三角网格细分曲面ＮＣ刀轨生成方法技术

本发明专利技术提供一种三角网格细分曲面ＮＣ刀轨生成方法，其特征在于首先建立三角网格细分曲面模型的空间聚类索引结构，然后基于该结构实现网格模型与刀轨截面快速、精确求交获取刀触点集，并根据刀触点对应曲面位置处的微分几何性质及铣削刀具类型和参数确定刀位点，最后采用最小生成树算法对刀位点集排序生成刀轨，实例证明该方法可有效提高复杂曲面模型的刀轨生成效率及精度。

Method for generating cutter path of triangular mesh subdivision surface NC

The invention provides a triangular mesh subdivision of NC tool path generation method, which is characterized in that the spatial clustering index structure firstly established subdivision surface model of triangular mesh, then the structure mesh model and the tool path section fast and accurate intersection to get the cutter contact set based on, and determine the cutter location according to the differential geometry and milling cutter type and at the corresponding position of the cutter contact surface parameters, finally using minimum spanning tree algorithm of cutter location sets ranking tool path generation examples prove that this method can effectively improve the complex surface model of tool path generation efficiency and precision.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供一种三角网格细分曲面NC刀轨生成方法，属于计算机辅助制造领域。
技术介绍
基于三角网格细分曲面可实现产品外形采样数据点云的曲面模型快速精确重构，目前已在产品逆向工程领域获得广泛应用。对逆向工程系统输出的三角网格细分曲面模型直接进行数控加工，可有效缩短复杂外形产品开发周期，降低产品成本，但由于三角网格细分曲面仅能实现工件型面的离散逼近表示且模型数据量大，其数控加工刀轨求解精度与效率是制约逆向工程与现行CAM技术无缝集成的关键问题。 对现有基于三角网格曲面获取数控加工刀轨的技术文献进行检索发现，孙玉文等在学术期刊《机械工程学报》2002，38(10)，P50-54上发表的学术论文“基于三角网格曲面模型的刀位轨迹计算方法”中，采用三次Bézier插值曲线代替网格边界计算刀位数据，一定程度上提高了刀轨精度，但由于曲线插值过程复杂，当刀轨截面过密时，导致网格边界重复插值，刀轨生成效率低；钟大平等在学术期刊《东南大学学报(自然科学版)》2004，34(1)，P50-53上发表的学术论文“细分曲面的NC刀轨生成算法及实现”中，采用细分曲面精确表示工件模型，基于等距偏置曲面计算刀位数据，但是，为提高刀轨精度需要对工件模型多次细分及等距偏置运算，严重影响了刀轨生成效率。此外，三角网格曲面模型通常由大规模密集三角面片组成，为其建立合理的数据结构是提高网格模型几何运算效率的首要条件，孙玉文等采用三角面片邻接链表存储三角网格曲面模型，由于三角面片邻接链表的建立及维护过程过于繁琐，链表中存在大量的面片冗余信息，严重影响了三角网格模型各类几何运算的整体效率；钟大平等在其论文结论中指出细分曲面模型本身就存储着三角面片之间的拓扑关系，可快速生成刀轨，事实上细分曲面的实现过程中所使用的网格数据结构仅能实现三角面片线性遍历，基于该结构的网格模型几何运算效率低于三角面片邻接链表。 综上所述，现有技术存在的缺陷是缺乏针对三角网格细分曲面模型的空间数据索引结构，严重制约了数控加工刀轨的生成效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能克服上述缺陷、可快速生成三角网格细分曲面模型数控加工刀轨的刀触点、并根据曲面模型的微分几何性质及铣削刀具类型和参数确定刀位点、有效提高数控加工刀轨的精度的三角网格细分曲面NC刀轨生成方法。其技术方案为 一种三角网格细分曲面NC刀轨生成方法，其特征在于步骤依次为1)构建三角网格细分曲面模型空间聚类索引结构，具体是把三角网格数据读入到存储器中，并为三角网格数据建立线性链表存储结构，改进R*-tree动态空间索引数据结构，将三角面片及索引结点MBR(Minimum Bounding Rectangle)统一表示为四维点对象(x，y，z，r)，其中x，y，z为MBR中心坐标，r为MBR的外接球半径值，采用k-means算法对三角面片进行空间聚类分簇，建立三角网格细分曲面模型空间聚类索引结构；2)深度优先遍历三角网格细分曲面模型空间聚类索引结构，获取与刀轨截平面相交数据结点内的三角面片；3)基于刀触点处网格模型的局部微分几何性质，根据铣削刀具类型及参数计算刀位点；4)采用最小生成树法对散乱刀位点集进行排序，获得有序刀位点集。 为实现专利技术目的，所述的三角网格细分曲面NC刀轨生成方法，在步骤1)中采用k-means算法实现三角面片集合的空间聚类分簇，具体是①任意选取k个结点MBR中心作为索引结点的初始分簇中心；②将每个非分簇中心索引结点选择距其MBR中心最近的分簇进行插入，将分裂结果规范化为四维点对象；③对于同簇结点中的N个索引结点，其四维标准化坐标为pi(xi，yi，zi，ri)(i＝1，...，N)，将以ri为权因子计算所得结点重心作为新分簇中心，用新分簇中心代替原来的分簇中心；④将新分簇中心和上一次分簇中心进行比较，如果相同则结束分簇，否则查看分簇次数是否超过最大分簇次数，如果超过最大分簇次数，则结束，否则返回步骤②，继续分簇。 为实现专利技术目的，所述的三角网格细分曲面NC刀轨生成方法，在步骤2)中，通过刀轨截平面与三角网格细分曲面模型空间索引结构各层结点的位置关系，逐层查找与刀轨截平面相交的各层索引结点，最终获取与刀轨截平面相交数据结点，进而获取与刀轨截平面相交的三角面片，利用三角面片与刀轨截平面求交获得刀触点。 为实现专利技术目的，所述的三角网格细分曲面NC刀轨生成方法，在步骤3)中，以当前刀触点为目标点查询其近邻点获取刀触点处局部型面参考数据点集，对其进行最小二乘逼近建立微切平面，将微切平面的法矢作为该刀触点处的法向矢量，根据刀触点法向矢量及铣削刀具类型和参数计算刀位点。 为实现专利技术目的，所述的三角网格细分曲面NC刀轨生成方法，在步骤3)中，刀触点处局部型面参考数据的获取方法是利用三角网格细分曲面模型的空间聚类结构查找目标点所在网格边界的顶点，并不断向周围扩张查找与已找到顶点共边界的顶点，以这些边界顶点与目标点构成刀触点处局部型面参考数据来表达刀触点处局部型面几何特性。 为实现专利技术目的，所示的三角网格细分曲面NC刀轨生成方法，在步骤4)中，对散乱的刀位点集采用最小生成树法Prim算法进行排序，设集合V为刀位点集的集合，集合U存放V的最小生成树的顶点，集合T存放V最小生成树的边，各点之间的距离作为各条边的权值，具体的排序步骤为①令集合U的初值为U＝{u1}(假设构造最小生成树时，从交点u1出发)，集合T初值为空；②从u∈U，v∈V-U的边中，选取具有最小权值的边(u，v)，将顶点v加入到集合U中，将边(u，v)加入到集合T中；③重复步骤②，直到U＝V时，最小生成树构造完毕。最小生成树所有边的顶点依次输出就是排序后的有序刀位点集。 本专利技术与现有技术相比，具有以下三个优点 (1)基于改进的R*-tree空间聚类索引结构实现刀轨截面与三角面片的快速求交，刀轨生成效率大幅度提高； (2)根据刀触点对应曲面位置处的微分几何性质及铣削刀具类型和参数确定刀位点，有效提高刀轨生成精度； (3)采用最小生成树算法对刀位点进行快速排序，提高了数控加工刀轨的正确性。 附图说明 图1是本专利技术程序流程图； 图2是本专利技术所建立的三角网格细分曲面模型空间聚类索引结构整体结构示意图； 图3是本专利技术空间聚类索引结构索引结点规范化表示； 图4是本专利技术k-means算法分簇实现流程图； 图5～图9是本专利技术球面模型空间聚类索引结构各层索引结点MBR模型图； 图10是本专利技术数控加工刀轨计算流程图； 图11～图13是本专利技术与刀轨截平面相交数据结点获取过程示意图； 图14是本专利技术刀位点计算示意图； 图15是本专利技术Prim算法排序实现流程图； 图16是本专利技术对球面模型进行数控加工刀轨计算获取的刀轨图； 图17是本专利技术实施维纳斯头像三角网格细分曲面模型及局部放大图； 图18是本专利技术对维纳斯头像模型进行数控加工刀轨计算获取的刀轨图及局部放大图。 具体实施例方式 下面结合附图对本专利技术作进一步说明。 采用C语言实现三角网格细分曲面模型数控加工刀轨的生成，本专利技术三角网格细分曲面模型数控加工刀轨生成程序的实现流程图如附图1所示。数据输入程序1负责读入三角网格细分曲面模型数据，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三角网格细分曲面ＮＣ刀轨生成方法，其特征在于步骤依次为：１）构建三角网格细分曲面模型空间聚类索引结构，具体是：把三角网格数据读入到存储器中，并为三角网格数据建立线性链表存储结构，改进Ｒ↑［＊］－ｔｒｅｅ动态空间索引数据结构，将三角面片及索引结点ＭＢＲ统一表示为四维点对象（ｘ，ｙ，ｚ，ｒ），其中ｘ，ｙ，ｚ为ＭＢＲ中心坐标，ｒ为ＭＢＲ的外接球半径值，采用ｋ－ｍｅａｎｓ算法对三角面片进行空间聚类分簇，建立三角网格曲面模型空间聚类索引结构；２）深度优先遍历三角网格细分曲面模型空间聚类索引结构，获取与刀轨截平面相交数据结点内的三角面片；３）基于刀触点处网格模型的局部微分几何性质，根据铣削刀具类型及参数计算刀位点；４）采用最小生成树法对散乱刀位点集进行排序，获得有序刀位点集。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙殿柱，李延瑞，田中朝，李心成，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：37[中国|山东]