CN111951399B - 一种増减材制造中基于体素曲面距离场的轨迹规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于増材制造相关技术领域，并公开了一种増减材制造中基于体素曲面距离场的轨迹规划方法。该方法包括：S1对于待加工对象的底座上表面体素化，与底座上表面相交的体素形成体素曲面；S2根据待成形对象预设初始加工曲线，初始加工曲线与体素曲面相交形成初始体素曲线；S3计算体素曲面上所有体素与初始体素曲线的距离值，距离值相同且相邻的体素形成等值体素曲线；S4计算等值体素曲线上所有体素对应的当前距离值；S5选取目标体素，利用该目标体素形成等值线，该等值线即为该加工对象表面的增材或减材加工轨迹。通过本发明，实现加工轨迹的基于等值线距离场规划，规划路径准确，加工精度高。

Description

一种増减材制造中基于体素曲面距离场的轨迹规划方法
技术领域
本发明属于増材制造或减材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种増减材制造中基于体素曲面距离场的轨迹规划方法。
背景技术
等值线是计算机图形学的研究热点，其在工程分析、制造、计算领域的应用很广，如航空测量的等高线地形图、温度场中的等温线图、有限元分析过程中等效应力应变场的等值线图、增减材制造加工轨迹等。
目前，由于开发等值线软件的专业性强、难度大、周期长，目前国外的正版等值线软件价格昂贵，国内尚无专门的等值线软件；随着国内工业迅猛的发展，对等值线技术的应用日益广泛，如曲面加工领域、增材制造领域的应用，另外，等值线的应用日趋多样化、个性化；为解决上述问题，本发明提出了一种増减材制造中基于体素曲面距离场的轨迹规划方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种増减材制造中基于体素曲面距离场的轨迹规划方法，该方法通过多次利用距离场计算，以此获得单个切片层中的加工轨迹，从而获得最终的加工轨迹，实现加工轨迹的基于等值线距离场规划，规划路径准确，加工精度高。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种増减材制造中基于体素曲面距离场的轨迹规划方法，该方法包括下列步骤：
S1对于待加工对象所处的底座，将该底座上表面的曲面网格化，然后采用包围框将所述网格化曲面进行包络，将所述包围框分割为多个大小相同的立方体，每个立方体为一个体素，即获得多个体素，选取体素上的一个顶点代表该体素，即标记顶点，将获得的多个体素中与所述底座上表面相交，相交的体素形成体素曲面；
S2根据待加工对象的形态预设初始加工曲线，该初始加工曲线与所述步骤S1中获得的体素曲面相交，相交的体素形成初始体素曲线；
S3以所述初始体素曲线作为初始位置，计算体素曲面上的所有体素与所述初始体素曲线的距离值，将距离值相同的体素形成一个集合，对于一个集合中的体素，将相邻的体素相连，以此形成一条或多条距离值相同的体素曲线，即等值体素曲线；
S4对于每条等值体素曲线，在该等值曲线上选取一个体素作为初始体素，以该初始体素作为分界，将所述等值体素曲线分为两个部分，分别计算两个部分中每个体素与所述初始体素之间的距离，将其中一个部分体素与所述初始体素之间的距离值替换为该距离值的相反数，该相反数作为该体素当前距离值，以此获得所述等值体素曲线上所有体素对应的当前距离值；
S5步骤S4中每个当前距离值对应的体素中，选取与该当前距离值对应的一个体素作为目标体素，计算该目标体素上每个顶点到所述初始体素曲线的距离，在最大距离值和最小距离值对应的顶点之间进行插值，获得一个插值点，该插值点为所需的等值点，将所有目标体素的等值点连接形成等值线，该等值线即为増材制造或减材制造中一个切片层上的加工轨迹，将加工轨迹进行多次偏移，即获得所有切片层的加工轨迹，以此实现増减材制造中待加工对象的曲面轨迹规划。
进一步优选地，在S1中，所述包围框的建立是按照下列方式进行：建立空间坐标系，以该空间坐标系的三个坐标轴方向建立最小长方体，该最小长方体为所需的包围框。
进一步优选地，在步骤S3中，所述计算体素曲面上的所有体素与所述初始体素曲线的距离值采用广度优先遍历和最短路径算法进行计算。
进一步优选地，在步骤S3中，所述将将相邻的体素相连，以此形成一条或多条距离值相同的体素曲线，采用聚类算法。
进一步优选地，在步骤S5中，所述选取与该当前距离值对应的一个体素作为目标体素，当当前距离值对应的体素有多个时，计算该多个体素的标记顶点坐标的平均值，与该平均值最近的体素即为所需的目标体素。
进一步优选地，在S5中，所述计算该目标体素上每个顶点到所述初始体素曲线的距离时，需先判断每个顶点作为标记顶点时对应的体素是否在所述体素曲面上，当该顶点为标记顶点对应的体素在所述体素曲面上时，计算该顶点到所述初始体素曲线的距离，否则，舍弃该顶点。
进一步优选地，在步骤S5中，所述插值采用插值法，按照下列方式进行：
Figure BDA0002613011060000031
其中，C是插值点的坐标，A和B分别是距离最大值dmax和距离最小值dmin对应的顶点坐标，d是插值点C与所述初始体素曲线的距离。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
1.本发明采用等值线的计算基于离散六面体网格，可以生成任意形状的等值线，而随着计算机计算能力的提升，等值线的精度与计算效率可以得到保证，并且等值线的计算基于三维距离场，有效提升计算效率，同时用户可自定义三维距离场零值，从而设计等值线样式，能满足个性化需求；
2.本发明采用的基于等值线距离场的轨迹规划方法，计算效率高，能有效快速获取増材制造或减材制造的加工轨迹，成本低廉，同时获得的加工轨迹精确度高，有效指导増材制造或减材制造过程。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的増减材制造中基于体素曲面距离场的轨迹规划方法的流程图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的曲面体素化过程与初始体素曲线，其中，(a)中实线区域是待成形对象表面加工区域，(b)是待成形对象表面包围框体素化结果，(c)是待成形对象表面体素化结果，即体素曲面，(d)是体素曲面上的初始体素曲线；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的根据曲面距离场生成的等值体素曲线的示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的计算等值曲线的当前距离的示意图，其中，(a)是等值体素曲线上选取初始体素后计算初始体素一侧的体素的当前距离值，即正向遍历，(b)是初始体素另一侧体素的当前距离值，即反向遍历，(c)是等值体素曲线较粗时对应的所有体素的当前距离值，(d)是等值体素曲线是闭合时对应的所有体素的当前距离值，(e)是等值体素曲线是扁的且闭合时所有体素的当前距离值；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的三种等值线样式示意图；
图6是按照本发明的优选实施例所构建的曲面增材制造等值线轨迹示意图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种増减材制造中基于体素曲面距离场的轨迹规划方法，该方法包括下列步骤：
对于待加工对象表面加工区域的轨迹规划，按照下列步骤进行：
(a)曲面体素化
将待加工对象表面所在的包围框分割为大小相同的立方体，即体素，与曲面相交的体素构成该曲面的体素曲面，用体素的特定顶点代表该体素，使得任一体素拥有精确的坐标，称为体素坐标。用二维图形直观表示曲面体素化的过程，如图2中(a)～(d)所示。
(b)指定初始体素曲线
可指定曲面上已存在的曲线，如加工区域轮廓或指定线型的加工轨迹，作为初始加工曲线，与该曲线相交的体素构成体素曲线；也可以在计算机屏幕上通过鼠标拾取组成初始体素曲线的体素。如图2中(d)所示，指定圆盘的轮廓作为初始体素曲线。
(c)计算曲面距离场
将初始体素曲线上的体素的距离值设置为零值，曲面上的其余体素设置为无穷大值，从零值体素开始进行广度优先遍历，为曲面上所有体素计算最小距离值。最小距离值算法基于最短路径算法，对遍历的每一个体素计算其到零值体素的最短路径，将路径长度作为该体素的最小距离值。如图3所示，体素颜色渐变，表示距离场从零值到最大值的渐变过程。
(d)生成等值体素曲线
根据曲面距离场生成等值体素曲线。一条等值体素曲线为跨越相同距离值的体素的集合，如图3所示，用相同颜色表示一条等值体素曲线。在距离值为d的等值曲线上的一个体素，其顶点A与B为8顶点中距离值最大与最小的顶点，距离值分别为dmax与dmin，满足dmin＜d＜dmax，称该体素跨越距离值d。
(e)生成连通的等值体素曲线
通过聚类算法，将一条等值体素曲线分成多条连通的等值体素曲线。一条连通的等值体素曲线在空间中是连续的。如图3所示，距离值最大的等值体素曲线呈红色，有4条连通的等值体素曲线。也可以看到，连通的等值体素曲线可以是闭合的，也可以是非闭合的。
(f)等值体素排序
对于图4中(a)所示的非闭合的体素曲线，任取一个体素(红色体素)，搜索其半径为r的邻域(此处r＝3，邻域用虚线框表示)，将等值体素曲线处于这一邻域范围的体素距离值设置为零值，其余体素距离值设置为无穷大，利用类似步骤(c)中的距离场算法，分段计算距离场。相比步骤(c)中的距离场算法有一处不同，即相邻体素的距离为1。在第一轮遍历也就是图中的正向遍历中，处于邻域边界上的零值体素(黄色体素)向非零值体素遍历，计算得到最小距离值1～4，遍历结束后将未被遍历的体素距离值设置为无穷大。再从零值体素开始遍历等值体素曲线上的未被遍历的体素，如图4中(b)所示，计算得到最小距离值1～8，计算完毕后用相反数替换这些距离值，得到-1～-8。等值体素距离值由-8到4的顺序即为等值体素的排序，本实施例中的排序即采用的是体素的当前距离值进行的排序过程，图4中(c)展示的是较“粗”的等值体素曲线，上述排序方法仍然适用。
对于图4中(d)所示的闭合的体素曲线，上述排序方法仍然适用。图4中(e)展示的是一种特殊情况，即闭合的体素曲线较“扁”而被邻域分为多段，上述排序方法仍然适用。
(g)生成等值线
由于可能存在多个相同序号的体素，如图4中(c)所示，需先计算相同序号的体素坐标的平均坐标，选取离平均坐标最近的体素作为该序号对应的唯一体素。在该体素最大距离值顶点与最小距离值顶点的连线上***等值点，如图3所示，在距离值分别为dmax与dmin的两个顶点A与B的连线上***距离为d(dmin＜d＜dmax)的等值点C，坐标为
Figure BDA0002613011060000061
一条连通的等值体素曲线的所有等值点按照顺序连接成一条等值线。
实例图，如图5所示，详细展示了“HUST”的三种等值线样式。也可根据需求设计更多的样式，初始加工曲线的形状直接影响等值线样式，体现了本方法的交互设计能力。
本方法可生成曲面增材制造或减材制造等值线轨迹，如图6所示，应用了等值线样式3，将上述方法获得的单个切片层的加工轨迹多次进行偏移后，即可获得所有切片层的加工轨迹，按照该方式加工即可获得图6中的产品。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种増减材制造中基于体素曲面距离场的轨迹规划方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
S1对于待加工对象所处的底座，将该底座上表面的曲面网格化，然后采用包围框将所述网格化曲面进行包络，将所述包围框分割为多个大小相同的立方体，每个立方体为一个体素，即获得多个体素，选取体素上的一个顶点代表该体素，即标记顶点，将获得的多个体素中与所述底座上表面相交，相交的体素形成体素曲面；
S2根据待加工对象的形态预设初始加工曲线，该初始加工曲线与所述步骤S1中获得的体素曲面相交，相交的体素形成初始体素曲线；
S3以所述初始体素曲线作为初始位置，计算体素曲面上的所有体素与所述初始体素曲线的距离值，将距离值相同的体素形成一个集合，对于一个集合中的体素，将相邻的体素相连，以此形成一条或多条距离值相同的体素曲线，即等值体素曲线；
S4对于每条等值体素曲线，在该等值曲线上选取一个体素作为初始体素，以该初始体素作为分界，将所述等值体素曲线分为两个部分，分别计算两个部分中每个体素与所述初始体素之间的距离，将其中一个部分体素与所述初始体素之间的距离值替换为该距离值的相反数，该相反数作为该体素当前距离值，以此获得所述等值体素曲线上所有体素对应的当前距离值；
S5步骤S4中每个当前距离值对应的体素中，选取与该当前距离值对应的一个体素作为目标体素，计算该目标体素上每个顶点到所述初始体素曲线的距离，在最大距离值和最小距离值对应的顶点之间进行插值，获得一个插值点，该插值点为所需的等值点，将所有目标体素的等值点连接形成等值线，该等值线即为増材制造或减材制造中一个切片层上的加工轨迹，将加工轨迹进行多次偏移，即获得所有切片层的加工轨迹，以此实现増减材制造中待加工对象的曲面轨迹规划。
2.如权利要求1所述的一种増减材制造中基于体素曲面距离场的轨迹规划方法，其特征在于，在S1中，所述包围框的建立是按照下列方式进行：建立空间坐标系，以该空间坐标系的三个坐标轴方向建立最小长方体，该最小长方体为所需的包围框。
3.如权利要求1所述的一种増减材制造中基于体素曲面距离场的轨迹规划方法，其特征在于，在步骤S3中，所述计算体素曲面上的所有体素与所述初始体素曲线的距离值采用广度优先遍历和最短路径算法进行计算。
4.如权利要求1所述的一种増减材制造中基于体素曲面距离场的轨迹规划方法，其特征在于，在步骤S3中，所述将相邻的体素相连，以此形成一条或多条距离值相同的体素曲线，采用聚类算法。
5.如权利要求1所述的一种増减材制造中基于体素曲面距离场的轨迹规划方法，其特征在于，在步骤S5中，所述选取与该当前距离值对应的一个体素作为目标体素，当当前距离值对应的体素有多个时，计算该多个体素的标记顶点坐标的平均值，与该平均值最近的体素即为所需的目标体素。
6.如权利要求1所述的一种増减材制造中基于体素曲面距离场的轨迹规划方法，其特征在于，在S5中，所述计算该目标体素上每个顶点到所述初始体素曲线的距离时，需先判断每个顶点作为标记顶点时对应的体素是否在所述体素曲面上，当该顶点为标记顶点对应的体素在所述体素曲面上时，计算该顶点到所述初始体素曲线的距离，否则，舍弃该顶点。
7.如权利要求1所述的一种増减材制造中基于体素曲面距离场的轨迹规划方法，其特征在于，在步骤S5中，所述插值采用插值法，按照下列方式进行：
Figure FDA0002613011050000021
其中，C是插值点的坐标，A和B分别是距离最大值dmax和距离最小值dmin对应的顶点坐标，d是插值点C与所述初始体素曲线的距离。
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