CN108595829A - 基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法 - Google Patents

基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法，包括步骤：解析输入的五轴增材加工轨迹文件，获取刀位点信息；根据获取的刀位点信息建立弓形柱体增长模型，该弓形柱体增长模型由两部分组成：弓形柱体及其两端的部分球体；根据获取的刀位点信息对相邻刀位点进行线性插值，计算相邻插值点之间的增材扫掠体；将增材扫掠体转换为Tri‑dexel模型；结合材料的质量守恒定律，对Tri‑dexel模型进行布尔求和运算，得到累积Tri‑dexel仿真模型；通过三角面片显示Tri‑dexel模型。本发明可在遵循质量守恒定律的条件下，实现增材制造几何仿真，生成更接近实际加工的仿真模型，且生成的增材成形模型能够作为毛坯进行减材加工。

Description

基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，更具体地，涉及一种基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法。
背景技术
增材制造技术是指基于离散-堆积原理，通过计算机辅助制造(CAM)软件与数控***将专用的材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。现在主要增材技术有熔融沉积型(FDM)、直接金属激光烧结(DMLS)、激光工程化净成形(LENS)、激光选择性烧结(SLS)、立体光刻(SLA)。
在发展较早的减材制造方面，成熟的CAM软件如NX、CATIA提供复杂五轴轨迹仿真功能，模拟加工中材料去除过程，并能检测轨迹加工缺陷如过切、欠切，针对检测出的缺陷进行轨迹优化，提高加工质量。在增材制造方面，目前的仿真技术尚不成熟，针对增材加工仿真的CAM软件也尚不完善，难以准确地模拟加工过程中材料逐渐增加的过程。
在增材过程仿真方面，已有的研究使用Dexel和Tri-dexel模型显示增材仿真成形效果。Dexel模型指在单个方向上对模型进行分解，以Z轴方向为例，在X-Y平面等间距并且平行于Z轴的单向射线群，将仿真模型在X-Y平面均匀离散，得到Z轴方向的Dexel模型。Tri-dexel模型则是沿X、Y、Z三个轴向将仿真模型分解，通过对相邻的Dexel射线所包围的相同属性的小体素进行合并，将Tri-dexel模型转化为用体素表示的单向Dexel模型，再提取三角面片进行显示。此方法实现了平面三轴快速原型过程仿真，但还未能解决五轴增材轨迹仿真中出现的问题。
申请号为201710158757.7的中国专利公开了一种基于微观长方体增长模型的五轴增材过程仿真方法。该发明建立并优化微观长方体增长模型，分解五轴增材加工轨迹，计算增材扫掠体，转化增材扫掠体为Tri-dexel模型并对累积模型求和，再通过三角面片显示增材成形模型，实现五轴增材过程仿真。但该方法存在下列三个问题：(1)实际增材加工的单熔覆道轨迹截面更类似于圆的一部分，与长方体模型的矩形截面存在一些差异；(2)在材料累积过程中，仿真模型与实际熔覆道形貌的误差不断累积，使得仿真效果对于实际加工的参考价值降低；(3)在累积仿真过程中未考虑加工材料的质量守恒。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于弓形柱体的五轴增材仿真方法，其能够优化仿真模型，简化计算过程，在材料质量守恒的情况下实现对实际加工的仿真。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法，包括以下步骤：
步骤(1)：解析输入的五轴增材加工轨迹文件，获取刀位点信息；
步骤(2)：根据获取的刀位点信息建立弓形柱体增长模型，该弓形柱体增长模型由两部分组成：弓形柱体及其两端的部分球体；
步骤(3)：根据获取的刀位点信息对相邻刀位点进行线性插值，计算相邻插值点之间的增材扫掠体；
步骤(4)：将增材扫掠体转换为Tri-dexel模型；
步骤(5)：结合材料的质量守恒定律，对Tri-dexel模型进行布尔求和运算，得到累积Tri-dexel仿真模型；
步骤(6)：通过三角面片显示步骤(5)中的Tri-dexel模型。
接上述技术方案，步骤(1)具体为：在CAM软件中，解析输入的五轴增材加工轨迹文件，获取激光加工工具的光斑直径D、仿真轨迹单熔覆道的层厚H，提取加工轨迹的刀位点序列P1，P2，…，Pn，n为刀位点的个数，以及相应刀位点处的刀轴矢量。
接上述技术方案，步骤(2)具体为：弓形柱体的底面宽W为光斑直径D，弓形柱体的底面长为两插值点之间的距离L，弓形柱体的高度为解析的仿真轨迹单熔覆道的层厚H；
对于两端的部分球体，球心与弓形柱体端面所在圆心重合，球半径为弓形柱体截面所在圆半径R，球面与弓形柱体的柱面相切，底面与弓形柱体的底面共面。
接上述技术方案，步骤(3)具体为：对步骤(1)中获取的刀位点和刀轴矢量进行线性插值，得到相邻刀位点之间的插值点序列I1，I2，…，It，t为插值点的个数，以及相应插值点处的刀轴矢量。结合已获取参数，计算步骤(2)中各项参数的实际值，得到增长模型的实际增材扫掠体。
接上述技术方案，步骤(4)具体为：根据插值点处的刀轴矢量和刀具运动方向，建立局部坐标系，计算增材扫掠体的最小包容盒，根据包容盒在加工坐标系中的投影范围规划扫描线，计算局部坐标系与加工坐标系的转换关系；在局部坐标系中，根据包容盒将扫掠体沿X、Y、Z三个方向离散，扫掠体分解为上圆柱面、下平面、开始和终止球面，与X、Y、Z三个方向上的扫描线求交，获得增材扫掠体的Tri-dexel模型。
接上述技术方案，步骤(5)具体为：根据步骤(4)中获得的Tri-dexel仿真模型，结合材料的质量守恒定律，对Tri-dexel模型进行四种不同情况的布尔求和运算，得到累积Tri-dexel仿真模型。
接上述技术方案，步骤(6)具体为：根据步骤(5)中获得的Tri-dexel累积仿真模型，将其转化为Voxel模型，再使用Marching Cube算法提取三角面片模型，通过三角面片显示增材仿真成形模型。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，包括可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序具体执行上述的基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法。
本发明产生的有益效果是：本发明建立的弓形柱体增长仿真模型与实际加工更加接近，能更好地反映实际加工中熔覆道的形貌特点；本发明考虑了材料累积过程中的质量守恒，通过累积的Tri-dexel仿真模型，减少了仿真误差累积，提高了仿真模型对实际加工的参考价值。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法的流程图。
图2(a)是本发明建立的弓形柱体模型截面示意图。
图2(b)是本发明建立的弓形柱体模型示意图。
图3是本发明相邻增材扫掠体的连接示意图。
图4是本发明建立的局部坐标系示意图。
图5是本发明增材扫掠体的累积求和示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了能够提高仿真过程中的计算效率，优化增材仿真显示效果，提高仿真效果的参考价值，本发明提供了一种基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法，如图1所示，仿真方法包括：解析输入的增材仿真轨迹文件，获取刀位点与刀轴矢量；建立弓形柱体增长模型；对相邻刀位点根据时间进行线性插值，获取相邻插值点之间的材料累积增长模型，即增材扫掠体；对相邻插值点之间的增材扫掠体进行三向Dexel分解，获得增材扫掠体的Tri-dexel模型；根据材料的质量守恒，对相邻Tri-dexel模型进行求和，得到累积的Tri-dexel仿真模型；使用Voxel模型及Marching Cube算法，将增材仿真模型用三角面片进行显示。
实施例一
本实施例提供一种基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法。所述方法包括以下步骤：
步骤(1)：获取CAM软件中的增材加工轨迹，解析增材轨迹文件，获取刀位点信息。
本步骤中，解析输入的五轴增材加工轨迹文件，获取激光加工工具的光斑直径D、仿真轨迹单熔覆道的层厚H，提取加工轨迹的刀位点序列P1，P2，…，Pn，n为刀位点的个数，以及相应刀位点处的刀轴矢量。
步骤(2)：根据增材加工成形过程，建立弓形柱体增长模型。
本步骤中，建立弓形柱体增长模型。步骤(1)中获取的激光光斑直径D即为模型的底面宽W，解析的层厚H为模型的高，弓形柱体模型截面如图2(a)所示。相邻插值点之间的距离L为模型底面长，R为弓形柱体截面所在圆的半径，弓形柱体模型如图2(b)所示。
步骤(3)：对步骤(1)中获取的刀位点和刀轴矢量进行线性插值，得到相邻刀位点之间的插值点序列I1，I2，…，It，t为插值点的个数，以及相应插值点处的刀轴矢量。结合已获取参数，计算步骤(2)中各项参数的实际值，得到增长模型的实际增材扫掠体。
本步骤中，对步骤(1)中获取的刀位点和刀轴矢量进行线性插值，从而将相邻刀位点之间的增材轨迹离散成由插值点构成的许多小线段。相邻插值点之间的间距即为步骤(2)中模型底面长L，计算得到步骤(2)中弓形柱体半径R。结合插值点处的刀轴矢量与刀具的运动方向，计算相邻插值点之间的增材扫掠体。如图3所示为同一条轨迹上相邻两个增材扫掠体连接的示意图。
步骤(4)：将增材扫掠体转换为Tri-dexel模型。
在本步骤中，如图4所示，根据插值点处的刀轴矢量建立局部坐标系，计算增材扫掠体的最小长方体包容盒，建立将增材扫掠体转换成模型转换Tri-dexel仿真模型的扫描线，再用这些扫描线与增材扫掠体求交。
上述过程在专利201710158757.7中已详细展开，在此不再赘述。
本发明中，对于扫描线与增材扫掠体求交过程，包括三个方面：
增材扫掠体模型表面由规则曲面组成，分为上圆柱面、下平面、开始和终止球面。可将扫描线与模型求交转化为扫描线分别与平面、圆柱面、球面求交。
(a)对于扫描线与平面相交，设交点为P(x,y,z)，在平面上已知三点P1(x1,y1,z1)，P2(x2,y2,z2)，P3(x3,y3,z3)，可建立平面方程：
P＝P1+a(P2-P1)+b(P3-P1)
沿z方向的扫描线，通过平面方程可以确定系数a、b，之后可以计算出z值，对于x，y方向采用相同的计算的方法，计算得到对应的x，y值。
(b)对于扫描线与圆柱面求交，首先判断扫描线与圆柱面轴线的距离d，当d小于R时扫描线与圆柱面才有交点。圆柱面的中心点为O(x0,y0,z0)，
母线方向即为增材仿真运动方向v(i,j,k)，准线Lr的方程为：
准线Lr上任取一点P1(x1,y1,z1)，过P1的母线方程为：
通过公式(4-1)消去参数后得柱面方程为：
其中a＝i2+j2+k2。
在与扫描线求交过程中，以X方向的射线Ls(xm,yl,zn)为例，s,m,l,n均为非负整数，其中的yl,zn是已知的，首先判断Ls与圆柱面的中轴线的距离，判断Ls与柱面是否有交点，若有交点则将其带入到柱面方程中，解得xm的值。同理可以求得Z方向与Y方向扫描线与柱面的交点。
(c)对于扫描线与球面求交，首先判断扫描线与球面有无交点。球半径为R，球心O(x0,y0,z0),若点O到扫描线的距离d大于R时无交点。扫描线L的方向向量为(m,n,p)，参数方程为：
点(x1,y1,z1)是扫描线上已知的一点，t为参数方程参数。
设点O(x0,y0,z0)到扫描线L的垂点坐标为(xc,yc,zc)，垂点在扫描线上则有：
由公式(4-2)变形得：
并且有垂线方向向量(x0-xc,y0-yc,z0-zc)与扫描线的方向向量(m,n,p)的数量积为0，得到：
m*(x0-xc)+n*(y0-yc)+P*(z0-zc)＝0 (4-4)
由公式(4-3)和(4-4)得：
t＝[m*(x0-x1)+n*((y0-y1)+p*(z0-z1)]
则球心O到扫描线的距离为：
其中xc,yc,zc可由公式(4-2)和(4-3)消去。
球面方程为：
(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2＝r2 (4-5)
Z轴方向上扫描线起点为sz(i,j,0)，方向矢量为(0,0,1)，所求交点的坐标可以确定为Pk(i,j,zk)直接将x＝i,y＝j代入公式(4-5)求解zk得到：
X轴方向上扫描线起始点sx(0,j,k)，方向矢量为(1,0,0)，所求交点的坐标可以确定为Pi(xi,j,k)，同理得到xi：
Y轴方向上起始点为sy(i,0,k)，方向矢量为(0,1,0)，所求交点的坐标可以确定为Pj(i,yj,k)，同理得到yj：
对于每一小段的扫掠体，扫描线只会穿过一次，即每条扫描线与扫掠体最多有两个交点。扫描线分别与上述扫掠体的几个部分求交后，可以获得一系列交点，根据扫描线方向的不同，分别比较这些交点的x,y,z方向的最大值和最小值，获得交点对，构成材料堆积区间，进而三向的Tri-dexel模型。
步骤(5)：计算累积的Tri-dexel仿真模型。
在本步骤中，根据步骤(4)求交后获得的三个方向的dexel线段，与已堆积部分进行布尔运算。已堆积部分简称为DM，新增加的dexel部分简称DS。根据扫掠体在XY，YZ，ZX三个平面的投影对应的坐标点可以确定DS的位置和相应需要更新的DM。
在实际增材加工过程中，新增加的材料会出现在原材料的上方或两侧(材料沿重力方向堆积)，当前考虑材料的求和过程中，对于新增材料没有承载面时，暂不考虑材料向下脱离与流动。
考虑材料守恒，如图5所示，为不同轨迹上增长模型在同一位置的累积示意图。dexel布尔求和运算分以下情况：
图中mup、mlow分别表示已堆积材料的上下边界，Sup、Slow分别表示新增材料的上下边界。
(a)工件在坐标点处沿扫描线方向不存在dexel线段，工件的dexel链表为空，此时将扫掠体在该处的dexel区间添加到dexel中；
(b)Sup>mup>Slow>mlow，此时扫掠体在沿dexel方向上端进行材料堆积，重叠区域Δs＝mup-Slow，材料在dexel方向向上增长，工件的dexel区间由[mlow,mup]更新为[mlow,Sup+Δs]；
(c)Sup>Slow>mup>mlow，扫掠体在已堆积材料的dexel方向上端堆积材料，未与堆积的材料发生重叠，新增加的dexel高度为Δs＝Sup-Slow,将DM区间更新为[mlow,mup+Δs]；
(d)mup＝Sup，mlow＝Slow，存在搭接率情况下，同一区域材料会累加，新堆积的材料在已堆积的dexel上端，更新DM为[mlow,2mup]。
步骤(6)：通过三角面片显示步骤(5)中的Tri-dexel模型。
在本步骤中，首先检查插值点是否计算完，若未计算完，重复步骤(3)中的计算增材扫掠体，若插值点计算完，再检查刀位点是否都计算完，未计算完则重复步骤(3)及后续步骤，若刀位点也计算完，将步骤(5)中计算得到的最终增材成形模型的Tri-dexel模型，转换为Voxel模型，再使用Marching Cub算法提取模型的三角面片。使用三角面片显示增材成形模型。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，包括可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序具体执行上述实施例的基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (8)

1.一种基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：解析输入的五轴增材加工轨迹文件，获取刀位点信息；
步骤(2)：根据获取的刀位点信息建立弓形柱体增长模型，该弓形柱体增长模型由两部分组成：弓形柱体及其两端的部分球体；
步骤(3)：根据获取的刀位点信息对相邻刀位点进行线性插值，计算相邻插值点之间的增材扫掠体；
步骤(4)：将增材扫掠体转换为Tri-dexel模型；
步骤(5)：结合材料的质量守恒定律，对Tri-dexel模型进行布尔求和运算，得到累积Tri-dexel仿真模型；
步骤(6)：通过三角面片显示步骤(5)中的Tri-dexel模型。
2.根据权利要求1所述的基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法，其特征在于，步骤(1)具体在CAM软件中，解析输入的五轴增材加工轨迹文件，获取激光加工工具的光斑直径D、仿真轨迹单熔覆道的层厚H，提取加工轨迹的刀位点序列P1，P2，…，Pn，n为刀位点的个数，以及相应刀位点处的刀轴矢量。
3.根据权利要求1所述的基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法，其特征在于，弓形柱体的底面宽W为光斑直径D，弓形柱体的底面长为两插值点之间的距离L，弓形柱体的高度为解析的仿真轨迹单熔覆道的层厚H；
对于两端的部分球体，球心与弓形柱体端面所在圆心重合，球半径为弓形柱体截面所在圆半径R，球面与弓形柱体的柱面相切，底面与弓形柱体的底面共面。
4.根据权利要求2所述的基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法，其特征在于，步骤(3)具体为：对相邻刀位点进行线性插值，得到插值点序列I1，I2，…，It，t为插值点的个数，以及相应插值点处的刀轴矢量，根据已获取参数，计算得到增长模型的实际增材扫掠体。
5.根据权利要求4所述的基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法，其特征在于，步骤(4)具体为：根据插值点处的刀轴矢量和刀具运动方向，建立局部坐标系，计算增材扫掠体的最小包容盒，根据包容盒在加工坐标系中的投影范围规划扫描线，计算局部坐标系与加工坐标系的转换关系；在局部坐标系中，根据包容盒将扫掠体沿X、Y、Z三个方向离散，扫掠体分解为上圆柱面、下平面、开始和终止球面，与X、Y、Z三个方向上的扫描线求交，获得增材扫掠体的Tri-dexel模型。
6.根据权利要求1所述的基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法，其特征在于，步骤(5)具体为：根据步骤(4)中获得的Tri-dexel仿真模型，结合材料的质量守恒定律，对Tri-dexel模型进行四种不同情况的布尔求和运算，得到累积Tri-dexel仿真模型。
7.根据权利要求1所述的基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法，其特征在于，步骤(6)具体为：根据步骤(5)中获得的Tri-dexel累积仿真模型，将其转化为Voxel模型，再使用Marching Cube算法提取三角面片模型，通过三角面片显示增材仿真成形模型。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序具体执行如权利要求1-7中任一项所述的基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法。
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