專利名稱：三角網(wǎng)格曲面模型高精度數(shù)控加工刀軌快速生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種三角網(wǎng)格曲面模型高精度數(shù)控加工刀軌快速生成方法，屬于計(jì)算機(jī)輔助 制造領(lǐng)域。
技術(shù)背景基于三角網(wǎng)格曲面模型可實(shí)現(xiàn)基于產(chǎn)品外形采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)云的曲面模型快速精確重構(gòu)，目 前這種方法已在產(chǎn)品逆向工程領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。對(duì)逆向工程系統(tǒng)輸出的三角網(wǎng)格曲面模型 直接生成數(shù)控加工刀軌，可有效縮短復(fù)雜外形產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本，但由于三角網(wǎng) 格曲面模型是對(duì)原始模型的線性逼近，存在模型精度損失問題，其數(shù)控加工刀軌求解精度與 效率是制約逆向工程與現(xiàn)行CAM技術(shù)無縫集成的關(guān)鍵問題。對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，王蔚空等在學(xué)術(shù)期刊《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造》1999， 6， P38-54上發(fā)表的論文"基于曲面三角形網(wǎng)格模型的數(shù)控編程技術(shù)"，遍歷查找三角網(wǎng)格曲面 模型中與數(shù)控加工刀軌截面相交的三角面片，通過計(jì)算三角面片與數(shù)控加工刀軌截面的交點(diǎn) 獲取刀觸點(diǎn)，根據(jù)刀觸點(diǎn)生成刀位軌跡。該方法對(duì)數(shù)據(jù)量少且曲率變化小的三角網(wǎng)格曲面模 型比較實(shí)用，但對(duì)于由海量三角面片組成的復(fù)雜三角網(wǎng)格曲面模型，存在著三角網(wǎng)格處理效 率低，求交速度慢等問題。另外，由于三角網(wǎng)格曲面模型是對(duì)原始模型的線性逼近，該方法 是基于三角網(wǎng)格曲面模型直接生成刀位軌跡，生成的刀位軌跡不能有效反映原始模型的型面 特征，且精度低。肖堯先等在學(xué)術(shù)期刊《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)》2001， 13(7)， P631-635上發(fā)表的 論文"基于三角B6zier曲面的粗加工數(shù)控編程"，采用三角B6zier曲面插值三角網(wǎng)格曲面模 型提高數(shù)控加工刀軌生成精度，將三角B&ier曲面與數(shù)控加工刀軌截面求交獲取刀位軌跡， 該方法生成的數(shù)控加工刀軌精度高，但三角Bfeier曲面插值運(yùn)算量大，曲面與數(shù)控加工刀軌 截面求交過程復(fù)雜，算法運(yùn)行速度慢。孫玉文等在學(xué)術(shù)期刊《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2002， 38(10)， P50-54上發(fā)表的論文"基于三角網(wǎng) 格曲面模型的刀位軌跡計(jì)算方法"，通過創(chuàng)建三角面片鄰接表，查找三角面片鄰接表中與數(shù)控 加工刀軌截面相交的三角面片，根據(jù)網(wǎng)格頂點(diǎn)法向矢量插值邊界曲線與數(shù)控加工刀軌截面的交點(diǎn)計(jì)算刀位數(shù)據(jù)，該方法在一定程度上提高了刀軌精度，但其三角面片鄰接鏈表的建立及 維護(hù)過程過于繁瑣，鏈表中存在大量的面片冗余信息，嚴(yán)重影響三角網(wǎng)格曲面模型與數(shù)控加 工刀軌截面的求交速度。另外，由于邊界曲線插值過程復(fù)雜，當(dāng)?shù)盾壗孛孢^密時(shí)，導(dǎo)致網(wǎng)格 邊界重復(fù)插值，刀軌生成效率低。綜上所述，現(xiàn)有的針對(duì)三角網(wǎng)格曲面模型的數(shù)控加工刀軌生成方法存在三角網(wǎng)格曲面模 型與數(shù)控加工刀軌截面求交速度慢，缺乏統(tǒng)一的構(gòu)建三角網(wǎng)格曲面模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效的數(shù) 據(jù)結(jié)構(gòu)，算法運(yùn)行效率低等問題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種三角網(wǎng)格曲面模型高精度數(shù)控加工刀軌快速生成方法，以有 效縮短復(fù)雜外形產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本。其技術(shù)方案為三角網(wǎng)格曲面模型高精度數(shù)控加工刀軌快速生成方法，其特征在于步驟依次為1)從三角網(wǎng)格曲面模型三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件讀入網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)器中，并為三角網(wǎng)格 數(shù)據(jù)建立線性鏈表存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，基于改進(jìn)的R、tree建立三角網(wǎng)格模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)2) 采用三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)的范圍査詢算法快速獲取三角網(wǎng)格曲面模型中共網(wǎng) 格頂點(diǎn)的三角面片集，以該三角面片集作為網(wǎng)格頂點(diǎn)的局部型面參考數(shù)據(jù)，獲取該局部型面 參考數(shù)據(jù)中三角面片的個(gè)數(shù)，計(jì)算其中每個(gè)三角面片的法向矢量和面積，求解網(wǎng)格頂點(diǎn)的法 向矢量，為三角網(wǎng)格曲面模型精度補(bǔ)償及刀位數(shù)據(jù)求解提供局部型面幾何特征參數(shù)；3)三角 網(wǎng)格曲面模型與數(shù)控加工刀軌截面求交，獲取三角網(wǎng)格曲面模型中與數(shù)控加工刀軌截面相交 的三角面片；4)根據(jù)三角面片與數(shù)控加工刀軌截面的位置關(guān)系計(jì)算刀觸點(diǎn)，并根據(jù)殘留高度 和刀具半徑計(jì)算刀軌行距，在加工方向上按照刀軌行距逐次調(diào)整數(shù)控加工刀軌截面獲取所有 的刀觸點(diǎn)集；5)計(jì)算刀觸點(diǎn)處的曲面法向矢量，將刀觸點(diǎn)沿曲面法向矢量偏置刀具半徑獲取 刀位點(diǎn)，通過對(duì)單刀散亂刀位點(diǎn)集進(jìn)行排序，獲取單刀數(shù)控加工刀軌，連接所有單刀數(shù)控加 工刀軌得到三角網(wǎng)格曲面數(shù)控加工刀軌。為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，所述的三角網(wǎng)格曲面模型高精度數(shù)控加工刀軌快速生成方法，在步驟1) 中，改進(jìn)R*-tree動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)的方法具體是將三角面片及索引結(jié)點(diǎn)MBR(MinimumBoundingRectangle)統(tǒng)一表示為四維點(diǎn)對(duì)象(x，:v，z,d,其中x，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)三角面片集合進(jìn)行空間聚類分簇，構(gòu)建三角網(wǎng)格曲面模 型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，所述的三角網(wǎng)格曲面模型高精度數(shù)控加工刀軌快速生成方法,在步驟1)中，采用k-means算法實(shí)現(xiàn)三角面片集合的空間聚類分簇的步驟具體是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A(JC^^,。) (—1，…W，將以。為權(quán)因子計(jì)算所得結(jié)點(diǎn)重心作為新分簇中心，用新分簇中心代替原來的分簇中心；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。為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，所述的三角網(wǎng)格曲面模型高精度數(shù)控加工刀軌快速生成方法，在步驟3) 中，獲取三角網(wǎng)格曲面模型中與數(shù)控加工刀軌截面相交的三角面片的方法具體是首先查詢 三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)中根結(jié)點(diǎn)MBR與數(shù)控加工刀軌截面的位置關(guān)系，若其 與數(shù)控加工刀軌截面相交，逐個(gè)査詢根結(jié)點(diǎn)中各個(gè)子結(jié)點(diǎn)MBR與數(shù)控加工刀軌截面的位置 關(guān)系，獲取與數(shù)控加工刀軌截面相交的子結(jié)點(diǎn)；然后分別査詢各個(gè)相交結(jié)點(diǎn)中與數(shù)控加工刀 軌截面相交的子結(jié)點(diǎn)；最后，獲取與數(shù)控加工刀軌截面相交的三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索 引結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)的三角面片即為三角網(wǎng)格曲面模型中與數(shù)控加工刀軌截 面相交的三角面片。為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，所述的三角網(wǎng)格曲面模型高精度數(shù)控加工刀軌快速生成方法，在步驟4) 中，根據(jù)三角面片與數(shù)控加工刀軌截面的位置關(guān)系計(jì)算刀觸點(diǎn)的步驟具體是①若三角面片 的三個(gè)頂點(diǎn)全部位于數(shù)控加工刀軌截面的上部或者全部位于數(shù)控加工刀軌截面的下部，則該 三角面片與數(shù)控加工刀軌截面無刀觸點(diǎn)；②若三角面片的三個(gè)頂點(diǎn)全部位于數(shù)控加工刀軌截 面的內(nèi)部，則取指向三角網(wǎng)格曲面模型外側(cè)且沿?cái)?shù)控加工刀軌截面方向上，到三角網(wǎng)格曲面 模型距離最遠(yuǎn)的一個(gè)或者兩個(gè)三角面片頂點(diǎn)作為刀觸點(diǎn)；③若三角面片的三個(gè)頂點(diǎn)中， 一'個(gè) 頂點(diǎn)位于數(shù)控加工刀軌截面的一側(cè)，其它兩個(gè)頂點(diǎn)位于數(shù)控加工刀軌截面的另一側(cè)，采用構(gòu) 建網(wǎng)格邊界曲線法求解刀觸點(diǎn)； 若三角面片的三個(gè)頂點(diǎn)中，只有一個(gè)頂點(diǎn)位于數(shù)控加工刀 軌截面內(nèi)部，其它兩個(gè)頂點(diǎn)位于數(shù)控加工刀軌截面同側(cè)，則將該頂點(diǎn)作為刀觸點(diǎn)；⑤若三角 面片的三個(gè)頂點(diǎn)中，只有一個(gè)頂點(diǎn)位于數(shù)控加工刀軌截面內(nèi)部，其它兩個(gè)頂點(diǎn)位于數(shù)控加工 刀軌截面兩側(cè)，則將位于數(shù)控加工刀軌截面上的頂點(diǎn)作為刀觸點(diǎn)，將位于數(shù)控加工刀軌截面 兩側(cè)的頂點(diǎn)相連組成網(wǎng)格邊，釆用步驟③中構(gòu)建網(wǎng)格邊界曲線法求解刀觸點(diǎn)；◎若三角面片 的三個(gè)頂點(diǎn)中，兩個(gè)頂點(diǎn)位于數(shù)控加工刀軌截面內(nèi)部，則將這兩個(gè)頂點(diǎn)作為刀觸點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，所述的三角網(wǎng)格曲面模型高精度數(shù)控加工刀軌快速生成方法，在步驟4)中的刀觸點(diǎn)求解過程③中，構(gòu)建網(wǎng)格邊界曲線法求解刀觸點(diǎn)的方法具體是查找端點(diǎn)位于數(shù) 控加工刀軌截面的兩側(cè)的網(wǎng)格邊，過網(wǎng)格邊的兩端點(diǎn)分別作三角網(wǎng)格曲面局部型面的微切平 面，當(dāng)兩微切平面共面時(shí)，數(shù)控加工刀軌截面與網(wǎng)格邊的交點(diǎn)即為刀觸點(diǎn)，否則計(jì)算網(wǎng)格邊 在兩微切平面上投影線的交點(diǎn)，構(gòu)造以交點(diǎn)和網(wǎng)格邊兩端點(diǎn)為控制點(diǎn)的拋物線逼近網(wǎng)格邊生 成網(wǎng)格邊界曲線，將網(wǎng)格邊界曲線與數(shù)控加工刀軌截面的交點(diǎn)作為刀觸點(diǎn)。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1) 基于改進(jìn)的R^tree組織三角網(wǎng)格曲面模型中三角面片的拓?fù)浣応P(guān)系，建立三角網(wǎng) 格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)，提高了三角網(wǎng)格曲面模型高精度數(shù)控加工刀軌快速生成方法 對(duì)于各類三角網(wǎng)格曲面模型的自適應(yīng)性；2) 深度優(yōu)先遍歷三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)可快速獲取三角網(wǎng)格曲面模型中與數(shù)控加工刀軌截面相交的三角面片，能夠根據(jù)三角面片與數(shù)控加工刀軌截面的位置關(guān)系準(zhǔn)確計(jì)算刀觸點(diǎn)，有效提高了數(shù)控加工刀軌生成效率；3) 采用網(wǎng)格邊界曲線對(duì)三角網(wǎng)格曲面模型進(jìn)行精度補(bǔ)償，在有效提高數(shù)控加工刀軌求解 效率的同時(shí)，保證了數(shù)控加工刀軌的生成精度。


圖l是本發(fā)明程序流程圖；圖2是本發(fā)明所建立的三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明動(dòng)態(tài)空間索引結(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)明對(duì)某工件模型所建立的動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)各層結(jié)點(diǎn)MBR模型圖； 圖10是本發(fā)明獲取包含某網(wǎng)格頂點(diǎn)的三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)示意圖；圖11是本發(fā)明提取圖10所示數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)中三角面片，獲取以該網(wǎng)格頂點(diǎn)為公共頂點(diǎn)的三 角面片示意圖；圖12是本發(fā)明根據(jù)三角面片法向矢量和面積計(jì)算網(wǎng)格頂點(diǎn)法向矢量示意圖；圖13是本發(fā)明某工件三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)第一層結(jié)點(diǎn)，以及該層中與數(shù)控加工刀軌截面相交的子結(jié)點(diǎn)示意圖；圖14是本發(fā)明某工件三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)中間層結(jié)點(diǎn)，以及該層中與數(shù)控加工刀軌截面相交的子結(jié)點(diǎn)示意圖；圖15是本發(fā)明某工件三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)葉結(jié)點(diǎn)，以及該層中與數(shù)控加 工刀軌截面相交的數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)示意圖；圖16是本發(fā)明構(gòu)建網(wǎng)格邊界曲線計(jì)算刀觸點(diǎn)示意圖；圖17是本發(fā)明實(shí)施例1引擎蓋的三角網(wǎng)格曲面模型；圖18是本發(fā)明實(shí)施例1基于引擎蓋模型的高精度數(shù)控加工刀軌效果圖；圖19是本發(fā)明實(shí)施例2某地貌的三角網(wǎng)格曲面模型；圖20是本發(fā)明實(shí)施例2基于某地貌模型的高精度數(shù)控加工刀軌效果圖。
具體實(shí)施方式
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)三角網(wǎng)格曲面模型高精度數(shù)控加工刀軌的快速生成，本發(fā)明三角網(wǎng)格曲 面模型的高精度數(shù)控加工刀軌的程序?qū)崿F(xiàn)流程圖如附圖1所示。三角網(wǎng)格曲面模型數(shù)據(jù)輸入 程序1負(fù)責(zé)讀入三角網(wǎng)格曲面模型數(shù)據(jù)文件，并為其創(chuàng)建線性鏈表存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，以支持三角網(wǎng) 格數(shù)據(jù)線性順序遍歷。三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(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)線性鏈表建立改進(jìn)的 R、tree動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)。三角網(wǎng)格曲面模型的網(wǎng)格頂點(diǎn)法向矢量計(jì)算程序3采用三角網(wǎng)格 曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)范圍査詢算法快速獲取共網(wǎng)格頂點(diǎn)的三角面片集，以該三角面片 集作為網(wǎng)格頂點(diǎn)的局部型面參考數(shù)據(jù)，基于該局部型面參考數(shù)據(jù)求解網(wǎng)格頂點(diǎn)的法向矢量， 獲取網(wǎng)格頂點(diǎn)的法向矢量數(shù)據(jù)，為三角網(wǎng)格曲面模型精度補(bǔ)償及刀位數(shù)據(jù)求解提供局部型面 幾何特征參數(shù)。三角網(wǎng)格曲面模型與刀軌截面的求交程序4査詢?nèi)蔷W(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間 索引結(jié)構(gòu)中根結(jié)點(diǎn)MBR與數(shù)控加工刀軌截面的位置關(guān)系，逐層查詢各子結(jié)點(diǎn)MBR與數(shù)控加 工刀軌截面的位置關(guān)系，獲取與數(shù)控加工刀軌截面相交的三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié) 構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)的三角面片即為三角網(wǎng)格曲面模型與數(shù)控加工刀軌截面相交 的三角面片，提取相交的三角面片得到相交面片數(shù)據(jù)集。數(shù)控加工刀位點(diǎn)求解程序5根據(jù)三 角面片與數(shù)控加工刀軌截面的位置關(guān)系計(jì)算刀觸點(diǎn)，根據(jù)殘留高度和刀具半徑計(jì)算數(shù)控加工 刀軌行距，在加工方向上按照刀軌行距逐次調(diào)整數(shù)控加工刀軌截面，直至整個(gè)工件加工完成， 獲取三角網(wǎng)格曲面模型數(shù)控加工的算亂刀觸點(diǎn)集，將刀觸點(diǎn)沿曲面法向矢量偏置刀具半徑獲 取刀位點(diǎn)。數(shù)控加工刀軌的生成程序6對(duì)單刀刀位點(diǎn)集進(jìn)行排序，獲取單刀數(shù)控加工刀軌， 連接所有單刀數(shù)控加工刀軌得到三角網(wǎng)格曲面模型數(shù)控加工刀軌。如圖2所示，是本發(fā)明三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)構(gòu)建程序2建立的三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)示意圖。三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(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O表示該結(jié)點(diǎn)為內(nèi)部結(jié)點(diǎn)，type等于 1表示該節(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)于三角網(wǎng)格曲面模型的存取，如圖3所示將三角網(wǎng) 格曲面模型中三角面片及索引節(jié)點(diǎn)MBR統(tǒng)一表示為四維點(diǎn)對(duì)象(;c,乂z,0，其中Jc，j;，z為MBR中心坐標(biāo)，r為MBR外接球半徑值。對(duì)于三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(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)三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)的規(guī)模自行設(shè)置，通常取m-MX400/。，且lSm^^^， i =MX30%。采用k-means算法進(jìn)行2三角面片集合的空間聚類分簇的實(shí)現(xiàn)流程如附圖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 圖9所示，是本發(fā)明某工件三角網(wǎng)格曲面模型所建立的動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)各層結(jié) 點(diǎn)MBR模型圖。試驗(yàn)所用三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)數(shù)量為3 468，所采用的索引參數(shù)附=8、 M=20，重 新插入結(jié)點(diǎn)數(shù)及=6，三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建時(shí)間約為0.057224秒。 其中圖5顯示了某工件三角網(wǎng)格曲面模型，圖6顯示了動(dòng)態(tài)空間索引結(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， 采用三維動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)三角網(wǎng)格曲面模型的空間聚類劃分。如圖10所示，是本發(fā)明調(diào)用三角網(wǎng)格曲面模型網(wǎng)格頂點(diǎn)法向矢量計(jì)算程序3，采用三角 網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)范圍査詢算法快速定位包含某網(wǎng)格頂點(diǎn)的三角網(wǎng)格曲面模型 動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)示意圖。提取這些數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)中三角面片獲取以某網(wǎng)格頂點(diǎn)為公共 頂點(diǎn)的三角面片集合如圖11所示。如圖12所示，是本發(fā)明調(diào)用三角網(wǎng)格曲面模型網(wǎng)格頂點(diǎn)法向矢量計(jì)算程序3，根據(jù)三角 面片法向矢量和面積計(jì)算網(wǎng)格頂點(diǎn)法向矢量示意圖。設(shè)以網(wǎng)格頂點(diǎn)尸o為公共頂點(diǎn)的三角面片的個(gè)數(shù)為附，各面片的法向矢量為 ，面積為&,其中(l^A^/n)。根據(jù)公式"="4^求》*解Po處的法向矢量"。調(diào)用三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)與刀軌截面求交程序4獲取三角網(wǎng)格曲面模型 與數(shù)控加工刀軌截面相交的三角面片數(shù)據(jù)。如圖13 圖15所示，是本發(fā)明逐層遍歷三角網(wǎng) 格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)獲取與刀軌截面相交各層結(jié)點(diǎn)MBR示意圖。根據(jù)加工條件確 定初始的數(shù)控加工刀軌截面，三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)各層結(jié)點(diǎn)MBR與數(shù)控加 工刀軌截面具有相離、相切和相交三種位置關(guān)系，逐層遍歷三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引 結(jié)構(gòu)快速獲取與數(shù)控加工刀軌截面相交的數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)。如圖13所示，是本發(fā)明三角網(wǎng)格曲面模 型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)第一層結(jié)點(diǎn)，以及該層中與數(shù)控加工刀軌截面相交的子結(jié)點(diǎn)示意圖，其 中細(xì)框代表當(dāng)前層結(jié)點(diǎn)MBR，粗框代表當(dāng)前層中與數(shù)控加工刀軌截面相交子結(jié)點(diǎn)MBR。圖 14所示，是本發(fā)明三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)中間層結(jié)點(diǎn)，以及該層中與數(shù)控加工 刀軌截面相交的子結(jié)點(diǎn)示意圖。圖15所示，是本發(fā)明三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)葉 結(jié)點(diǎn)，以及該層中與數(shù)控加工刀軌截面相交的數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)示意圖。數(shù)控加工刀位點(diǎn)求解程序5基于獲取的數(shù)控加工刀軌截面相交的三角面片，根據(jù)三角面 片與數(shù)控加工刀軌截面的位置關(guān)系計(jì)算刀觸點(diǎn)，并將刀觸點(diǎn)沿曲面法向矢量偏置刀具半徑獲 取刀位點(diǎn)。如圖16所示，是構(gòu)建網(wǎng)格邊界曲線計(jì)算刀觸點(diǎn)示意圖，其中邊尸o^為與數(shù)控加工刀軌截面相交的三角網(wǎng)格曲面模型網(wǎng)格邊，網(wǎng)格頂點(diǎn)尸o、尸！出法向矢量為"。、作過尸o法向矢量為"。的三角網(wǎng)格曲面模型的微切平面，過iV法向矢量為",的三角網(wǎng)格曲面模型的微切平面，/y^在兩微切平面上投影線的交點(diǎn)為尸，根據(jù)公式C(")^7-z^尸。+2"(7-"尸+M^，所表示的拋物線方程逼近網(wǎng)格邊尸o^得到網(wǎng)格邊界曲線。由于共享同一頂點(diǎn)的網(wǎng)格邊界曲線 具有相同的切平面約束，可保證網(wǎng)格邊界曲線1階連續(xù)，將網(wǎng)格邊界曲線與數(shù)控加工刀軌截 面的交點(diǎn)作為網(wǎng)格邊尸oPi處的刀觸點(diǎn)。計(jì)算刀觸點(diǎn)處的曲面法向矢量，由于復(fù)雜曲面模型數(shù)控加工時(shí)一般采用球頭銑刀，所以 將刀觸點(diǎn)沿曲面法向矢量偏置刀具半徑獲取刀位點(diǎn)。設(shè)工件加工殘留高度為// = 0.01附附，刀具半徑為r-2mw，根據(jù)公式/) = 2^/(2卜計(jì)算數(shù)控加工刀軌行距i)，在加工方向上按照刀軌行距逐次調(diào)整數(shù)控加工刀軌截面獲取所有的刀位點(diǎn)集。調(diào)用數(shù)控加工刀軌的生成程序6對(duì)單刀散亂刀位點(diǎn)集進(jìn)行排序，獲取單刀數(shù)控加工刀軌， 通過連接所有單刀數(shù)控加工刀軌得到三角網(wǎng)格曲面模型數(shù)控加工刀軌。設(shè)鏈表『存儲(chǔ)每刀刀位點(diǎn)，集合r為鏈表中所有點(diǎn)，集合i/存放f的最小生成樹的頂點(diǎn)，集合r存放f的最小生 成樹的邊，將各點(diǎn)之間的距離作為各條邊的權(quán)值，單刀散亂刀位點(diǎn)集排序具體步驟如下:①將每刀刀位點(diǎn)存儲(chǔ)到『中；②令集合C/的初值為^7-^1 (從交點(diǎn)w,開始創(chuàng)建最小生成樹)， 集合T初值為空；從所有"et/， v-F-f/的邊中，選取具有最小取值的邊(",v)，將頂點(diǎn)v加入到集合f/中，將 ,v)加入到集合r中；③若tz-r，完成最小生成樹的創(chuàng)建，執(zhí)行 ，否則執(zhí)行②； 依次輸出集合T中最小生成樹邊的頂點(diǎn)，即為有序刀位點(diǎn)集。 其它復(fù)雜三角網(wǎng)格曲面模型的高精度數(shù)控加工刀軌生成方法同上。
權(quán)利要求
1、一種三角網(wǎng)格曲面模型高精度數(shù)控加工刀軌快速生成方法，其特征在于步驟依次為1)從三角網(wǎng)格曲面模型三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件讀入網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)器中，并為三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)建立線性鏈表存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，基于改進(jìn)的R*-tree建立三角網(wǎng)格模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)；2)采用三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)的范圍查詢算法快速獲取三角網(wǎng)格曲面模型中共網(wǎng)格頂點(diǎn)的三角面片集，以該三角面片集作為網(wǎng)格頂點(diǎn)的局部型面參考數(shù)據(jù)，獲取該局部型面參考數(shù)據(jù)中三角面片的個(gè)數(shù)，計(jì)算其中每個(gè)三角面片的法向矢量和面積，求解網(wǎng)格頂點(diǎn)的法向矢量，為三角網(wǎng)格曲面模型精度補(bǔ)償及刀位數(shù)據(jù)求解提供局部型面幾何特征參數(shù)；3)三角網(wǎng)格曲面模型與數(shù)控加工刀軌截面求交，獲取三角網(wǎng)格曲面模型中與數(shù)控加工刀軌截面相交的三角面片；4)根據(jù)三角面片與數(shù)控加工刀軌截面的位置關(guān)系計(jì)算刀觸點(diǎn)，并根據(jù)殘留高度和刀具半徑計(jì)算刀軌行距，在加工方向上按照刀軌行距逐次調(diào)整數(shù)控加工刀軌截面獲取所有的刀觸點(diǎn)集；5)計(jì)算刀觸點(diǎn)處的曲面法向矢量，將刀觸點(diǎn)沿曲面法向矢量偏置刀具半徑獲取刀位點(diǎn)，通過對(duì)單刀散亂刀位點(diǎn)集進(jìn)行排序，獲取單刀數(shù)控加工刀軌，連接所有單刀數(shù)控加工刀軌得到三角網(wǎng)格曲面數(shù)控加工刀軌。
2、 如權(quán)利要求l所述的三角網(wǎng)格曲面模型高精度數(shù)控加工刀軌快速生成方法，其特征在 于步驟l)中，改進(jìn)R^tree動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)的方法具體是將三角面片及索引結(jié)點(diǎn)MBR統(tǒng)一表示為四維點(diǎn)對(duì)象(U,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)三角面片集合進(jìn)行空間聚類分簇，構(gòu)建三角網(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引 結(jié)構(gòu)。
3、 如權(quán)利要求2所述的三角網(wǎng)格曲面模型高精度數(shù)控加工刀軌快速生成方法，其特征在 于步驟l)中，采用k-means算法實(shí)現(xiàn)三角面片集合的空間聚類分簇的步驟具體是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; ,(1,,少,,^。) (/=1,...局，將以r,為權(quán)因子計(jì)算所得結(jié)點(diǎn)重心作為新分簇中心，用新分簇中心代替原來的分簇中心；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。
4、 如權(quán)利要求l所述的三角網(wǎng)格曲面模型高精度數(shù)控加工刀軌快速生成方法，其特征在 于步驟3)中，獲取三角網(wǎng)格曲面模型中與數(shù)控加工刀軌截面相交的三角面片的方法具體是首先査詢?nèi)蔷W(wǎng)格曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)中根結(jié)點(diǎn)MBR與數(shù)控加工刀軌截面的位 置關(guān)系，若其與數(shù)控加工刀軌截面相交，逐個(gè)查詢根結(jié)點(diǎn)中各個(gè)子結(jié)點(diǎn)MBR與數(shù)控加工刀軌截面的位置關(guān)系，獲取與數(shù)控加工刀軌截面相交的子結(jié)點(diǎn)；然后分別査詢各個(gè)相交結(jié)點(diǎn)中 與數(shù)控加工刀軌截面相交的子結(jié)點(diǎn)；最后，獲取與數(shù)控加工刀軌截面相交的三角網(wǎng)格曲面模 型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)的三角面片即為三角網(wǎng)格曲面模型中與數(shù) 控加工刀軌截面相交的三角面片。
5、 如權(quán)利要求1所述的三角網(wǎng)格曲面模型高精度數(shù)控加工刀軌快速生成方法，其特征在 于步驟4)中，根據(jù)三角面片與數(shù)控加工刀軌截面的位置關(guān)系計(jì)算刀觸點(diǎn)的步驟具體是 ①若三角面片的三個(gè)頂點(diǎn)全部位于數(shù)控加工刀軌截面的上部或者全部位于數(shù)控加工刀軌截 面的下部，則該三角面片與數(shù)控加工刀軌截面無刀觸點(diǎn)；②若三角面片的三個(gè)頂點(diǎn)全部位于 數(shù)控加工刀軌截面的內(nèi)部，則取指向三角網(wǎng)格曲面模型外側(cè)且沿?cái)?shù)控加工刀軌截面方向上， 到三角網(wǎng)格曲面模型距離最遠(yuǎn)的一個(gè)或者兩個(gè)三角面片頂點(diǎn)作為刀觸點(diǎn)；③若三角面片的三 個(gè)頂點(diǎn)中， 一個(gè)頂點(diǎn)位于數(shù)控加工刀軌截面的一側(cè)，其它兩個(gè)頂點(diǎn)位于數(shù)控加工刀軌截面的 另一側(cè)，采用構(gòu)建網(wǎng)格邊界曲線法求解刀觸點(diǎn)；④若三角面片的三個(gè)頂點(diǎn)中，只有一個(gè)頂點(diǎn) 位于數(shù)控加工刀軌截面內(nèi)部，其它兩個(gè)頂點(diǎn)位于數(shù)控加工刀軌截面同側(cè)，則將該頂點(diǎn)作為刀 觸點(diǎn)；⑤若三角面片的三個(gè)頂點(diǎn)中，只有一個(gè)頂點(diǎn)位于數(shù)控加工刀軌截面內(nèi)部，其它兩個(gè)頂 點(diǎn)位于數(shù)控加工刀軌截面兩側(cè)，則將位于數(shù)控加工刀軌截面上的頂點(diǎn)作為刀觸點(diǎn)，將位于數(shù) 控加工刀軌截面兩側(cè)的頂點(diǎn)相連組成網(wǎng)格邊，采用步驟③中構(gòu)建網(wǎng)格邊界曲線法求解刀觸點(diǎn)； ◎若三角面片的三個(gè)頂點(diǎn)中，兩個(gè)頂點(diǎn)位于數(shù)控加工刀軌截面內(nèi)部，則將這兩個(gè)頂點(diǎn)作為刀^4點(diǎn)。
6、 如權(quán)利要求5所述的三角網(wǎng)格曲面模型高精度數(shù)控加工刀軌快速生成方法，其特征在 于在步驟4)中的刀觸點(diǎn)求解過程③中，構(gòu)建網(wǎng)格邊界曲線法求解刀觸點(diǎn)的方法具體是 査找端點(diǎn)位于數(shù)控加工刀軌截面的兩側(cè)的網(wǎng)格邊，過網(wǎng)格邊的兩端點(diǎn)分別作三角網(wǎng)格曲面局 部型面的微切平面，當(dāng)兩微切平面共面時(shí)，數(shù)控加工刀軌截面與網(wǎng)格邊的交點(diǎn)即為刀觸點(diǎn)， 否則計(jì)算網(wǎng)格邊在兩微切平面上投影線的交點(diǎn)，構(gòu)造以交點(diǎn)和網(wǎng)格邊兩端點(diǎn)為控制點(diǎn)的拋物 線逼近網(wǎng)格邊生成網(wǎng)格邊界曲線，將網(wǎng)格邊界曲線與數(shù)控加工刀軌截面的交點(diǎn)作為刀觸點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種三角網(wǎng)格曲面模型高精度數(shù)控加工刀軌快速生成方法，其特征在于首先構(gòu)建三角網(wǎng)格曲面模型的動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)，然后基于該結(jié)構(gòu)快速獲取三角網(wǎng)格曲面模型的局部型面參考數(shù)據(jù)，并分析三角網(wǎng)格曲面模型的局部型面微分幾何性質(zhì)，深度優(yōu)先遍歷三角曲面模型動(dòng)態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)獲取三角網(wǎng)格曲面模型中與數(shù)控加工刀軌截面相交的三角面片，通過相交三角面片與數(shù)控加工刀軌截面求交獲取刀觸點(diǎn)，將刀觸點(diǎn)沿法向矢量偏置刀具半徑確定刀位點(diǎn)，對(duì)散亂刀位點(diǎn)優(yōu)化排序生成數(shù)控加工刀軌，實(shí)例證明該算法數(shù)據(jù)適應(yīng)性強(qiáng)，生成數(shù)控加工刀軌精度高，算法運(yùn)行速度快。
文檔編號(hào)G05B19/4097GK101403908SQ20081015974
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)明者孫殿柱, 李延瑞, 李心成, 田中朝 申請(qǐng)人:山東理工大學(xué)