一种切削几何体的图像表达方法技术

本发明专利技术公开了一种切削几何体的图像表达方法，包括：将工件的和刀具的Tri‑Dexel模型的交集作为切削几何体的Tri‑Dexel模型；对切削几何体的Tri‑Dexel模型的包围盒进行网格划分，得到多个网格单元，从切削几何体对应的刀具球心处引出射线，与包围盒相交，从交点所在的网格单元开始，沿着射线方向搜索位于切削几何体边界的网格单元，将搜索到的网格单元中的Dexel线段的端点相连接，形成切削几何体的虚拟边界；从切削几何体对应的刀具球心处引出射线与切削几何体的虚拟边界相交，两个交点之间的距离即为径向切削厚度，用矩阵存储不同角度的射线得到的径向切削厚度，将矩阵转化为灰度图。这种图像表达方法，便于储存和应用，能够准确、定量、直观地描述切削几何体的几何形状。

【技术实现步骤摘要】
一种切削几何体的图像表达方法
本专利技术属于数控加工领域，更具体地，涉及一种切削几何体的图像表达方法。
技术介绍
在五轴数控加工过程中，刀具进行复杂的空间运动，切削工件，去除多余的材料。一般地，用切削仿真模拟实际加工过程。刀具与工件做相对运动，刀具切除工件，被去除的工件材料，即刀具与工件交集称为切削几何体。研究切削几何体，对于研究实时切削力、切削热十分关键，对于优化加工参数、提高工件表面质量、提升加工效率等有非常重要的意义。实际加工过程中，刀轴方向、刀具加工路径、待加工工件表面不断变化，导致切削几何体不断变化，其几何形状由工件已加工表面、待加工表面、刀具几何参数、切削参数、加工路径等因素决定。由于工件几何形状和加工路径的复杂性，切削几何体是一种三维的复杂多面体，不易存储，不易应用，而常用的几何参数无法描述其几何形状、存储其几何信息。常见的描述切削几何体的工艺参数主要包括CWE(Cutter-workpieceEngagement)、切削深度、切削宽度、材料去除量等。CWE指刀具与工件接触区域，即加工过程中，刀具表面与工件表面接触的区域。切削几何体指加工过程中，刀具切削工件，工件材料不断减少，工件被刀具去除掉的几何体。切削深度是指垂直于进给速度方向的切削层的最大尺寸，即沿垂直于刀具进给方向，工件已加工表面与待加工表面的距离。切削宽度是指在加工过程中，刀具沿其半径方向，实际参与切削的宽度。材料去除量是指加工过程中，刀具切削工件，工件被去除的部分的体积。由于工件几何形状和多轴加工的复杂性，切削几何体的几何形状十分复杂且不规则，这些现有的几何参数都有各自的使用场景，但是都不能具体、准确、定量地描述切削几何体的几何形状。综上所述，当前存在的主要问题是，常见的切削工艺参数，无法准确、定量的描述切削过程中切削几何体的几何形状，不易应用于对切削几何体、实时切削力、切削热等方面的研究。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种切削几何体的图像表达方法，由此解决现有技术存在无法准确、定量的描述切削过程中切削几何体几何形状的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种切削几何体的图像表达方法，包括如下步骤：(1)将工件的三角面片组成的三维模型离散，得到工件的Tri-Dexel模型，将刀具的运动轨迹离散，得到刀具的Tri-Dexel模型；(2)将工件的Tri-Dexel模型和刀具的Tri-Dexel模型的交集作为切削几何体的Tri-Dexel模型；(3)对切削几何体的Tri-Dexel模型的包围盒进行网格划分，得到多个网格单元，从切削几何体对应的刀具球心处引出射线，与包围盒相交，从交点所在的网格单元开始，沿着射线方向搜索位于切削几何体边界的网格单元，将搜索到的网格单元中的Dexel线段的端点相连接，形成切削几何体的虚拟边界；(4)从切削几何体对应的刀具球心处引出射线与切削几何体的虚拟边界相交，两个交点之间的距离即为径向切削厚度，用矩阵存储不同角度的射线得到的径向切削厚度，将矩阵转化为灰度图。进一步地，所述步骤(4)中矩阵的行数表示刀具坐标系对应的球坐标系的天顶角，矩阵的列数表示刀具坐标系对应的球坐标系的方位角，矩阵的元素为不同天顶角和方位角组合下的射线得到的径向切削厚度。进一步地，所述天顶角的范围是91°-180°。进一步地，所述方位角的范围是1°-360°。进一步地，所述刀具的Tri-Dexel模型的具体构建方式为：在刀具的运动轨迹中的相邻刀位点之间进行插补，得到子刀位点，在子刀位点处，将刀具表面分为底部半球面、球身圆柱面和底部圆面，分别将底部半球面、球身圆柱面和底部圆面分解成三角面片组成的三维模型，将三维模型离散化，构建刀具的Tri-Dexel模型。进一步地，所述工件的Tri-Dexel模型的具体构建方式为：将工件的三角面片组成的三维模型在XY轴平面划分网格，在每个网格中从Z轴方向做射线，该射线与三维模型中三角面片的交点形成Z轴方向的Dexel模型；将工件的三角面片组成的三维模型在XZ轴平面划分网格，在每个网格中从Y轴方向做射线，该射线与三维模型中三角面片的交点形成Y轴方向的Dexel模型；将工件的三角面片组成的三维模型在YZ轴平面划分网格，在每个网格中从X轴方向做射线，该射线与三维模型中三角面片的交点形成X轴方向的Dexel模型；XYZ轴方向的Dexel模型组成工件的Tri-Dexel模型。进一步地，所述步骤(3)中的射线为刀具坐标系对应的球坐标系中天顶角91°-180°，方位角1°-360°范围内的所有射线。进一步地，所述矩阵转化为灰度图的具体实现方式为：将矩阵中的径向切削厚度归一化至0-65535，得到灰度图的像素值。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术提出用径向切削厚度来描述切削几何体的几何形状，将切削几何体三维Tri-Dexel模型数据转化为二维径向切削厚度矩阵数据，最后，转化为格式与存储空间占用量固定的灰度图。灰度图的像素存储的为径向切削厚度，可以根据像素点的深浅，直观的看出切削几何体各个部位的切厚，而定量指的是将切削几何体这个三维形体表达转化为具体的数字(像素值)表达。以上充分说明本专利技术的图像表达方法，便于储存，便于应用，能够准确、定量、直观地描述切削几何体的几何形状。(2)本专利技术构建虚拟边界的方式不需要整体的重建边界(marchingcubes算法是整体重建而且必须整体重建)，是一种局部的边界重建方法，可以简化求解过程。(3)本专利技术矩阵的元素为不同天顶角和方位角组合下的射线得到的径向切削厚度，便于通过灰度图中像素点的深浅，直观的看出切削几何体在球坐标系中具体位置的切厚。(4)切削几何体存储了诸多的信息，但其格式不固定，难以处理，难以应用于对切削几何体、实时切削力、切削热等方面的研究，但是其转换为图像表达后，大小和格式固定，就可以方便处理，方便应用于对切削几何体、实时切削力、切削热等方面的研究。(5)本专利技术对刀位点进行插补，可以提高加工的精度，通过离散的方式建立工件的Tri-Dexel模型和刀具的Tri-Dexel模型，由此将刀具与工件的复杂的切削运动转化为模型表达。0-255的图像(8位)表示精度太低了，本专利技术采用的是16位的图像，表达范围就拓展到了0-65535。附图说明图1为本专利技术的整体流程图；图2为本专利技术实施例提供的Dexel射线与三角面片模型求交示意图；图3为本专利技术实施例提供的离散化的毛坯Tri-Dexel模型；图4为本专利技术实施例提供的离散化的刀具Tri-Dexel模型；图5中(1)为本专利技术实施例提供的刀具模型与工件模型的第一种求交示意图，图5中(2)为本专利技术实施例提供的刀具模型与工件模型的第二种求交示意图，图5中(3)为本专利技术实施例提供的刀具模型与工件模型的第三种求交示意图，图5中(4)为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种切削几何体的图像表达方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)将工件的三角面片组成的三维模型离散，得到工件的Tri-Dexel模型，将刀具的运动轨迹离散，得到刀具的Tri-Dexel模型；/n(2)将工件的Tri-Dexel模型和刀具的Tri-Dexel模型的交集作为切削几何体的Tri-Dexel模型；/n(3)对切削几何体的Tri-Dexel模型的包围盒进行网格划分，得到多个网格单元，从切削几何体对应的刀具球心处引出射线，与包围盒相交，从交点所在的网格单元开始，沿着射线方向搜索位于切削几何体边界的网格单元，将搜索到的网格单元中的Dexel线段的端点相连接，形成切削几何体的虚拟边界；/n(4)从切削几何体对应的刀具球心处引出射线与切削几何体的虚拟边界相交，两个交点之间的距离即为径向切削厚度，用矩阵存储不同角度的射线得到的径向切削厚度，将矩阵转化为灰度图。/n

【技术特征摘要】
1.一种切削几何体的图像表达方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将工件的三角面片组成的三维模型离散，得到工件的Tri-Dexel模型，将刀具的运动轨迹离散，得到刀具的Tri-Dexel模型；
(2)将工件的Tri-Dexel模型和刀具的Tri-Dexel模型的交集作为切削几何体的Tri-Dexel模型；
(3)对切削几何体的Tri-Dexel模型的包围盒进行网格划分，得到多个网格单元，从切削几何体对应的刀具球心处引出射线，与包围盒相交，从交点所在的网格单元开始，沿着射线方向搜索位于切削几何体边界的网格单元，将搜索到的网格单元中的Dexel线段的端点相连接，形成切削几何体的虚拟边界；
(4)从切削几何体对应的刀具球心处引出射线与切削几何体的虚拟边界相交，两个交点之间的距离即为径向切削厚度，用矩阵存储不同角度的射线得到的径向切削厚度，将矩阵转化为灰度图。


2.如权利要求1所述的一种切削几何体的图像表达方法，其特征在于，所述步骤(4)中矩阵的行数表示刀具坐标系对应的球坐标系的天顶角，矩阵的列数表示刀具坐标系对应的球坐标系的方位角，矩阵的元素为不同天顶角和方位角组合下的射线得到的径向切削厚度。


3.如权利要求2所述的一种切削几何体的图像表达方法，其特征在于，所述天顶角的范围是91°-180°。


4.如权利要求2所述的一种切削几何体的图像表达方法，其特征在于，所述方位角的范围是1°-360°。


5.如权利要求1-4任一所述的一种切削几何体的图像表达方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡鹏程，程思凡，谢杰君，韩文帅，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42