[發(fā)明專利]一種面向數(shù)控加工的自由曲面的分割方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011208579.2
• 申請(qǐng)日: 2020-11-03
• 公開（公告）號(hào): CN112330679B
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 申立勇;馬鴻宇;王孟醒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T7/10
• 分類號(hào): G06T7/10
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11385
• 代理人: 王月松

本發(fā)明涉及一種面向數(shù)控加工的自由曲面的分割方法及系統(tǒng)。該方法包括：獲取面向數(shù)控加工的約束條件，并簡化所述約束條件，確定簡化后的約束條件；所述約束條件包括加工方向約束條件、可達(dá)性約束條件、曲面片數(shù)量約束條件以及邊界約束條件；根據(jù)所述簡化后的約束條件建立能量函數(shù)；構(gòu)建自由曲面的加權(quán)圖，并基于最小割理論，根據(jù)所述加權(quán)圖利用α?expansion求解所述能量函數(shù)的能量最小值，分割曲面，確定分割后的曲面片。本發(fā)明的收斂速度快，魯棒性高，能夠在保證曲面分割精度的同時(shí)，降低計(jì)算量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及數(shù)控加工領(lǐng)域，特別是涉及一種面向數(shù)控加工的自由曲面的分割方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

高精數(shù)控加工技術(shù)在復(fù)雜工件制造中占有越來越大的比重；數(shù)控加工的主要流程包含計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer?Aided?Design，CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(Computer?AidedManufacturing，CAM)、后處理過程以及機(jī)床加工。

隨著數(shù)控機(jī)床的快速發(fā)展，人們?cè)趯?shí)際數(shù)控加工對(duì)CAM的精度和效率提出了更高的要求，而刀具路徑規(guī)劃在CAM中扮演了很重要的角色，因?yàn)榈毒弑仨氀刂?guī)劃好的刀位點(diǎn)的軌跡行進(jìn)，因此，刀位點(diǎn)軌跡的優(yōu)劣在一定程度上決定了加工精度和加工效率，而在規(guī)劃刀具路徑之前，需要先配置一個(gè)刀具加工方向，此時(shí)待加工曲面上任意一點(diǎn)的外法向量與刀具加工方向的內(nèi)積必須大于0，所以在加工一個(gè)完整的復(fù)雜曲面時(shí)，由于數(shù)控機(jī)床加工空間自由度的限制，幾乎不可能僅靠一個(gè)刀具方向來加工完成，因此，需要對(duì)這個(gè)復(fù)雜曲面進(jìn)行分片處理，然后在每一片上進(jìn)行路徑規(guī)劃并加工。

隨著近幾年CAD/CAM技術(shù)的快速發(fā)展，三角網(wǎng)格模型在離散幾何建模、CNC數(shù)控加工編程、圖形和圖像等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，三角網(wǎng)格模型由于其簡單、成熟的特點(diǎn)，已成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)控加工中常用的自由曲面表示形式。因此，針對(duì)三角網(wǎng)格模型的曲面分割研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)于針對(duì)三角網(wǎng)格模型的曲面分塊的工作近幾年已有很多：例如，Luo等人在做曲面分塊時(shí)充分考慮了3D打印機(jī)的工作空間約束，并且要求分割后的面片可以完美拼接在一起不留縫隙；Julius等人將復(fù)雜曲面分割成幾乎可展開的小塊(developable?patches)，使其能夠由材料片制成，例如，用織物縫制填充玩具；同樣地，Chen等人不斷簡化一個(gè)模型，直到該模型可由幾種可以用激光切割機(jī)制作的多邊形拼接而成。但是上述這兩種方法只針對(duì)2軸生產(chǎn)設(shè)備，具有一定的局限性。

針對(duì)上述問題，McCrae等人和Hildebrand等人將形狀分解為與輸入模型相似的正交平面塊；Vanek等人為了節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間將模型分割成小塊，并且每一小塊嚴(yán)格滿足生產(chǎn)空間約束；Stava等人利用滿足誤差約束的局部變形來保證預(yù)制物體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；然而，上述這些方法主要考慮了增材制造的約束，而沒有考慮減數(shù)控加工的約束條件。

最近，Zhao等人將可達(dá)性(accessibility)的概念引入到曲面分塊中，這樣做的目的是使每一個(gè)分割好的面片避免與刀具發(fā)生碰撞，但是該方法復(fù)雜且不易實(shí)現(xiàn)，而且，該方法的理論并不完善，由于他們能量函數(shù)的雙變量項(xiàng)不是度量的，而雙變量項(xiàng)必須是度量的才能夠使每一個(gè)分割好的面片避免與刀具發(fā)生碰撞。因此，現(xiàn)有的曲面分割方法無法以非度量的雙變量項(xiàng)的能量函數(shù)以提高曲面分割精度，導(dǎo)致現(xiàn)有的曲面分割方法計(jì)算復(fù)雜且不容易實(shí)現(xiàn)，曲面分割精度低，魯棒性差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種面向數(shù)控加工的自由曲面的分割方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有的曲面分割方法計(jì)算復(fù)雜且不容易實(shí)現(xiàn)，曲面分割精度低，魯棒性差的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種面向數(shù)控加工的自由曲面的分割方法，包括：

獲取面向數(shù)控加工的約束條件，并簡化所述約束條件，確定簡化后的約束條件；所述約束條件包括加工方向約束條件、可達(dá)性約束條件、曲面片數(shù)量約束條件以及邊界約束條件；

根據(jù)所述簡化后的約束條件建立能量函數(shù)；