專利名稱：產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法，屬于計算機(jī)輔助制造 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在產(chǎn)品逆向工程中，通常采用激光掃描儀等設(shè)備獲取產(chǎn)品實體模型表面的散亂點云數(shù)據(jù)， 并對該數(shù)據(jù)進(jìn)行三角剖分生成三角網(wǎng)格模型，逼近原實體模型。基于三角網(wǎng)格模型直接生成 數(shù)控加工刀軌，可避免產(chǎn)品CAD模型的重建過程及模型重建的累計誤差，從而有效提高基 于逆向工程的產(chǎn)品開發(fā)效率及加工精度。
對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，孫玉文等在學(xué)術(shù)期刊《機(jī)械工程學(xué)報》2002， 38(10): P50-53 上發(fā)表的學(xué)術(shù)論文"基于三角網(wǎng)格曲面模型的刀位軌跡計算方法"中，通過創(chuàng)建三角面片鄰接
表，査找與刀軌截平面相交的三角面片，根據(jù)網(wǎng)格頂點法矢插值邊界曲線與刀軌截平面的交 點計算刀位點，基于該方法生成的刀軌精度較高，但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)重影響數(shù)控加工刀軌的生成速度，且該方法不 能有效避免刀軌干涉問題。高洪偉等在學(xué)術(shù)期刊《工程圖學(xué)學(xué)報》2005， 26(3): P168-172上 發(fā)表的學(xué)術(shù)論文"基于Zmap網(wǎng)格三軸加工無干涉刀具軌跡的加速算法"中，為三角網(wǎng)格模型 構(gòu)造刀位面和保護(hù)面，通過Zmap網(wǎng)格結(jié)點的豎直線與三角片的刀位面和保護(hù)面求交，取z值 最大的交點作為刀位點，可有效處理適合于各種刀具的無干涉刀軌生成，但該方法在數(shù)控加 工刀軌生成過程中需為頂點、邊增加球面、圓柱面作為保護(hù)面，其算法復(fù)雜且計算量大，且 該算法只適用于三軸數(shù)控加工刀軌的生成。朱虎等在學(xué)術(shù)期刊《遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報》2007， 26(2): P273-275上發(fā)表的學(xué)術(shù)論文"基于頂點偏置的STL模型刀具軌跡生成"中，利用與頂點 相連的各三角面片的法向量，計算出各頂點的偏置點，并由這些偏置點構(gòu)造完全由三角面片 組成的偏置模型；用平行截面對偏置模型進(jìn)行切片，在二維空間內(nèi)對所得交線段進(jìn)行裁剪與 連接處理以生成數(shù)控加工刀軌，在避免干涉的同時有效提高的刀軌的生成速度，但該方法只 能適用于球頭立銑刀三軸加工軌跡。
綜上所述，現(xiàn)有的三角網(wǎng)格模型數(shù)控加工刀軌生成方法不能直接用于多軸數(shù)控加工刀軌 生成，因此，基于三角網(wǎng)格模型快速生成多軸數(shù)控加工刀軌成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法，且該方法 適用于平頭立銑刀、球頭立銑刀和圓環(huán)立銑刀三種刀具的數(shù)控加工刀軌生成。其技術(shù)方案為
一種產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法，其特征在于步驟依次為1)改進(jìn) R、樹得到適合于存儲產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的動態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)R+S-樹，基于該結(jié)構(gòu)建立產(chǎn)品 三角網(wǎng)格模型的動態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)；2)基于三角網(wǎng)格模型動態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)，對刀軌截平面 與三角網(wǎng)格模型進(jìn)行求交，獲取截面數(shù)據(jù)點；3)基于三角網(wǎng)格模型動態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)，查詢 截面數(shù)據(jù)點的區(qū)域近鄰三角面片，采用面積均值法計算相應(yīng)截面數(shù)據(jù)點的法矢；4)根據(jù)截面 數(shù)據(jù)點及其法矢確定刀具軸線，基于三角網(wǎng)格模型動態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)，查詢距刀具軸線小于 刀具半徑的三角面片集合，將其作為瞬時加工區(qū)域；5)根據(jù)刀具與瞬時加工區(qū)域中各三角面 片之間的位姿關(guān)系，采用面相切、邊相切或頂點相切刀位計算方法獲取相應(yīng)刀位點，并在獲 取的刀位點中取在刀軸方向上位置最高的刀位點作為當(dāng)前截面數(shù)據(jù)點對應(yīng)的刀位點；6)采用 最小生成樹方法對截面數(shù)據(jù)點對應(yīng)的刀位點進(jìn)行排序，生成三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀 軌。
為實現(xiàn)發(fā)明目的，所述的產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法，在步驟l)中， 改進(jìn)R、樹動態(tài)空間索引數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)得到I^S-樹的方法具體是將三角面片及索引結(jié)點MBR
即最小包圍矩形統(tǒng)一表示為四維點對象O,y,z，r)，其中jc, y, z為MBR中心坐標(biāo)，r為MBR
外接球半徑值，通過三角面片集合的聚類分簇，構(gòu)建產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型動態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)。
為實現(xiàn)發(fā)明目的，所述的產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法，在步驟2)中， 截面數(shù)據(jù)點的獲取方法具體是通過刀軌截平面與三角網(wǎng)格模型空間索引結(jié)構(gòu)各層結(jié)點的位 置關(guān)系，逐層查找與刀軌截平面相交的各層索引結(jié)點，提取出與刀軌截平面相交的數(shù)據(jù)結(jié)點， 對提取出數(shù)據(jù)結(jié)點內(nèi)三角面片的各邊與刀軌截平面進(jìn)行求交并刪除所求取交點中的重疊點獲 取截面數(shù)據(jù)點，將獲取的交點作為截面數(shù)據(jù)點。
為實現(xiàn)發(fā)明目的，所述的產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法，在步驟3)中， 截面數(shù)據(jù)點法矢的計算方法具體是采用R+S-樹范圍査詢算法快速査找距截面數(shù)據(jù)點小于；
即影響范圍閾值的三角面片，對各三角面片面積與其單位法矢的乘積進(jìn)行累加求和，將所得 結(jié)果除以各三角面片的面積之和求取對應(yīng)截面數(shù)據(jù)點的法矢。
為實現(xiàn)發(fā)明目的，所述的產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法，在步驟5)中，
計算各截面數(shù)據(jù)點對應(yīng)刀位點的方法具體是對各截面數(shù)據(jù)點對應(yīng)瞬時加工區(qū)域中各三角面片，首先采用面相切方法計算刀位點，若所獲取的刀位點有效，則以該刀位點作為該三角面 片對應(yīng)的刀位點，否則對三角面片的三條邊及三頂點分別進(jìn)行邊相切刀位計算及頂點相切刀 位計算，在獲得的有效刀位點中取在刀軸方向上位置最高的刀位點作為該三角面片對應(yīng)的刀 位點，比較各三角面片對應(yīng)刀位點在刀軸方向上的高度，取在刀軸方向上最高的刀位點作為 當(dāng)前截面數(shù)據(jù)點對應(yīng)的刀位點。
為實現(xiàn)發(fā)明目的，所述的產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法，在步驟5)面 相切刀位點計算方法中，將球頭立銑刀、平頭立銑刀及圓環(huán)立銑刀統(tǒng)一為圓環(huán)立銑刀，依據(jù) 刀觸點處刀具表面法矢與三角面片垂直的特性計算刀位點，具體是設(shè)當(dāng)前三角面片為T，
統(tǒng)一平頭立銑刀、球頭立銑刀為圓環(huán)立銑刀，刀具半徑為R，圓角半徑為r， v為刀軸A的 單位向量，/1為三角面片T的單位法矢，&為刀具與T所在平面的相切點即刀觸點，尸0為 A與T所在平面的交點，A為三角面片T對應(yīng)的刀位點，Vr為A指向A對應(yīng)圓角圓心的矢
量，通過公式(l):
取A與尸O之間的距離f，結(jié)合iV V、 V。 /l求得A、尸e，判斷戶c是否在T內(nèi)部，如果 在T內(nèi)部，則Ps有效，否則Ps無效，
為實現(xiàn)發(fā)明目的，所述的產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法，在步驟5)邊
相切刀位點計算方法中，對于球頭立銑刀或平頭立銑刀，依據(jù)刀觸點處刀具表面法矢與邊所 在直線垂直的特性計算刀位點，對于圓環(huán)立銑刀提取出邊的有效范圍后采用迭代法計算刀位
點，具體是對于球頭立銑刀或平頭立銑刀設(shè)當(dāng)前邊為E， R為平頭立銑刀或球頭立銑刀半 徑，A為刀具軸線，v為A的單位向量，L為邊E所在的直線，《為L的單位向量，戶0 、
A分別為A和E上距離最近的兩點，A為刀位點，尸c為刀觸點，/為由戶及向量^確定的
平面，A為A在/上的投影點，Vc為由A指向A的向量，Vt為/垂直于L的向量，通過公式 (2):
(平刀)
(球刀)
求取A與尸0的距離f，將其代入式(3):<formula>formula see original document page 8</formula>
計算尸s、 A，判斷A是否在E內(nèi)部，如在E內(nèi)部則尸s有效；對于圓環(huán)立銑刀，沿刀具軸 線反方向看去，被刀具遮住的部分即為邊相切刀位點計算過程中需迭代計算的有效范圍，獲 取有效范圍后將其作為計算刀位點時的有效線段，在有效線段上均勻取2 +1^2>1)個點，對各 點進(jìn)行頂點相切刀位計算，迭代求解獲取最終刀位點，具體步驟如下①在有效線段上均勻
取2m+1 (">1)個點J°,(/=0,l,...,2");②對各點進(jìn)行頂點相切刀位計算，獲取相應(yīng)刀位點込 (/=0,1，...,2");③比較相應(yīng)刀位點込(/=0,1,...,2")在刀具軸線方向上的高度，獲取最高刀位點 込與最低刀位點^t，若_/=0或;'=2",則最高刀位點込即為所求刀位點，刀位點計算結(jié)束， 否則執(zhí)行④； 計算最高刀位點込與最低刀位點込之間的距離A若距離c/小于設(shè)定的偏 差閾值，最高刀位點込即為所求刀位點，程序結(jié)束，否則以尸w巧+1為有效線段迭代執(zhí)行該 過程。
為實現(xiàn)發(fā)明目的，所述的產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法，在步驟5)頂 點相切刀位點計算方法中，將球頭立銑刀、平頭立銑刀及圓環(huán)立銑刀統(tǒng)一為圓環(huán)立銑刀，依 據(jù)刀觸點與刀具軸線之間的位置關(guān)系計算刀位點，具體是設(shè)R為刀具半徑，r為刀具圓角 半徑，v為刀軸A的單位向量，點尸'為戶在A上的投影，/為刀觸點尸c到A的距離，由公式 (4):
求得有效刀位點尸s。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下三個優(yōu)點
(1) 采用I^S-樹建立三角網(wǎng)格模型動態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)，快速準(zhǔn)確的實現(xiàn)區(qū)域近鄰數(shù)據(jù)的 査詢，有效提高了三角網(wǎng)格模型的刀軌生成效率；
(2) 通過查詢截面數(shù)據(jù)點的區(qū)域近鄰三角面片，采用面積均值法計算相應(yīng)截面數(shù)據(jù)點的法 矢確定刀具軸線，實現(xiàn)了產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型多軸數(shù)控加工刀軌的生成；
(3) 通過面相切、邊相切或頂點相切方式進(jìn)行刀位計算，有效避免了平頭立銑刀、球頭立 銑刀及圓環(huán)立銑刀的刀位干涉問題，提高了刀軌生成質(zhì)量。


圖l是本發(fā)明程序流程圖2是本發(fā)明中三角網(wǎng)格模型動態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)構(gòu)建示意(及- r < "及)圖3是本發(fā)明實施例中人臉面部三角網(wǎng)格模型及其動態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)各層結(jié)點MBR效 果圖4是本發(fā)明數(shù)控加工刀軌生成流程圖5是本發(fā)明實施例中刀軌截平面數(shù)據(jù)點集獲取過程示意圖6是本發(fā)明根據(jù)三角面片法向矢量和面積計算截面數(shù)據(jù)點法矢示意圖7是本發(fā)明刀位點計算的流程圖8是本發(fā)明中面相切刀位計算示意圖9是本發(fā)明中平頭立銑刀及球頭立銑刀邊相切刀位計算示意圖10是本發(fā)明中針對圓環(huán)立銑刀采用邊相切刀位計算時確定刀具范圍內(nèi)有效線段的示 意圖11是本發(fā)明中頂點相切刀位計算示意圖12是本發(fā)明實施例中人臉面部三角網(wǎng)格模型所生成的刀位軌跡及其法矢局部放大圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明
圖1是本發(fā)明基于三角網(wǎng)格模型快速生成多軸數(shù)控加工刀軌的程序流程圖。數(shù)據(jù)輸入程 序1負(fù)責(zé)讀入三角網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)文件，并為其創(chuàng)建線性鏈表存儲結(jié)構(gòu)。三角網(wǎng)格模型動態(tài)空
間索引結(jié)構(gòu)構(gòu)建程序2采用嵌套的MBR對三角網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(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I^S-樹空間索引結(jié)構(gòu)。數(shù)控加工刀軌計算程序 3通過深度優(yōu)先遍歷三角網(wǎng)格模型動態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)，快速獲取截面數(shù)據(jù)點及其法矢，根據(jù) 截面數(shù)據(jù)點及其法矢確定刀軸的瞬時位置，查詢各截面數(shù)據(jù)點的瞬時加工區(qū)域，根據(jù)刀具與 瞬時加工區(qū)域中各三角面片的面、邊、頂點的相切關(guān)系采用面相切、邊相切或頂點相切刀位 計算方法計算各三角面片對應(yīng)的刀位點，比較各三角面片對應(yīng)刀位點在刀軸方向上的高度， 取在刀軸方向上位置最高的刀位點作為當(dāng)前截面數(shù)據(jù)點對應(yīng)的刀位點，采用最小生成樹方法 對各截面數(shù)據(jù)點對應(yīng)刀位點進(jìn)行排序，實現(xiàn)三角網(wǎng)格模型多軸數(shù)控加工刀軌的生成。
圖2 a)是13個三角面片的集合，圖2 b)為基于該集合所構(gòu)建的索引結(jié)構(gòu)中結(jié)點MBR示 意圖(其中索引結(jié)點的子結(jié)點數(shù)上限值為8、下限值為3),圖2c)為索引結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖， 結(jié)點A是根結(jié)點，B、 C為葉結(jié)點，D、 E、 F、 G、 H、 I、 J、 K、 L、 M、 N、 O、 P、 Q為數(shù) 據(jù)結(jié)點。
實施例對圖3 a)所示人臉面部三角網(wǎng)格模型生成五軸數(shù)控加工刀軌。
圖3a)為實施例人臉面部三角網(wǎng)格模型，三角面片數(shù)量為7851，構(gòu)建其動態(tài)空間索引結(jié)
構(gòu)時，索引參數(shù)為附=8、 il/=20，重新插入結(jié)點數(shù)及=6,構(gòu)建該模型動態(tài)空間索引結(jié)的時間約為0."5364秒，圖3b)為動態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)根結(jié)點MBR,圖3 c)為第二層結(jié)點MBR，圖3 d)為第三層結(jié)點MBR，圖3 e)為葉結(jié)點MBR。
圖4為本發(fā)明中數(shù)控加工刀軌計算程序3的流程圖。刀軌截平面數(shù)據(jù)點及其法矢的獲取 程序4，對于讀取的當(dāng)前刀軌截平面逐層判斷與三角網(wǎng)格模型空間索引結(jié)構(gòu)各層結(jié)點的位置 關(guān)系，快速提取出與刀軌截平面相交的數(shù)據(jù)結(jié)點，對提取出數(shù)據(jù)結(jié)點內(nèi)三角面片的各邊與刀 軌截平面進(jìn)行求交并刪除所求取交點中的重疊點獲取截面數(shù)據(jù)點，以截面數(shù)據(jù)點為目標(biāo)點， 査詢其區(qū)域近鄰三角面片，對各三角面片面積與其單位法矢的乘積進(jìn)行累加求和，將所得結(jié) 果除以各三角面片的面積之和求取對應(yīng)截面數(shù)據(jù)點的法矢；刀位點計算程序5，根據(jù)截面數(shù) 據(jù)點及其法矢確定刀具軸線的瞬時位置，深度優(yōu)先遍歷三角網(wǎng)格模型索引結(jié)構(gòu)獲取與戶的距 離小于等于刀具半徑的三角面片，根據(jù)刀具査詢到的中各三角面片的面、邊、頂點的相切關(guān) 系采用面相切、邊相切或頂點相切刀位計算方法計算各三角面片對應(yīng)的刀位點，比較各三角 面片對應(yīng)刀位點在刀軸方向上的高度，取在刀軸方向上位置最高的刀位點作為當(dāng)前截面數(shù)據(jù) 點對應(yīng)的刀位點；最后通過刀位點排序程序6采用最小生成樹方法對刀位點進(jìn)行排序?qū)崿F(xiàn)單 行刀軌的生成。
圖5為本發(fā)明中刀軌截平面數(shù)據(jù)點獲取過程的示意圖。設(shè)刀軌截平面法矢為v,索引結(jié) 點的頂點為v,(KS8)， 9為刀軌截平面上任意點，根據(jù)公式s,. =v'(《-v,) (1^28)所得S,值
的符號判斷索引結(jié)點MBR各頂點與刀軌截平面的位置關(guān)系，進(jìn)而判斷索引結(jié)點與刀軌截平 面的位置關(guān)系，判斷與刀軌截平面相交數(shù)據(jù)結(jié)點內(nèi)三角面片與刀軌截平面的位置關(guān)系，提取 出與刀軌截平面相交的各三角面片，對提取出的三角面片各邊與刀軌截平面進(jìn)行求交，獲取 截面數(shù)據(jù)點，圖5a)、圖5b)分別為與刀軌截平面相交的第一層和第二層索引結(jié)點，圖5c)為與 刀軌截平面相交的數(shù)據(jù)結(jié)點，圖5d)為與刀軌截平面相交的三角面片，圖5e)為獲取的截面數(shù) 據(jù)點。
設(shè)當(dāng)前截面數(shù)據(jù)點為/ ，索引結(jié)點的中心與其外接球半徑分別為c、 r，根據(jù)公式 rf-l(p-c)./i卜r計算刀軌截平面數(shù)據(jù)點與索引結(jié)點之間的距離，深度優(yōu)先三角網(wǎng)格模型索引
結(jié)構(gòu)獲取與戶的距離小于U影響范圍閾值)的數(shù)據(jù)結(jié)點，計算各數(shù)據(jù)結(jié)點內(nèi)三角面片與戶的 距離，提取出離尸的距離小于等于；的三角面片，如圖6所示提取的三角面片共有m個，計
算其中每個三角面片的法矢/^和面積A(l《"w),根據(jù)公式(5)計算P所對應(yīng)的截面數(shù)據(jù)點。<formula>formula see original document page 10</formula>圖7為本發(fā)明刀位點計算程序5的流程圖。對于當(dāng)前截面數(shù)據(jù)點為尸，其法矢為《，由i>、w可確定瞬時刀具軸線A,三角網(wǎng)格模型索引結(jié)點MBR的中心及外接球半徑分別為C、/"，則 索引結(jié)點與A的距離可由公式d叫(C-P)x"l-r求得。采用深度優(yōu)先遍歷方法快速獲取與A
的距離小于刀具半徑R的數(shù)據(jù)結(jié)點集合，計算該集合中各三角面片到A的距離，將距離小于 R的三角面片組成的區(qū)域作為刀具的瞬時加工區(qū)域，通過面相切、邊相切或頂點相切的刀位 點計算方法計算各三角面片對應(yīng)的刀位點，比較各三角面片對應(yīng)刀位點在刀軸方向上的高度，
取位置最高的刀位點作為當(dāng)前截面數(shù)據(jù)點對應(yīng)的刀位點。
圖8為本發(fā)明中面相切刀位點計算示意圖。當(dāng)前三角面片為T，統(tǒng)一平頭立銑刀、球頭
立銑刀為圓環(huán)立銑刀，刀具半徑為R其值為4，圓角半徑為r，其值為2， v為刀軸A的單位
向量，ii為三角面片T的單位法矢，&為刀具與T所在平面的相切點即刀觸點，A為A與
T所在平面的交點，凡為三角面片T對應(yīng)的刀位點，Vr為A指向A對應(yīng)圓角圓心的矢量，
通過公式(6)求取A與^之間的距離A結(jié)合/V v、 v。 w求得iV A，判斷A是否在T內(nèi)
部，如果在T內(nèi)部，則Ps有效，否則Ps無效。
<formula>formula see original document page 11</formula>
圖9為本發(fā)明中平頭立銑刀及球頭立銑刀邊相切刀位點計算示意圖。當(dāng)前邊為E， R為 平頭立銑刀或球頭立銑刀半徑，其值為4， A為刀具軸線，v為A的單位向量，L為邊E所 在的直線，"為L的單位向量，/>0 、尸!分別為A和E上距離最近的兩點，尸s為刀位點，i c
為刀觸點，/為由^及向量f尸。(作為/的法矢)確定的平面，尸t為戶s在/上的投影點，Vc為
由戶c指向A的向量，Vt為/垂直于L的向量，通過公式(7)求取A與尸o的距離"將其代入式 (8)計算/\、 A,判斷尸c是否在E內(nèi)部，如在E內(nèi)部則A有效。
<formula>formula see original document page 11</formula>
圖IO為本發(fā)明中圓環(huán)立銑刀邊相切刀位點計算中邊的有效線范圍示意圖。對于當(dāng)前邊E 沿刀具軸線反方向看去，被刀具遮住的部分即為邊相切刀位點計算過程中需迭代計算的有效 范圍(實線部分)，圖10a)為中間部分有效、圖10b)為一端有效、圖10c)為全部有效、圖10d) 為當(dāng)前邊無效。獲取有效范圍后將其作為計算刀位點時的有效線段，在有效線段上均勻取2"+1( 〉1)個點，對各點進(jìn)行頂點相切刀位計算，迭代求解獲取最終刀位點，具體步驟如下 ①在有效線段上均勻取2"+l (">1)個點^(/=0,1,...，2");②對各點進(jìn)行頂點相切刀位計算， 獲取相應(yīng)刀位點込(zM),l,…,2");③比較相應(yīng)刀位點込(,H),l,…,2n)在刀具軸線方向上的高 度，獲取最高刀位點込與最低刀位點0fc，若產(chǎn)0或_/=2"，則最高刀位點込即為所求刀位點， 刀位點計算結(jié)束，否則執(zhí)行④； 計算最高刀位點込與最低刀位點gt之間的距離A若d 小于設(shè)定的偏差閾值，最高刀位點込即為所求刀位點，程序結(jié)束，否則以尸w乃+1為有效線 段迭代執(zhí)行該過程。'
圖11為本發(fā)明中平頭立銑刀及球頭立銑刀邊切刀位點計算示意圖。將平頭立銑刀、平頭 立銑刀統(tǒng)一為圓環(huán)立銑刀，R為刀具半徑，其值為4.0， r為刀具圓角半徑，其值為2.0， v為 刀軸A的單位向量，點P'為戶在A上的投影，/為刀觸點尸c到A的距離，由公式(9)求得有
效刀位點《。
<formula>formula see original document page 12</formula> (9)
圖12為本發(fā)明實施例中生成的多軸加工刀軌。其中圖12a)為基于本發(fā)明方法生成的刀 軌，圖12b)為生成的各刀位點及其法矢，圖12c)為圖12b)中框選部分的放大圖。 其他產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法同上。
權(quán)利要求
1、一種產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法，其特征在于步驟依次為1)改進(jìn)R*-樹得到適合于存儲產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的動態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)R*S-樹，基于該結(jié)構(gòu)建立產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的動態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)；2)基于三角網(wǎng)格模型動態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)，對刀軌截平面與三角網(wǎng)格模型進(jìn)行求交，獲取截面數(shù)據(jù)點；3)基于三角網(wǎng)格模型動態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)，查詢截面數(shù)據(jù)點的區(qū)域近鄰三角面片，采用面積均值法計算相應(yīng)截面數(shù)據(jù)點的法矢；4)根據(jù)截面數(shù)據(jù)點及其法矢確定刀具軸線，基于三角網(wǎng)格模型動態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)，查詢距刀具軸線小于刀具半徑的三角面片集合，將其作為瞬時加工區(qū)域；5)根據(jù)刀具與瞬時加工區(qū)域中各三角面片之間的位姿關(guān)系，采用面相切、邊相切或頂點相切刀位計算方法獲取相應(yīng)刀位點，并在獲取的刀位點中取在刀軸方向上位置最高的刀位點作為當(dāng)前截面數(shù)據(jù)點對應(yīng)的刀位點；6)采用最小生成樹方法對截面數(shù)據(jù)點對應(yīng)的刀位點進(jìn)行排序，生成三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌。
2、 如權(quán)利要求l所述的產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法，其特征在于 步驟1)中，改進(jìn)R、樹動態(tài)空間索引數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)得到R^S-樹的方法具體是將三角面片及索引結(jié)點MBR即最小包圍矩形統(tǒng)一表示為四維點對象"乂；"，其中x，y,z為MBR中心坐標(biāo)， r為MBR外接球半徑值，通過三角面片集合的聚類分簇，構(gòu)建產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型動態(tài)空間索 引結(jié)構(gòu)。
3、 如權(quán)利要求l所述的產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法，其特征在于 步驟2)中，截面數(shù)據(jù)點的獲取方法具體是通過刀軌截平面與三角網(wǎng)格模型空間索引結(jié)構(gòu)各層結(jié)點的位置關(guān)系，逐層查找與刀軌截平面相交的各層索引結(jié)點，提取出與刀軌截平面相交 的數(shù)據(jù)結(jié)點，對提取出數(shù)據(jù)結(jié)點內(nèi)三角面片的各邊與刀軌截平面進(jìn)行求交并刪除所求取交點 中的重疊點獲取截面數(shù)據(jù)點，將獲取的交點作為截面數(shù)據(jù)點。
4、 如權(quán)利要求l所述的產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法，其特征在于 步驟3)中，截面數(shù)據(jù)點法矢的計算方法具體是采用R+S-樹范圍査詢算法快速查找距截面數(shù)據(jù)點小于；即影響范圍閾值的三角面片，對各三角面片面積與其單位法矢的乘積進(jìn)行累加 求和，將所得結(jié)果除以各三角面片的面積之和求取對應(yīng)截面數(shù)據(jù)點的法矢。
5、 如權(quán)利要求l所述的產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法，其特征在于 在步驟5)中，計算各截面數(shù)據(jù)點對應(yīng)刀位點的方法具體是對各截面數(shù)據(jù)點對應(yīng)瞬時加工區(qū)域中各三角面片，首先采用面相切方法計算刀位點，若所獲取的刀位點有效，則以該刀位點 作為該三角面片對應(yīng)的刀位點，否則對三角面片的三條邊及三頂點分別進(jìn)行邊相切刀位計算 及頂點相切刀位計算，在獲得的有效刀位點中取在刀軸方向上位置最高的刀位點作為該三角 面片對應(yīng)的刀位點，比較各三角面片對應(yīng)刀位點在刀軸方向上的高度，取在刀軸方向上最高 的刀位點作為當(dāng)前截面數(shù)據(jù)點對應(yīng)的刀位點。
6、如權(quán)利要求l所述的產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法，其特征在于 在步驟5)面相切刀位點計算方法中，將球頭立銑刀、平頭立銑刀及圓環(huán)立銑刀統(tǒng)一為圓環(huán)立 銑刀，依據(jù)刀觸點處刀具表面法矢與三角面片垂直的特性計算刀位點，具體是設(shè)當(dāng)前三角 面片為T，統(tǒng)一平頭立銑刀、球頭立銑刀為圓環(huán)立銑刀，刀具半徑為R，圓角半徑為r， v 為刀軸A的單位向量，Ai為三角面片T的單位法矢，&為刀具與T所在平面的相切點即刀觸點，A為A與T所在平面的交點，A為三角面片T對應(yīng)的刀位點，Vr為尸s指向尸e對應(yīng)圓 角圓心的矢量，通過公式(l):取A與尸O之間的距離f，結(jié)合/V V、 Vr、 /l求得/V尸c，判斷戶c是否在T內(nèi)部，如果 在T內(nèi)部，則Ps有效，否則Ps無效。
7、如權(quán)利要求l所述的產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法，其特征在于在步驟5)邊相切刀位點計算方法中，對于球頭立銑刀或平頭立銑刀，依據(jù)刀觸點處刀具表面法矢與邊所在直線垂直的特性計算刀位點，對于圓環(huán)立銑刀提取出邊的有效范圍后采用迭代法計算刀位點，具體是對于球頭立銑刀或平頭立銑刀設(shè)當(dāng)前邊為E， R為平頭立銑刀或球頭立銑刀半徑，A為刀具軸線，v為A的單位向量，L為邊E所在的直線，"為L的單位向 量，A 、A分別為A和E上距離最近的兩點，A為刀位點，A為刀觸點，/為由^及向量^確定的平面，戶t為尸s在/上的投影點，Vc為由戶c指向尸t的向量，Vt為/垂直于L的向量，通 過公式(2):<formula>formula see original document page 3</formula>求取A與A的距離"將其代入式(3)、s+^"c (3)， 計算/ s、 />c ，判斷i c是否在E內(nèi)部，如在E內(nèi)部則A有效；對于圓環(huán)立銑刀，沿刀具軸 線反方向看去，被刀具遮住的部分即為邊相切刀位點計算過程中需迭代計算的有效范圍，獲 取有效范圍后將其作為計算刀位點時的有效線段，在有效線段上均勻取2"+1(">1)個點，對各 點進(jìn)行頂點相切刀位計算，迭代求解獲取最終刀位點，具體步驟如下①在有效線段上均勻 取2"+l (">1)個點A (/=0,1，...,2");②對各點進(jìn)行頂點相切刀位計算，獲取相應(yīng)刀位點込 (/=0，1,...,2 );③比較相應(yīng)刀位點込(/=0,1,...,2")在刀具軸線方向上的高度，獲取最高刀位點 込與最低刀位點仏，若產(chǎn)0或戶2"，則最高刀位點込即為所求刀位點，刀位點計算結(jié)束， 否則執(zhí)行④； 計算最高刀位點込.與最低刀位點at之間的距離"，若距離d小于設(shè)定的偏 差閾值，最高刀位點込即為所求刀位點，程序結(jié)束，否則以巧-!巧+1為有效線段迭代執(zhí)行該 過程。
8、如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法，其特征在于在步驟5) 頂點相切刀位點計算方法中，將球頭立銑刀、平頭立銑刀及圓環(huán)立銑刀統(tǒng)一為圓環(huán)立銑刀， 依據(jù)刀觸點與刀具軸線之間的位置關(guān)系計算刀位點，具體是設(shè)R為刀具半徑，r為刀具圓 角半徑，v為刀軸A的單位向量，點戶'為尸在A上的投影，/為刀觸點尸c到A的距離，由公 式(4):= />' + rv (/ " - 。< =/>,+_^2—(卜w+。2y (4)'求得有效刀位點《。
全文摘要
本發(fā)明提供一種產(chǎn)品三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成方法，其特征在于采用R*S-樹動態(tài)空間索引結(jié)構(gòu)組織三角面片拓?fù)浣応P(guān)系，基于該結(jié)構(gòu)對刀軌截平面與三角網(wǎng)格模型進(jìn)行求交，獲取截面數(shù)據(jù)點，并采用面積均值法計算相應(yīng)截面數(shù)據(jù)點的法矢，查詢各截面數(shù)據(jù)點對應(yīng)的瞬時加工區(qū)域，根據(jù)刀具與瞬時加工區(qū)域中各三角面片的面、邊、頂點的相切關(guān)系采用面相切、邊相切或頂點相切刀位計算方法獲取相應(yīng)刀位點，采用最小生成樹方法對刀位點排序，生成多軸數(shù)控加工刀軌。該方法適合于各種復(fù)雜三角網(wǎng)格模型的多軸數(shù)控加工刀軌生成，算法運(yùn)行效率高。
文檔編號G05B19/4099GK101510086SQ20091002020
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者健 劉, 孫殿柱, 崔傳輝, 朱昌志 申請人:山東理工大學(xué)