專利名稱：散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的五坐標(biāo)nc刀軌快速生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的五坐標(biāo)NC刀軌快速生成方法，屬于計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù) 領(lǐng)域。
技術(shù)背景基于散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接生成刀軌不僅能夠減少曲面重構(gòu)或網(wǎng)格生成的繁瑣過程，而且避 免曲面擬合帶來的誤差積累問題，利于簡(jiǎn)化刀軌的求取過程，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期、降低 產(chǎn)品研發(fā)費(fèi)用，但由于散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大、及缺乏對(duì)生成刀軌快速有效的檢測(cè)機(jī)制，對(duì)其直 接生成五坐標(biāo)NC刀軌是制約現(xiàn)行逆向工程仿行制造的關(guān)鍵問題。對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，謝叻等在學(xué)術(shù)期刊《上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)》2004， 38(8)， P1378-1381上發(fā)表的學(xué)術(shù)論文"基于激光測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的五坐標(biāo)加工刀軌生成"中，通過計(jì) 算點(diǎn)云的法矢和曲率確定切削步長(zhǎng)和行距，根據(jù)初始步長(zhǎng)在截平面內(nèi)選取一系列點(diǎn)向由截平 面與點(diǎn)云零件表面定義的相交帶投影，獲取刀觸點(diǎn)，結(jié)合點(diǎn)法矢計(jì)算刀位軌跡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了五坐標(biāo)加工刀軌的生成，但對(duì)大規(guī)模散亂點(diǎn)云加工刀路生成速度較慢的問題，未給出有效的解 決方法；直接以投影直線的最近點(diǎn)為刀觸點(diǎn)，所獲刀觸點(diǎn)不能真實(shí)反應(yīng)刀軌截面信息，影響 刀軌生成精度；對(duì)生成的刀位數(shù)據(jù)進(jìn)行多次干涉檢査及修正以保證刀位的正確性，影響刀軌 生成效率；缺乏生成的刀軌的檢測(cè)機(jī)制，生成刀軌后不能快速有效的對(duì)刀軌進(jìn)行精度檢測(cè)。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷是缺少有效合理的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)索引結(jié)構(gòu)，制約刀軌 的生成效率；截面數(shù)據(jù)點(diǎn)求取不準(zhǔn)確，刀位修正算法復(fù)雜、效率低；缺乏生成刀軌精度檢測(cè) 機(jī)制，不能快速檢測(cè)刀軌的精度。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種能克服上述缺陷、數(shù)據(jù)精確、效率高的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的五坐 標(biāo)NC刀軌快速生成方法。其技術(shù)方案為一種散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的五坐標(biāo)NC刀軌快速生成方法，其特征在于步驟依次為:1)基于 R*-tree建立散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間聚類索引結(jié)構(gòu)；2)深度優(yōu)先遍歷散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間聚類索引 結(jié)構(gòu)，獲取刀軌截平面的鄰域點(diǎn)集；3)以配對(duì)方式對(duì)獲取的鄰域點(diǎn)集進(jìn)行精簡(jiǎn)，連接配對(duì)點(diǎn)、 對(duì)連線與刀軌截平面求交獲取刀軌截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)；4)基于刀軌截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)處微分幾何性質(zhì)計(jì)算該刀軌截面數(shù)據(jù)點(diǎn)的法矢；5)根據(jù)刀軌截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)及其法矢、空間投影獲取該刀軌截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的刀位點(diǎn)；6)采用最小生成樹法對(duì)散亂刀位點(diǎn)集進(jìn)行排序，獲得有序刀位 點(diǎn)集生成刀軌；7)基于三角網(wǎng)格曲面模型對(duì)生成刀軌進(jìn)行切削建模，檢測(cè)刀軌生成精度，并 基于檢測(cè)結(jié)果修正刀軌生成參數(shù)，最終獲取合乎精度要求的五坐標(biāo)NC刀軌。為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，所述的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的五坐標(biāo)NC刀軌快速生成方法，在步驟l)中，將散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的索引結(jié)點(diǎn)MBR表示為四維點(diǎn)對(duì)象(u,v)，其中jc,y, z為MBR中心坐標(biāo)，r為MBR外接球半徑值，采用k-means算法對(duì)散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分簇，建立散亂點(diǎn)云數(shù) 據(jù)的空間聚類索引結(jié)構(gòu)，具體是①任意選取A:個(gè)結(jié)點(diǎn)MBR中心作為索引結(jié)點(diǎn)的初始分簇 中心；②將每個(gè)非分簇中心索引結(jié)點(diǎn)選擇距其MBR中心最近的分簇進(jìn)行插入，將分裂結(jié)果 規(guī)范化為四維點(diǎn)對(duì)象；③對(duì)于同簇結(jié)點(diǎn)中的W個(gè)索引結(jié)點(diǎn)，其四維標(biāo)準(zhǔn)化坐標(biāo)為AO^，^。，(/二l,…,N)，將以n為權(quán)因子計(jì)算所得的結(jié)點(diǎn)重心作為新分簇中心，用新分簇中心代替原分簇中心；④將新分簇中心和上一次分簇中心進(jìn)行比較，如果相同則結(jié)束分簇， 否則査看分簇次數(shù)是否超過最大分簇次數(shù)，如果超過最大分簇次數(shù)，則結(jié)束，否則返回步驟 ②，繼續(xù)分簇。為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，所述的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的五坐標(biāo)NC刀軌快速生成方法，在步驟2)中， 通過刀軌截平面與散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)云空間索引結(jié)構(gòu)各層結(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系，逐層?xùn)苏遗c刀軌截平面 距離小于設(shè)定鄰域閾值s的各層索引結(jié)點(diǎn)，最終獲取與刀軌截平面距離小于設(shè)定鄰域閾值f 的刀軌截平面鄰域點(diǎn)集，并依據(jù)刀軌截平面鄰域點(diǎn)集與截平面的位置關(guān)系，將刀軌平面鄰域 點(diǎn)集劃分為位于刀軌截平面法矢正向的正鄰域點(diǎn)集、位于刀軌截面上的截面點(diǎn)集、位于刀 軌平面法矢反向的負(fù)鄰域點(diǎn)集；在正鄰域點(diǎn)集內(nèi)查找負(fù)鄰域點(diǎn)集內(nèi)逐點(diǎn)的最近點(diǎn)，刪除未査 找到的正鄰域點(diǎn)，在負(fù)鄰域點(diǎn)集內(nèi)査找正鄰域點(diǎn)集內(nèi)各點(diǎn)的最近點(diǎn)，并與之連線；依次求解 正負(fù)鄰域內(nèi)點(diǎn)連線與刀軌截平面的交點(diǎn)，并接受交點(diǎn)將其作為刀軌截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，所述的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的五坐標(biāo)NC刀軌快速生成方法，在步驟5)中， 以刀軌截平面當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)及該數(shù)據(jù)點(diǎn)局部微切平面法矢確定的軸線為刀軸，査詢距離刀軸小 于刀具半徑的點(diǎn)集，采用空間投影法計(jì)算該數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的刀位點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，所述的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的五坐標(biāo)NC刀軌快速生成方法，在步驟7)中， 以點(diǎn)表、面表的形式建立工件毛胚三角網(wǎng)格曲面模型，依據(jù)五坐標(biāo)切削原理采用插補(bǔ)的方式 更改點(diǎn)表中點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)三角網(wǎng)格曲面模型的"切削"，獲取工件的三角網(wǎng)格曲面模型，計(jì) 算原始散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)與工件三角網(wǎng)格曲面模型之間的偏差，檢測(cè)生成刀軌的精度。其工作原理為該方法可準(zhǔn)確快速獲取刀軌截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)，依據(jù)刀軌截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)處的微分幾何性質(zhì)獲取該數(shù)據(jù)點(diǎn)的法向矢量，用空間投影法獲取該數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的無干涉刀位點(diǎn)， 將刀位點(diǎn)集經(jīng)最小生成樹排序后生成刀軌，基于散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)、依據(jù)五坐標(biāo)切削原理對(duì)生成 的刀軌進(jìn)行切削驗(yàn)證，通過反復(fù)調(diào)整切削參數(shù)最終獲取合理的刀軌文件。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)(1) 依據(jù)配對(duì)的方式精簡(jiǎn)、獲取刀軌截平面數(shù)據(jù)，所獲取數(shù)據(jù)能較為真實(shí)的反應(yīng)原始模 型的截平面信息，可提高刀軌生成精度；(2) 利用空間投影法直接獲取無干涉刀位點(diǎn)，避免了刀位干涉檢查，提高刀軌生成效率;(3) 依據(jù)三角網(wǎng)格模型及五坐標(biāo)切削原理建立切削模型，檢測(cè)刀軌的精度，保證了刀軌 的正確性。


圖1是本發(fā)明程序流程圖；圖2是本發(fā)明所建立的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間聚類索引結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明空間聚類索引結(jié)構(gòu)索引結(jié)點(diǎn)規(guī)范化表示； 圖4是本發(fā)明k-means算法分簇實(shí)現(xiàn)流程圖；圖5 圖9是本發(fā)明實(shí)施案例中人面點(diǎn)云模型的空間聚類索引結(jié)構(gòu)各層索引結(jié)點(diǎn)MBR模型圖；圖10是本發(fā)明數(shù)控加工刀軌計(jì)算流程圖；圖11 圖14是本發(fā)明刀軌截平面鄰域點(diǎn)集獲取過程示意圖；圖15是本發(fā)明刀軌截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)的獲取示意圖；圖16是本發(fā)明空間投影法示意圖；圖17是本發(fā)明中最小生成樹排序算法實(shí)現(xiàn)流程圖；圖18是本發(fā)明對(duì)人面點(diǎn)云模型進(jìn)行數(shù)控加工刀軌生成獲取的刀軌圖；圖19是本發(fā)明對(duì)人面點(diǎn)云模型進(jìn)行數(shù)控加工刀軌生成獲取刀位點(diǎn)及其法矢的局部放大圖；圖20是本發(fā)明中刀軌精度檢測(cè)流程圖；圖21是本發(fā)明所建立的簡(jiǎn)單切削毛胚的三角網(wǎng)格模型；圖22是本發(fā)明五坐標(biāo)切削單段刀軌插補(bǔ)程序流程圖；圖23是本發(fā)明對(duì)單段刀軌的刀位點(diǎn)及其法矢的插補(bǔ)示意圖；圖24是本發(fā)明的五坐標(biāo)切削原理示意圖；圖25是本發(fā)明對(duì)人面點(diǎn)云模型數(shù)控加工刀軌切削仿真后工件模型效果；圖26是本發(fā)明對(duì)人面點(diǎn)云模型生成刀軌的精度檢測(cè)結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
采用C語言實(shí)現(xiàn)散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的五坐標(biāo)NC刀軌的生成，如圖1所示，是本發(fā)明基于散 亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速生成五坐標(biāo)NC刀軌程序的實(shí)現(xiàn)流程圖。數(shù)據(jù)輸入程序1負(fù)責(zé)讀入散亂點(diǎn)云 數(shù)據(jù)文件，并為其創(chuàng)建線性鏈表存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，以支持散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)線性順序遍歷。散亂點(diǎn)云數(shù) 據(jù)空間聚類索引結(jié)構(gòu)構(gòu)建程序2采用嵌套的三維矩形對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)空間聚類劃分，為 數(shù)據(jù)輸入程序1所生成的數(shù)據(jù)線性鏈表建立上層R*-tree空間聚類索引結(jié)構(gòu)。散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)數(shù) 控加工刀軌計(jì)算程序3通過深度優(yōu)先遍歷散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間聚類索引結(jié)構(gòu)，.快速獲取刀軌 截平面鄰域點(diǎn)集，配對(duì)精簡(jiǎn)后獲取刀軌截平面點(diǎn)集，依據(jù)截面數(shù)據(jù)點(diǎn)處微分幾何性質(zhì)確定截 面點(diǎn)的法矢，空間投影后獲取刀位點(diǎn)，采用最小生成樹對(duì)刀位點(diǎn)集排序生成刀軌。
如圖2所示，是本發(fā)明散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間聚類索引結(jié)構(gòu)構(gòu)建程序2建立的散亂點(diǎn)云空間 聚類索引結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)示意圖。散亂數(shù)據(jù)空間聚類索引結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為索引層和數(shù)據(jù)層， 索引層由I^-tree內(nèi)部結(jié)點(diǎn)、葉結(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)構(gòu)成；數(shù)據(jù)層為數(shù)據(jù)鏈表，其結(jié)點(diǎn)具有訪問上 級(jí)索引層的能力。索引層結(jié)點(diǎn)分為索引結(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)，索引結(jié)點(diǎn)的子結(jié)點(diǎn)仍然是索引層結(jié) 點(diǎn)，數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)只有指向具體空間數(shù)據(jù)對(duì)象的指針。索引結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體中的type標(biāo)識(shí)用于判斷該 結(jié)點(diǎn)是內(nèi)部結(jié)點(diǎn)還是葉結(jié)點(diǎn)，type等于0表示該結(jié)點(diǎn)為內(nèi)部結(jié)點(diǎn)，type等于1表示該結(jié)點(diǎn)為 葉結(jié)點(diǎn)。內(nèi)部結(jié)點(diǎn)的子結(jié)點(diǎn)仍然是索引結(jié)點(diǎn)，葉結(jié)點(diǎn)的子結(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)可 以指向具體數(shù)據(jù)對(duì)象。對(duì)于散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的存取，如圖3所示將索引結(jié)點(diǎn)MBR統(tǒng)一表示為
四維點(diǎn)對(duì)象(x,乂z,。，其中x,y, z為MBR中心坐標(biāo)，r為MBR外接球半徑值。對(duì)于散亂點(diǎn)
云數(shù)據(jù)空間聚類索引結(jié)構(gòu)各層結(jié)點(diǎn)的子結(jié)點(diǎn)數(shù)的上限M和下限m，以及結(jié)點(diǎn)重新插入數(shù)目及
的取值，均由用戶根據(jù)散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的規(guī)模自行設(shè)置，通常取m二MX4(E,且l2m2^^，
i =MX30%。采用k-means算法進(jìn)行散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間聚類分簇的實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示將 索引結(jié)點(diǎn)中心距離最遠(yuǎn)的一對(duì)結(jié)點(diǎn)MBR的中心作為初始分簇中心，將數(shù)據(jù)對(duì)象添加到距分 簇中心最近的分簇中，更新各分簇中心，并與原來的分簇中心進(jìn)行比較，若分簇中心相同或 分簇次數(shù)超過最大分簇次數(shù)則結(jié)束分簇，否則繼續(xù)分簇。
如圖5 9所示，是本發(fā)明調(diào)用散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間聚類索引結(jié)構(gòu)構(gòu)建程序2對(duì)人面點(diǎn)云模 型所建立的空間聚類索引結(jié)構(gòu)各層結(jié)點(diǎn)MBR模型圖。試驗(yàn)所用散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)數(shù)量為14 325， 所采用的索引參數(shù)附=8、 M=20，重新插入結(jié)點(diǎn)數(shù)及=6，散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間聚類索引結(jié)構(gòu)構(gòu)建 時(shí)間約為O. 215364秒。其中，圖5顯示了人面點(diǎn)云模型，圖6顯示了空間聚類索引結(jié)構(gòu)根結(jié) 點(diǎn)MBR，圖7顯示了第二層結(jié)點(diǎn)MBR，圖8顯示了葉結(jié)點(diǎn)MBR，圖9顯示了數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)MBR。該實(shí)驗(yàn)表明，采用空間聚類索引結(jié)構(gòu)可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間聚類劃分。
如圖IO所示，是本發(fā)明數(shù)控加工刀軌計(jì)算程序3實(shí)現(xiàn)流程圖。散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)數(shù)控加工刀 軌計(jì)算程序3在散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)五坐標(biāo)NC刀軌計(jì)算過程中，以當(dāng)前讀取的刀軌截平面為目標(biāo)刀 軌截平面，依次調(diào)用刀軌截平面鄰域點(diǎn)集獲取程序5、刀軌截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)集獲取程序6、刀軌 截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)法矢計(jì)算程序7、空間投影程序8及刀位點(diǎn)排序程序9，最后得到散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù) 五坐標(biāo)NC刀軌。
刀軌截平面鄰域點(diǎn)集獲取程序5的實(shí)現(xiàn)過程設(shè)刀軌截面的單位法矢為《， q為刀軌截 面上任意點(diǎn)，索引結(jié)點(diǎn)的中心為c，索引結(jié)點(diǎn)的外接圓半徑為r，定義公式、=|《-c|. -r為
索引結(jié)點(diǎn)與刀軌截面距離，如圖11 13依據(jù)"與截面鄰域閾值S的大小關(guān)系逐層?xùn)苏遗c刀軌 截面相交的各層索引結(jié)點(diǎn)，最終獲取與刀軌截面距離小于S的葉結(jié)點(diǎn)，遍歷所獲取葉結(jié)點(diǎn)內(nèi) 的數(shù)據(jù)點(diǎn)，如圖14將與刀軌截面距離小于S的數(shù)據(jù)點(diǎn)集作為該刀軌截面鄰域點(diǎn)集。
刀軌截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)集獲取程序6的實(shí)現(xiàn)過程如圖15所示，依據(jù)刀軌截面鄰域數(shù)據(jù)點(diǎn)與 刀軌截面的位置關(guān)系，將其分為三部分位于刀軌截面上的截面點(diǎn)；位于刀軌截面法矢方向 側(cè)的正鄰域點(diǎn)；位于刀軌截面法矢方向反側(cè)的負(fù)鄰域點(diǎn)。在負(fù)鄰域內(nèi)依次査詢正鄰域數(shù)據(jù)點(diǎn) 的近鄰點(diǎn)，刪除其他點(diǎn)；在正鄰域內(nèi)依次查詢負(fù)鄰域內(nèi)點(diǎn)的近鄰點(diǎn)并與之配對(duì)，刪除正鄰域 內(nèi)的其他點(diǎn)。由于邊界點(diǎn)能夠保持點(diǎn)云邊界幾何特性，故應(yīng)該保留刀軌截面鄰域點(diǎn)集中的邊 界點(diǎn)，并單獨(dú)配對(duì)。除位于截面上的點(diǎn)外，在正負(fù)鄰域配對(duì)點(diǎn)之間構(gòu)造與刀軌截面相交的直
線，求解直線與刀軌截面的交點(diǎn)獲取截面數(shù)據(jù)點(diǎn)。
刀軌截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)法矢計(jì)算程序7的實(shí)現(xiàn)過程?hào)嗽儺?dāng)前截面數(shù)據(jù)點(diǎn)的A近鄰點(diǎn)集，與 截面數(shù)據(jù)點(diǎn)一起建立微切平面，微切平面的法矢即為該截面數(shù)據(jù)點(diǎn)的法矢。
空間投影程序8的實(shí)現(xiàn)過程以截面數(shù)據(jù)點(diǎn)及其法矢決定的軸線為刀軸，利用散亂點(diǎn)云 數(shù)據(jù)的空間聚類索引結(jié)構(gòu)快速獲取相距刀軸小于刀具半徑的點(diǎn)集，依次以截面數(shù)據(jù)點(diǎn)及點(diǎn)集 中點(diǎn)為刀觸點(diǎn)，如圖16所示計(jì)算刀位點(diǎn)將平刀、圓角刀、球刀統(tǒng)一為圓角刀處理，半徑為
及的圓角刀，圓角半徑為r，刀軸Z的單位法矢為"，/為刀觸點(diǎn)/7到Z的距離，點(diǎn)p'為p在
Z上的投影，則刀位點(diǎn)p,由公式= // + V, _ (/ -及+ 。2 . w得到，接受刀軸法矢上的最高刀
位點(diǎn)為該驅(qū)動(dòng)點(diǎn)處的刀位點(diǎn)。
刀位點(diǎn)排序程序9的實(shí)現(xiàn)流程如圖17所示設(shè)集合r為刀位點(diǎn)集的集合，集合C/存放r 的最小生成樹的頂點(diǎn)，集合r存放F最小生成樹的邊，各點(diǎn)之間的距離作為各條邊的權(quán)值， 初始化集合^/ = {^}(假設(shè)構(gòu)造最小生成樹時(shí)，從交點(diǎn)^出發(fā))和集合r初值為空，從"et/，veF-t/的邊(M， v)中，選取具有最小權(quán)值的邊，將頂點(diǎn)v加入到集合f/中，將邊(w， v) 加入到集合r中，判斷c/和r是否相等，若相等則最小生成樹構(gòu)造完畢，否則繼續(xù)創(chuàng)建最小 生成樹。最小生成樹所有邊的頂點(diǎn)依次輸出就是排序后的有序刀位點(diǎn)集。每行有序刀位點(diǎn)集 經(jīng)后置處理生成NC加工代碼，可實(shí)現(xiàn)散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的五坐標(biāo)數(shù)控加工。
圖18是精度為O.lmm時(shí)采用本文算法獲取的五坐標(biāo)加工刀位軌跡，刀軌生成時(shí)間為 4.638714，圖19是圖18中加工刀位及其法矢的局部放大圖。
如圖20所示，是本發(fā)明刀軌精度檢測(cè)程序4實(shí)現(xiàn)流程圖。刀軌精度檢測(cè)程序以三角網(wǎng)格 模型為切削模型，調(diào)用程序10依據(jù)具體精度要求建立毛胚的三角網(wǎng)格模型，并儲(chǔ)存為點(diǎn)表、 面表的形式；調(diào)用空間聚類索引結(jié)構(gòu)構(gòu)建程序2為點(diǎn)表建立空間聚類索引結(jié)構(gòu)；調(diào)用五坐標(biāo) 模擬切削程序11更改點(diǎn)表中點(diǎn)的位置，結(jié)合程序10中的邊表和面表得到切削仿真后的工件 模型；調(diào)用點(diǎn)到工件三角網(wǎng)格模型距離的計(jì)算程序12計(jì)算點(diǎn)云到工件模型之間的偏差，調(diào) 用數(shù)據(jù)顯示程序13顯示精度檢測(cè)結(jié)果。
毛胚三角網(wǎng)格模型讀入或生成程序10的實(shí)現(xiàn)過程五坐標(biāo)切削中網(wǎng)格模型的底面不在加
工范圍之內(nèi)，可不予生成，對(duì)于復(fù)雜毛胚可由其它圖形軟件生成，簡(jiǎn)單的方形毛胚和半球形
毛胚可輸入?yún)?shù)由程序自動(dòng)生成，如圖21為指定長(zhǎng)、寬、高及曲面精度后生成的方形三角網(wǎng)
格毛胚模型。
五坐標(biāo)模擬切削程序11的流程如圖22所示以單段刀軌為處理對(duì)象，在刀軌段的兩端 之間依據(jù)精度要求對(duì)刀位點(diǎn)及其法矢進(jìn)行插補(bǔ)，單段軌跡插補(bǔ)效果如圖23所示，以插補(bǔ)所得 的刀位點(diǎn)及其法矢作為刀具瞬時(shí)位置姿態(tài)，査詢刀具所包含的三角網(wǎng)格模型中的網(wǎng)格頂點(diǎn)， 更改頂點(diǎn)坐標(biāo)至頂點(diǎn)在刀具底端的投影處，如圖24所示為球刀在其瞬時(shí)位置姿態(tài)下對(duì)定點(diǎn)的 切削模擬效果。
點(diǎn)到工件三角網(wǎng)格模型距離的計(jì)算程序12的實(shí)現(xiàn)過程以原始點(diǎn)云中的點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)査詢
與其近鄰的三角面片，計(jì)算點(diǎn)到其近鄰三角面片的距離，取最小值為該點(diǎn)到三角網(wǎng)格曲面的 距離。
數(shù)據(jù)顯示程序13的實(shí)現(xiàn)過程借助于VTK顯示及原始點(diǎn)云到三角網(wǎng)格曲面切削模型偏差 的顏色顯示，圖25是刀軌生成精度為0. 01時(shí)三角網(wǎng)格曲面切削模型的顯示效果，圖26是點(diǎn) 云到三角網(wǎng)格曲面切削模型偏差的顏色顯示效果。
權(quán)利要求
1、一種散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的五坐標(biāo)NC刀軌快速生成方法，其特征在于步驟依次為1)基于R*-tree建立散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間聚類索引結(jié)構(gòu)；2)深度優(yōu)先遍歷散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間聚類索引結(jié)構(gòu)，獲取刀軌截平面的鄰域點(diǎn)集；3)以配對(duì)方式對(duì)獲取的鄰域點(diǎn)集進(jìn)行精簡(jiǎn)，連接配對(duì)點(diǎn)、對(duì)連線與刀軌截平面求交獲取刀軌截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)；4)基于刀軌截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)處微分幾何性質(zhì)計(jì)算該刀軌截面數(shù)據(jù)點(diǎn)的法矢；5)根據(jù)刀軌截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)及其法矢、空間投影獲取該刀軌截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的刀位點(diǎn)；6)采用最小生成樹法對(duì)散亂刀位點(diǎn)集進(jìn)行排序，獲得有序刀位點(diǎn)集生成刀軌；7)基于三角網(wǎng)格曲面模型對(duì)生成刀軌進(jìn)行切削建模，檢測(cè)刀軌生成精度，并基于檢測(cè)結(jié)果修正刀軌生成參數(shù)，最終獲取合乎精度要求的五坐標(biāo)NC刀軌。
2、 如權(quán)利要求1所述的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的五坐標(biāo)NC刀軌快速生成方法，其特征在于步驟l)中將散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的索引結(jié)點(diǎn)MBR表示為四維點(diǎn)對(duì)象G，乂z,。，其中x,少，z為MBR中心坐標(biāo)，r為MBR外接球半徑值，采用k-means算法對(duì)散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分簇，建立 散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間聚類索引結(jié)構(gòu)，具體是①任意選取it個(gè)結(jié)點(diǎn)MBR中心作為索引結(jié)點(diǎn) 的初始分簇中心；②將每個(gè)非分簇中心索引結(jié)點(diǎn)選擇距其MBR中心最近的分簇進(jìn)行插入， 將分裂結(jié)果規(guī)范化為四維點(diǎn)對(duì)象；③對(duì)于同簇結(jié)點(diǎn)中的W個(gè)索引結(jié)點(diǎn)，其四維標(biāo)準(zhǔn)化坐標(biāo)為 AOc^^^Kz'-l,...^)，將以r,為權(quán)因子計(jì)算所得的結(jié)點(diǎn)重心作為新分簇中心，用新分簇中心代替原分簇中心；④將新分簇中心和上一次分簇中心進(jìn)行比較，如果相同則結(jié)束分簇， 否則查看分簇次數(shù)是否超過最大分簇次數(shù)，如果超過最大分簇次數(shù)，則結(jié)束，否則返回步驟 ②，繼續(xù)分簇。
3、 如權(quán)利要求1所述的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的五坐標(biāo)NC刀軌快速生成方法，其特征在于步 驟2)中，通過刀軌截平面與散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)云空間索引結(jié)構(gòu)各層結(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系，逐層查找與刀 軌截平面距離小于設(shè)定鄰域閾值e的各層索引結(jié)點(diǎn)，最終獲取與刀軌截平面距離小于設(shè)定鄰 域閾值f的刀軌截平面鄰域點(diǎn)集，并依據(jù)刀軌截平面鄰域點(diǎn)集與截平面的位置關(guān)系，將刀軌 平面鄰域點(diǎn)集劃分為位于刀軌截平面法矢正向的正鄰域點(diǎn)集、位于刀軌截面上的截面點(diǎn)集、 位于刀軌平面法矢反向的負(fù)鄰域點(diǎn)集；在正鄰域點(diǎn)集內(nèi)查找負(fù)鄰域點(diǎn)集內(nèi)逐點(diǎn)的最近點(diǎn)，刪 除未査找到的正鄰域點(diǎn)，在負(fù)鄰域點(diǎn)集內(nèi)査找正鄰域點(diǎn)集內(nèi)各點(diǎn)的最近點(diǎn)，并與之連線；依 次求解正負(fù)鄰域內(nèi)點(diǎn)連線與刀軌截平面的交點(diǎn)，并接受交點(diǎn)將其作為刀軌截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)。
4、 如權(quán)利要求1所述的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的五坐標(biāo)NC刀軌快速生成方法，其特征在于步 驟5)中，以刀軌截平面當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)及該數(shù)據(jù)點(diǎn)局部微切平面法矢確定的軸線為刀軸，査詢距離刀軸小于刀具半徑的點(diǎn)集，采用空間投影法計(jì)算該數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的刀位點(diǎn)。
5、如權(quán)利要求1所述的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的五坐標(biāo)NC刀軌快速生成方法，其特征在于步驟7)中，以點(diǎn)表、面表的形式建立工件毛胚三角網(wǎng)格曲面模型，依據(jù)五坐標(biāo)切削原理采用插補(bǔ)的方式更改點(diǎn)表中點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)三角網(wǎng)格曲面模型的"切削"，獲取工件的三角網(wǎng)格曲面 模型，計(jì)算原始散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)與工件三角網(wǎng)格曲面模型之間的偏差，檢測(cè)生成刀軌的精度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的五坐標(biāo)NC刀軌快速生成方法，其特征在于首先建立散亂點(diǎn)云的空間聚類索引結(jié)構(gòu)，然后基于該結(jié)構(gòu)快速獲取刀軌截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)集，并根據(jù)截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)局部微分幾何性質(zhì)確定該截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)的法矢，以空間投影法計(jì)算該截平面數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的刀位點(diǎn)，采用最小生成樹算法對(duì)刀位點(diǎn)集排序生成刀軌，基于三角網(wǎng)格曲面模型對(duì)生成刀軌進(jìn)行切削建模，檢測(cè)刀軌生成精度，并基于檢測(cè)結(jié)果修正刀軌生成參數(shù)，最終獲取合乎精度要求的五坐標(biāo)NC刀軌。實(shí)例證明該方法能快速高效獲取散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)五坐標(biāo)NC刀軌，并能準(zhǔn)確檢測(cè)所獲取的刀軌精度，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面產(chǎn)品的快速仿行制造。
文檔編號(hào)G05B19/4097GK101403907SQ20081015974
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月12日
發(fā)明者健 劉, 孫殿柱, 崔傳輝, 朱昌志 申請(qǐng)人:山東理工大學(xué)