一种基于环形邻域参照轮廓线的网格模型自适应分层方法技术

本发明专利技术公开了一种基于环形邻域参照轮廓线的网格模型自适应分层方法。确定分层最大和最小层厚及残余高度精度值，顶点环形邻域面片阶数可调，从模型网格顶点选取构建参照轮廓线的初始顶点，从初始顶点递归遍历获高斯曲率最大值顶点，多准则拟合所有高斯曲率最值顶点获得环形邻域参照轮廓线，依据沿分层方向的非单调形态变化率，自下而上逐层自适应设定网格模型分层层厚，对各层厚进行残余高度分析，重复步骤获得多条参照轮廓线的各层厚，迭代加权获得最终各层厚，确定各分层切片平面位置进行切片。本发明专利技术方法能多维度表征网格模型内外表面形态，提高了自适应分层切片的精度，有助于实现内外表面形态急剧变化的几何网格模型的高精度分层切片。

【技术实现步骤摘要】
一种基于环形邻域参照轮廓线的网格模型自适应分层方法
本专利技术涉及先进制造
的复杂三维模型处理方法，尤其是涉及增材制造领域几何网格模型的层切方法。
技术介绍
3D打印(3DPrinting)又称为增材制造(AdditiveManufacturing，AM)，其能够直接从CAD实体几何数据模型生成零件模型，3D打印加工过程是以各层截面图形为底，高度为切片层厚的多个柱体依次叠加累积成型的，这种加工工艺在零件的倾斜表面会产生阶梯效应(Staircaseeffect)，使得加工的模型与实际模型轮廓有误差，甚至使零件产生形态畸变，因此，分层切片的效果直接影响零件的制造效率和精度。阶梯效应的评价指标可采用残余高度，表示沿模型表面法向量的方向，曲边三角形(Reuleauxtriangle)的顶点到模型表面的距离。在打印坐标系(PrintingCoordinateSystem)中，给定层高，对应一个含截切线的分层，因此，可将沿打印方向坐标值最小层，设置为第一层。网格面片的法向是由顶点顺序唯一确定的，面片的曲率可有多种定义方式，例如高斯曲率、平均曲率，并且可对面片及其距离滤波后的邻域进行加权计算。打印精度与打印效率是3D打印技术的主要评价指标，分层的切片层厚越厚，打印速度越快，但是表面质量较差；切片较薄，打印精度较高，但非常耗时，因此，需要合理选择切片厚度。目前，主要的切片分层方法主要为两种。一种是等层厚分层方法，这是最先开发与应用的分层方法，在目前的增材制造设备上应用广泛，但是其加工时产生的阶梯效应较为严重，影响了零件的表面精度，难以在制造效率和制造精度两者之间做到很好平衡。另一种是自适应层厚的分层方法，可根据加工的精度和效率需求，设置不同的层厚，可有效地降低阶梯效应的负面影响，提升加工精度。网格模型参照轮廓线指沿某一或某几个方向的表面形态特征参照曲线，如何选择网格模型的轮廓线作为分层参照，是网格自适应分层切片难点之一，如采用切片竖切网格模型，获取模型Z向参照轮廓线进行自适应分层。三维零件的加工数据模型主要为CAD实体模型和几何网格模型，CAD实体模型可充分表达模型的实际轮廓、材质和颜色信息，但是在分层切片时，存在文件较大、难以对模型加支撑以及难以优化等问题；几何网格模型主要有STL、OBJ、PLY等格式，只保留三维物体的几何信息，易于编辑优化，但其是面片包裹的空间结构，存在与实际模型轮廓误差，可通过网格加密提升逼近精度。目前，对于网格模型切片处理时，有采用网格拓扑关系的方法，而网格元素间的拓扑关系主要包括邻接关系和所属关系，网格模型顶点v的邻接顶点，称为v的环域近邻点(RingsofNeighbourhoodVertices)。1环近邻点可表示为：rg(v,1)，n环近邻点表示为：rg(v,n)，全部的环域顶点可表示为：Nnv，即{rg(v,i)}0≤i≤n。对于环绕顶点v的面片，一般称为v的环域面片(RingsofNeighbourhoodFacets)，可表示为：rg(f,n)，通常情况下v的环域面片指的是1环域。通过顶点的环域近邻点以及顶点的环域面片就可以表示整个网格面片结构。给定面片f，定义1层邻接面片为aj(f,1)，n层邻接面片为aj(f,n)，全部邻接面片可表示为：Nnf，即{aj(f,i)}0≤i≤n。通过顶点v可以得到环域面片rg(f,n)，基于rg(f,n)可通过递归遍历依次得到aj(f,n)，最终取得Nnf，即v→rg(f,n)，基于f∈rg(f,n)，f→{aj(f,i)}0≤i≤n。有些学者针对这些增材制造问题提出了改进的适应性分层切片算法，例如，SuchadaRianmora等于2010年在《InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology》(46(2010):第1021-1033页)的论文“Recommendedslicingpositionsforadaptivedirectslicingbyimageprocessingtechnique”中提出了一种采用捕捉CAD模型的两个正交视图，通过对边缘图形的复杂度进行分析，从而确定分层层厚和切片位置的自适应分层方法，提高了模型制造精度。MohammadT.Hayasi等于2013年在《JournalofIntelligentManufacturing》(24(2013)：第683-694页)的论文“Anewadaptiveslicingapproachforthefullydensefreeformfabrication(FDFF)process”中提出了致密成形加工工艺中使用自适应切片处理的方法，获得高质量复杂形体零件。BinHuang等于2015年在《RapidPrototypingJournal》(4(2015):第354-367页)的论文“CurvedLayerAdaptiveSlicing(CLAS)forfuseddepositionmodelling”中提出了用于工艺熔融沉积制造(FusedDepositionModeling，FDM)加工工艺的自适应曲面切片方法，用于最大化消除阶梯效应的影响。这些方法有各自的优点和适用范围，但是仍有一些局限性，尤其是对内外表面形态急剧变化的网格模型的分层切片上，存在效率和精度难以兼具的问题，特别是对多维度形态急剧变化的网格模型，难以实现高精度和高效率的分层切片。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，为了使得对几何网格模型的分层切片得到的截面轮廓精度更高，阶梯效应的影响更小，打印效率更高，本专利技术的目的在于提供一种三维几何网格模型的自适应分层方法。针对于有复杂多变表面的几何网格模型自适应分层，实现依据模型表面形态特征自适应分层，具有鲁棒高效与精度提升的优势。为了实现上述目的，如图1所示是本专利技术方法流程总图，本专利技术采用的技术方案的步骤如下：第一步：根据全局容差精度要求、喷头尺寸、打印效率要求设定全局数值计算阈值，求解零件的初始几何网格模型的凸包围盒，并根据网格模型的表面形态和精度要求，确定分层方向；第二步：根据增材制造工艺参数，确定最大和最小分层厚度dmin、dmax以及残余高度精度值δ*；第三步：设定顶点的环形邻域面片阶数m，从模型沿打印方向坐标，即Z向坐标最低的网格顶点集合选取用于构建环形邻域参照轮廓线的初始顶点，遍历初始顶点m阶环形邻域面片内高斯曲率最大的网格顶点为高斯曲率最值顶点并记录；第四步：递归遍历执行第三步，获取高斯曲率最值顶点并记录，直至遍历到模型凸包围盒z坐标最高点；第五步：将初始顶点和所有高斯曲率最值顶点多准则拟合成一条空间参照轮廓线C；第六步：根据参照轮廓线C沿分层方向的非单调形态变化率，从网格模型最低处开始向上逐层自适应设定分层层厚，对分层层厚进行残余高度分析，若满足要求，保留分层结果，执行下一步；若不满足要求，增大顶点的环形邻域面片阶数m，返回到第三步重新进行步骤三～步骤六，直到满足要求；第七步：根据网格模型的表面形态特征，可重复上述步骤三～步骤六重新选取用于构建参照轮廓线的初始顶点，获取多条参照轮廓线C，得到不同的分层层厚；第八步：将上述步骤七得到的依据各条参照轮廓线的分层层厚进行迭代加权优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于环形邻域参照轮廓线的网格模型自适应分层方法的步骤如下：第一步：求解几何网格模型的凸包围盒，并根据网格模型的表面形态和精度要求确定分层方向；第二步：根据增材制造工艺参数，确定最大和最小分层厚度d

【技术特征摘要】
1.一种基于环形邻域参照轮廓线的网格模型自适应分层方法的步骤如下：第一步：求解几何网格模型的凸包围盒，并根据网格模型的表面形态和精度要求确定分层方向；第二步：根据增材制造工艺参数，确定最大和最小分层厚度dmin、dmax以及残余高度精度值δ*；第三步：设定顶点的环形邻域面片阶数m，从模型沿打印方向坐标，即Z向坐标最低的网格顶点集合选取用于构建环形邻域参照轮廓线的初始顶点，遍历初始顶点m阶环形邻域面片内高斯曲率最大的网格顶点为高斯曲率最值顶点并记录；第四步：递归遍历执行第三步，获取高斯曲率最值顶点并记录，直至遍历到模型凸包围盒z坐标最高点；第五步：将初始顶点和所有高斯曲率最值顶点多准则拟合成一条空间参照轮廓线C；第六步：根据参照轮廓线C沿分层方向的形态变化率，从网格模型最低处开始向上逐层自适应设定分层层厚，对分层层厚进行残余高度分析，若满足要求，保留分层结果，执行下一步；若不满足要求，增大顶点的环形邻域面片阶数m，返回到第三步重新进行步骤三～步骤六，直到满足要求；第七步：根据网格模型的表面形态特征，可重复上述步骤三～步骤六重新选取用于构建参照轮廓线的初始顶点，获取多条参照轮廓线C，得到不同的分层层厚；第八步：将上述步骤七得到的依据各条参照轮廓线的分层层厚进行迭代加权优化，得到网格模型最终分层层厚，由分层层厚确定各切片平面的位置，构建切片平面；第九步：求取各切片平面与网格模型的相交面片，再求取各切片平面与网格模型的轮廓线，得到网格模型全部分层轮廓线，完成网格模型的自适应分层。2.根据权利要求1所述的一种基于环形邻域参照轮廓线的网格模型自适应分层方法，其特征在于：所述的环形邻域参照轮廓线是指通过递归遍历网格顶点的环形邻域面片内的高斯曲率最值顶点，再由所有高斯曲率最值顶点多准则拟合成的能够表征网格模型表面形态特征轮廓的空间参照曲线。3.根据权利要求1所述的一种基于环形邻域参照轮廓线的网格模型自适应分层方法，其特征在于：所述的最小层厚dmin是指打印机喷头和吐...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐敬华，盛红升，张树有，谭建荣，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33