀具上规定点所走过的轨迹，通常为刀具加工时在空间中的位置点，刀具轨迹生成是实现数控加工的关键环节。在实际的工件加工过程中，刀具行走路径的设计是根据零件几何模型以及所选用加工机床、刀具、走刀方式和加工余量等工艺参数进行刀位计算并生成加工运动轨迹。

在过去的几十年里，由于航空航天、船舶、汽车、机械等行业的迅猛发展，自由曲面正越来越多地被应用在工业设计中，这就要求在自由曲面上通过软件算法计算出精确的走刀轨迹，驱动数控机床进行加工，最终满足设计零件的几何尺寸、工艺质量等要求。传统上，自由曲面由连续的参数曲面模型表示，而针对该类曲面的加工路径生成研究相对较多，也较成熟。然而，随着近年来数字化测量技术的发展，自由曲面更多地以点云模型的形式存在。所谓点云模型是指通过扫描设备获得的物体表面采样点。

目前针对点云模型的加工路径生成研究相对较少，通常采用转化的思路来进行，即将点云拟合成参数曲面模型或者是将点云模型构造成三角网格模型，然后直接借助现有基于曲面或三角网格的加工路径生成方法来得到路径。但构造曲面或网格模型是一个复杂、费时的过程，且这个过程总是存在误差，使得生成的加工路径与理论刀具路径之间具有随机偏差，影响最后的加工质量。

直接在点云模型上生成加工路径，而不借助于任何曲面拟合和网格构造的中间过程，可以大幅缩短加工路径的计算时间，控制加工路径的误差。然而现有的从点云上直接生成加工路径的方法都需要用到一个共同的操作，即需要计算点云的微分量，比如需要估算点云的法线和曲率，但是这类估算操作存在很大的不确定性，尤其是当点云存在噪音的时候，估算操作对噪音极为敏感，导致最后计算出的加工路径误差较大且不可信。

总而言之，现有的基于点云模型的加工路径生成的两类方法，其中采用转化思路的第一种方法存在计算量大的问题，第二种直接生成的方法又存在鲁棒性差的问题，影响规划的轨迹的准确度。

发明内容

针对背景技术的不足，本发明的目的在于提供一种产品点云模型的加工路径直接生成和制造方法。

本发明方法针对高端制造产品，是一种高端制造产品点云模型的加工路径直接生成和制造方法。

本发明用户通过CAD/CAM系统导入点云模型，在给定加工参数(主要包括数控机床型号、刀具尺寸，加工精度等)的情况下，能够从输入点云模型上直接生成加工轨迹，并生成有效的加工指令用于制造。

本发明所述的产品均为高端制造产品。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

1)对初始点云模型进行预处理，获得预处理后的点云模型；

2)根据预处理后的点云模型，计算获得加工路径数据；

3)根据计算获得的加工路径数据生成加工指令并用于加工制造。

所述1)具体为：

1.1)对初始点云模型进行降噪处理，获得降噪处理后的点云模型；

1.2)根据降噪处理后的点云模型进行待加工点云模型的提取，获得预处理后的点云模型。

所述1.1)具体执行以下两个步骤：

1.1.1)确定初始点云模型中的异常点，并将异常点删除，获得删除异常点后的点云模型；

1.1.2)利用降噪算法对删除异常点后的点云模型进行降噪光滑处理。

所述1.2)中，若初始点云模型由单个点云模型构成，则将降噪处理后的点云模型作为预处理后的点云模型；

若初始点云模型由多个点云模型拼接组成，则对降噪处理后的点云模型进行模型分割，获得预处理后的点云模型。

所述对降噪处理后的点云模型进行模型分割，获得预处理后的点云模型，具体为：

采用基于特征边或面的分割方法对降噪处理后的点云模型进行点云模型分割，获得多个分割后的点云模型，随机选择一个分割后的点云模型作为预处理后的点云模型。

所述2)具体为：

根据预处理后的点云模型生成初始加工路径，基于初始加工路径进行路径的迭代优化，直至预处理后的点云模型被所有加工路径完全覆盖，将最终的加工路径作为加工路径数据。

所述2)中的根据预处理后的点云模型生成初始加工路径，具体为：

首先，提取预处理后的点云模型的各边界，再根据加工方案选取初始加工边界；然后，将初始加工边界沿其法线方向偏置刀具半径的距离，获得待采样边；最后，对待采样边进行采样后，得到按顺序排列的初始刀位点集并作为初始加工路径。

所述2)中的基于初始加工路径进行路径的迭代优化，直至预处理后的点云模型被所有加工路径完全覆盖，具体执行以下三个步骤：

S1：根据加工参数以及当前加工路径，计算下一条刀具路径；

S2：通过粗光顺和细光顺对下一条刀具路径进行光顺处理，再对已光顺处理的下一条刀具路径离散化，获得下一条加工路径；

S3：重复S1和S2，进行加工路径的迭代优化，直至预处理后的点云模型被所有加工路径完全覆盖。

所述S1具体为：

S1.1：根据当前加工路径的每个刀位点与相邻刀位点构建第一三维向量，然后再构建垂直于第一三维向量的第一平面，最后在第一平面上构建以当前刀位点为圆心、半径等于刀具半径的第一刀具圆；

S1.2：在预处理后的点云模型上搜索当前刀位点附近的邻近点，得到第一局部点云模型，根据第一局部点云模型中的所有点分别构建以每个点为球心、残高值为半径的球，获得第一局部点云模型中所有点的残高球；

S1.3：将第一刀具圆和所有残高球分别执行相交计算，得到第一相交点集，然后以交点在第一刀具圆中的夹角为判断准则，选取第一相交点集中夹角最大的相交点为残高点；

S1.4：根据残高点与相邻相交点构建第二三维向量，然后再构建垂直于第二三维向量的第二平面，最后在第二平面上构建以当前残高点为圆心、半径等于刀具半径的第二刀具圆；

S1.5：在预处理后的点云模型上搜索残高点附近的邻近点，得到第二局部点云模型，为第二局部点云模型中的所有点分别构建以每个点为球心、刀具半径为半径的球，获得第二局部点云模型中所有点的刀具球；

S1.6：将第二刀具圆和所有刀具球执行相交计算，得到第二相交点集，然后以交点在第二刀具圆中的夹角为判断准则，选取第二相交点集中夹角最小的相交点为当前刀位点的下一个刀位点；

S1.7：重复执行S1.1-S1.6，遍历计算当前加工路径的剩余刀位点对应的下一个刀位点，从而获得下一条刀具路径；

所述S2具体为：

S2.1：对下一条刀具路径进行粗光顺处理，获得粗光顺处理的下一条刀具路径；

S2.2：通过B样条曲线拟合方法对粗光顺处理的下一条刀具路径进行细光顺处理，获得细光顺处理的下一条刀具路径；

S2.3：对细光顺处理的下一条刀具路径进行离散采样，生成按顺序排列的刀位点集并组成下一条加工路径。

在用户通过CAD/CAM系统界面导入点云模型并进行预处理后，基于设置的残高值和刀具半径，本发明直接从点云模型上生成加工路径，避免了现有技术计算量大和不鲁棒等问题。

本发明的有益效果是：

本发明通过圆球相交等简单解析计算实现了点云模型加工路径的直接生成和制造，相较于基于估算微分属性或构造曲面来计算刀位点的现有方法，本发明能够直接基于点云模型生成加工路径，且计算鲁棒性更好，计算更为简洁，更能适应于存在噪音的点云。

附图说明

图1是本发明的总体流程框架图。

图2是等残高刀位点计算示意图。

图3是加工路径计算的流程框架图。

图4是点云模型加工路径生成示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明按照上述发明内容完整方法实施的实施过程和情况如下：

1)用户通过CAD/CAM系统的用户界面接口导入扫描设备获取的物体表面点云模型，并对初始点云模型进行预处理，获得预处理后的点云模型；

1)中的初始点云模型由扫描仪采集得到，或者其他采集方式。对导入的点云模型进行预处理，包括点云降噪处理和点云模型提取，这些功能均由常规CAD/CAM系统提供。

1)具体为：

1.1)对初始点云模型进行降噪处理，获得降噪处理后的点云模型；

1.1)具体执行以下两个步骤：

1.1.1)确定初始点云模型中的异常点，并将异常点删除，获得删除异常点后的点云模型；异常点指与周围邻近点呈现不同形状趋势的点。

1.1.2)利用降噪算法对删除异常点后的点云模型进行降噪光滑处理。

降噪算法是加权平均法、中值滤波法，或者是其他方法，由CAD/CAM系统提供。

1.2)根据降噪处理后的点云模型进行待加工点云模型的提取，获得预处理后的点云模型。

1.2)中，若初始点云模型由单个点云模型构成，则将降噪处理后的点云模型作为预处理后的点云模型进行加工路径计算。这一功能也由常规CAD/CAM系统提供；

若初始点云模型由多个点云模型拼接组成，即多个点云模型来源于多个曲面所拼合而成，则对降噪处理后的点云模型进行模型分割，获得预处理后的点云模型。

对降噪处理后的点云模型进行模型分割，获得预处理后的点云模型，具体为：

采用基于特征边或面的分割方法对降噪处理后的点云模型进行点云模型分割，获得多个分割后的点云模型，使得每个分割后的点云模型来自同一曲面，随机选择一个分割后的点云模型作为预处理后的点云模型。

具体地，基于特征边或面的分割方法是通过局部点云计算高阶导数或者法矢量，根据计算的高阶导数或者法矢量判断局部点云是否属于曲面交线或者曲面，如果属于曲面交线，则对其进行分割，从而获得分割后的模型。

2)根据预处理后的点云模型，计算获得加工路径数据；

2)具体为：

根据预处理后的点云模型生成初始加工路径，基于初始加工路径进行路径的迭代优化，直至预处理后的点云模型被所有加工路径完全覆盖，将最终的加工路径作为加工路径数据。

2)中的根据预处理后的点云模型生成初始加工路径，具体为：

首先，提取预处理后的点云模型的各边界，再根据加工方案选取初始加工边界；然后，将初始加工边界沿其法线方向偏置刀具半径的距离，获得待采样边；最后，对待采样边进行采样后，得到按顺序排列的初始刀位点集并作为初始加工路径。

所采用的加工路径生成方法是等残高法，利用设置的加工精度值和刀具半径，以及输入的初始加工路径，进行后续的加工路径计算。等残高是指相邻加工路径间的零件残留材料余量的高度(简称残高)保持恒定，即严格等于用户给定的加工精度值(有时也称为残高值)。

如图3所示，2)中的基于初始加工路径进行路径的迭代优化，直至预处理后的点云模型被所有加工路径完全覆盖，具体执行以下三个步骤：

S1：根据加工参数以及当前加工路径，计算下一条刀具路径；

S2：通过粗光顺和细光顺对下一条刀具路径进行光顺处理，再对已光顺处理的下一条刀具路径离散化，即离散生成刀位点，获得下一条加工路径，即作为下一次迭代计算的加工路径；

S3：重复S1和S2，进行加工路径的迭代优化，直至预处理后的点云模型被所有加工路径完全覆盖，其结果如图4的(a)和图4的(b)所示，图4的(a)是球面点云模型的加工路径，图4的(b)是鼠标点云模型的加工路径。

S1具体为：

S1.1：根据当前加工路径的每个刀位点与相邻刀位点的端点构建第一三维向量，然后再构建垂直于第一三维向量的第一平面，最后在第一平面上构建以当前刀位点为圆心、半径等于刀具半径的第一刀具圆，如图2所示；具体实施中，相邻刀位点为每个刀位点的前一个刀位点或者后一个刀位点。

S1.2：在预处理后的点云模型上搜索当前刀位点附近的邻近点，得到第一局部点云模型，根据第一局部点云模型中的所有点分别构建以每个点为球心、残高值为半径的球，获得第一局部点云模型中所有点的残高球；

S1.3：将第一刀具圆和所有残高球分别执行相交计算，得到第一相交点集，然后以交点在第一刀具圆中的夹角为判断准则，选取第一相交点集中夹角最大的相交点为残高点；具体实施中，将竖直方向上的直线作为基准线，将交点与第一刀具圆的圆心的连线与基准线之间的夹角作为交点在第一刀具圆中的夹角。

S1.4：根据残高点与相邻相交点构建第二三维向量，然后再构建垂直于第二三维向量的第二平面，最后在第二平面上构建以当前残高点为圆心、半径等于刀具半径的第二刀具圆；

S1.5：在预处理后的点云模型上搜索残高点附近的邻近点，得到第二局部点云模型，为第二局部点云模型中的所有点分别构建以每个点为球心、刀具半径为半径的球，获得第二局部点云模型中所有点的刀具球；

S1.6：将第二刀具圆和所有刀具球执行相交计算，得到第二相交点集，然后以交点在第二刀具圆中的夹角为判断准则，选取第二相交点集中夹角最小的相交点为当前刀位点的下一个刀位点；

S1.7：重复执行S1.1-S1.6，遍历计算当前加工路径的剩余刀位点对应的下一个刀位点，从而获得下一条刀具路径；

S2具体为：

S2.1：对下一条刀具路径进行粗光顺处理，剔除刀位点数据中的异常点，获得粗光顺处理的下一条刀具路径；

S2.2：通过B样条曲线拟合方法对粗光顺处理的下一条刀具路径进行细光顺处理，获得细光顺处理的下一条刀具路径，是一条拟合好的曲线；

S2.3：对细光顺处理的下一条刀具路径进行离散采样，生成按顺序排列的刀位点集并组成下一条加工路径。

3)根据计算获得的加工路径数据生成加工指令并用于加工制造。

利用步骤2)生成的加工路径生成加工指令并进行实际生产制造。可以通过数控机床进行加工，或者采用其他的方式进行制造。

本发明首先接受上述步骤处理过的点云模型及加工路径信息，然后将其显示在用户界面上，供用户执行进一步操作。具体显示技术与现有商业CAD/CAM软件一致。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种产品点云模型的加工路径直接生成和制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对初始点云模型进行预处理，获得预处理后的点云模型；

2)根据预处理后的点云模型，计算获得加工路径数据；

3)根据计算获得的加工路径数据生成加工指令并用于加工制造。

2.根据权利要求1所述的一种产品点云模型的加工路径直接生成和制造方法，其特征在于，所述1)具体为：

1.1)对初始点云模型进行降噪处理，获得降噪处理后的点云模型；

1.2)根据降噪处理后的点云模型进行待加工点云模型的提取，获得预处理后的点云模型。

3.根据权利要求2所述的一种产品点云模型的加工路径直接生成和制造方法，其特征在于，所述1.1)具体执行以下两个步骤：

1.1.1)确定初始点云模型中的异常点，并将异常点删除，获得删除异常点后的点云模型；

1.1.2)利用降噪算法对删除异常点后的点云模型进行降噪光滑处理。

4.根据权利要求2所述的一种产品点云模型的加工路径直接生成和制造方法，其特征在于，所述1.2)中，若初始点云模型由单个点云模型构成，则将降噪处理后的点云模型作为预处理后的点云模型；

若初始点云模型由多个点云模型拼接组成，则对降噪处理后的点云模型进行模型分割，获得预处理后的点云模型。

5.根据权利要求4所述的一种产品点云模型的加工路径直接生成和制造方法，其特征在于，所述对降噪处理后的点云模型进行模型分割，获得预处理后的点云模型，具体为：

采用基于特征边或面的分割方法对降噪处理后的点云模型进行点云模型分割，获得多个分割后的点云模型，随机选择一个分割后的点云模型作为预处理后的点云模型。

6.根据权利要求1所述的一种产品点云模型的加工路径直接生成和制造方法，其特征在于，所述2)具体为：

根据预处理后的点云模型生成初始加工路径，基于初始加工路径进行路径的迭代优化，直至预处理后的点云模型被所有加工路径完全覆盖，将最终的加工路径作为加工路径数据。

7.根据权利要求6所述的一种产品点云模型的加工路径直接生成和制造方法，其特征在于，所述2)中的根据预处理后的点云模型生成初始加工路径，具体为：

首先，提取预处理后的点云模型的各边界，再根据加工方案选取初始加工边界；然后，将初始加工边界沿其法线方向偏置刀具半径的距离，获得待采样边；最后，对待采样边进行采样后，得到按顺序排列的初始刀位点集并作为初始加工路径。

8.根据权利要求6所述的一种产品点云模型的加工路径直接生成和制造方法，其特征在于，所述2)中的基于初始加工路径进行路径的迭代优化，直至预处理后的点云模型被所有加工路径完全覆盖，具体执行以下三个步骤：

S1：根据加工参数以及当前加工路径，计算下一条刀具路径；

S2：通过粗光顺和细光顺对下一条刀具路径进行光顺处理，再对已光顺处理的下一条刀具路径离散化，获得下一条加工路径；

S3：重复S1和S2，进行加工路径的迭代优化，直至预处理后的点云模型被所有加工路径完全覆盖。

9.根据权利要求8所述的一种产品点云模型的加工路径直接生成和制造方法，其特征在于，所述S1具体为：

S1.1：根据当前加工路径的每个刀位点与相邻刀位点构建第一三维向量，然后再构建垂直于第一三维向量的第一平面，最后在第一平面上构建以当前刀位点为圆心、半径等于刀具半径的第一刀具圆；

S1.2：在预处理后的点云模型上搜索当前刀位点附近的邻近点，得到第一局部点云模型，根据第一局部点云模型中的所有点分别构建以每个点为球心、残高值为半径的球，获得第一局部点云模型中所有点的残高球；

S1.3：将第一刀具圆和所有残高球分别执行相交计算，得到第一相交点集，然后以交点在第一刀具圆中的夹角为判断准则，选取第一相交点集中夹角最大的相交点为残高点；

S1.4：根据残高点与相邻相交点构建第二三维向量，然后再构建垂直于第二三维向量的第二平面，最后在第二平面上构建以当前残高点为圆心、半径等于刀具半径的第二刀具圆；

S1.5：在预处理后的点云模型上搜索残高点附近的邻近点，得到第二局部点云模型，为第二局部点云模型中的所有点分别构建以每个点为球心、刀具半径为半径的球，获得第二局部点云模型中所有点的刀具球；

S1.6：将第二刀具圆和所有刀具球执行相交计算，得到第二相交点集，然后以交点在第二刀具圆中的夹角为判断准则，选取第二相交点集中夹角最小的相交点为当前刀位点的下一个刀位点；

S1.7：重复执行S1.1-S1.6，遍历计算当前加工路径的剩余刀位点对应的下一个刀位点，从而获得下一条刀具路径。

10.根据权利要求8所述的一种产品点云模型的加工路径直接生成和制造方法，其特征在于，所述S2具体为：

S2.1：对下一条刀具路径进行粗光顺处理，获得粗光顺处理的下一条刀具路径；

S2.2：通过B样条曲线拟合方法对粗光顺处理的下一条刀具路径进行细光顺处理，获得细光顺处理的下一条刀具路径；

S2.3：对细光顺处理的下一条刀具路径进行离散采样，生成按顺序排列的刀位点集并组成下一条加工路径。