基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
基于弓形柱体增长模型的五轴增材仿真方法
本专利技术属于增材制造领域，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。
技术介绍
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)软件与数控系统将专用的材料，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。该专利技术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。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术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，本专利技术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MarchingCube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。本专利技术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。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术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；本专利技术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专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术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)是本专利技术建立的弓形柱体模型截面示意图。图2(b)是本专利技术建立的弓形柱体模型示意图。图3是本专利技术相邻增材扫掠体的连接示意图。图4是本专利技术建立的局部坐标系示意图。图5是本专利技术增材扫掠体的累积求和示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。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，本专利技术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MarchingCube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，以及相应刀位本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜昌亚，林涛，何姗姗，曾雄志，李振瀚，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42