三维模型表面路径规划方法、系统、设备、终端及应用技术方案

本发明专利技术属于激光刻蚀加工技术领域，公开了一种三维模型表面路径规划方法、系统、设备、终端及应用，包括：根据激光刻蚀加工系统的扫描振镜的加工范围和最大加工焦深，使用最小外接矩形的方法求出每一次激光扫描振镜在三维模型表面加工的划分区域大小，并提取出该区域的中心点作为路径规划的定位顶点；然后对定位顶点集合作为三维模型表面路径规划的初始点集合，使用改进的鸡群算法对空间中的初始点位进行路径规划，并将规划后的定位点索引序列输出保存。本发明专利技术基于分区加工与路径规划的思想划分三维模型表面区域并使用改进的鸡群算法规划加工路径，使得在激光刻蚀加工过程中的运动轨迹长度大大减少，缩短用于定位和空行程的距离，提高加工效率。提高加工效率。提高加工效率。

【技术实现步骤摘要】
三维模型表面路径规划方法、系统、设备、终端及应用


[0001]本专利技术属于激光刻蚀加工
，尤其涉及一种三维模型表面路径规划方法、系统、设备、终端及应用。

技术介绍

[0002]目前，在激光刻蚀加工的发展中，对复杂模型的表面加工技术已经成为了非常重要的技术需求。如今加工的模型的形状越来越多样，表面的刻蚀加工处理也越来越复杂。模型越大，模型表面需要刻蚀加工的处理越多，在激光刻蚀加工系统的五轴加工机床需要定位的次数也越多，所以机床用在频繁移动确定下一个加工位置的无效行程也越多。如果没有一条合理的加工路线，那么造成的无效行程大大增加，使得整体的加工效率低下。此时通常采用更大的加工区域和更好的加工轨迹减少无效运动的时间。由于刻蚀加工系统的激光加工的范围和焦深是有限的，所以需要分区域加工，在模型表面一次激光刻蚀加工的区域越大，需要在加工中用于定位的次数也就越少，加工时间也就越短。由于一条好的加工路径要比一条差的加工路径缩短几倍甚至几十倍的加工时间，所以规划一条好的加工路线对整体加工的效率也有着巨大的提升。
[0003]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有针对复杂模型表面的加工技术中，模型越大，模型表面需要刻蚀加工的处理越多，在激光刻蚀加工系统的五轴加工机床需要定位的次数也越多，机床用在频繁移动确定下一个加工位置的无效行程也越多，造成的无效行程大大增加，使得整体加工效率低下。
[0004]解决以上问题及缺陷的难度为：目前在激光加工中主要采用的传统路径规划算法，比如拓扑法、人工势场法、栅格法等，在应对数据规模较大的模型时计算时间过长，计算所得的加工路径与最优规划路径相比差距仍然很大，加工时间仍然很长，在提高加工效率方面仍不理想。
[0005]解决以上问题及缺陷的意义为：采用本算法能够极大的缩短路径规划算法的时间，所得的加工路径相对于传统方法更接近最优路径，能够在加工过程中大大缩减空行程所用的时间，缩短整体模型加工的时间，能够有效的提高生产效率。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种三维模型表面路径规划方法、系统、设备、终端及应用，尤其涉及一种面向激光刻蚀加工过程的基于改进鸡群算法的三维模型表面路径规划方法。
[0007]本专利技术是这样实现的，一种三维模型表面路径规划方法，所述三维模型表面路径规划方法包括：
[0008]根据激光刻蚀加工系统的扫描振镜的加工范围和最大加工焦深，使用最小外接矩形的方法求出每一次激光扫描振镜在三维模型表面加工的划分区域大小，并提取出该区域的中心点作为路径规划的定位顶点；然后对定位顶点集合作为三维模型表面路径规划的初
始点集合，使用改进的鸡群算法对空间中的初始点位进行路径规划，并将规划后的定位点索引序列输出保存；
[0009]其中，所述三维模型表面路径规划方法，包括模型表面区域划分、定位点提取、改进鸡群算法参数初始化、初始算法位置并更新位置、采用模拟退火方法加速以及规划结果输出部分。
[0010]进一步，所述三维模型表面路径规划方法包括以下步骤：
[0011]步骤一，进行模型表面区域划分，将三维模型文件解析并存储成三角面的集合，包含三个点和三条边，以便对邻接面进行搜索；
[0012]步骤二，根据激光刻蚀加工系统的加工范围和最大焦深确定加工的每个区域，采用邻接边搜索的方式，确定区域内的最大外接矩形，缩减加工中用于定位需要的时间；
[0013]步骤三，根据步骤二计算出的划分好的区域，将每个区域内的中心点提取出并存入集合中；
[0014]步骤四，根据步骤三提取出的区域中心点集合，作为改进鸡群算法规划路径的初始点，并将中心点编码成改进鸡群算法的三种鸡群，即公鸡、母鸡和小鸡；其中公鸡优先级最高，母鸡的优先级其次，小鸡的优先级最低，定义适应度函数和初始化参数，多群协同计算加速算法的收敛过程，并且增加了算法的稳定性；
[0015]步骤五，根据步骤四各种参数，加入三种鸡群的位置移动公式，进行迭代并更新鸡群的个体最优位置和全局最优位置，记录全局最优规划距离以便和其他规划的距离作对比；
[0016]步骤六，将步骤五得到的结果作为模拟退火算法的初始值，并使用模拟退火算法计算结果，防止算法陷入局部最优状态，将最后的计算结果保存输出到路径规划的文件中。
[0017]进一步，步骤一中，所述构成三角面片的集合为S，构成区域的中心点的集合为T，其中每个面片对应为f1,f2,...,f
n
，对于某个面片f
x
，其三条边分别表示为v0,v1,v2，x∈[1,n]；解析在激光加工中的三维模型的文件格式并提取出构成模型的三角面片，并保存构成三角面片的三个顶点的三维坐标和三条边。
[0018]其中，所述模型表面区域划分，包括：
[0019](1)设定初始的分割结果集合U为空集，随机选择一个未划分的三角网格f
k
作为初始划分面，并且加入到结果结合U＝{f
k
}；
[0020](2)找到与三角网格分割结果集合U内的三角面片相邻的三角面片集合M＝{f
j
,f
j+1
,f
j+2
,...}；
[0021](3)如果U集合为空集则跳转到步骤一，否则选取M集合中的一个三角面片f
j+x
加入到U集中；如果集合U+{f
j+x
}能够找到一个外接长方体，并且外接长方形的长、宽满足加工范围和焦深，则继续执行下一步，否则跳到步骤(5)；
[0022](4)将f
j+x
加入到分割结果的集合U并更新集合M，删除M集合中的元素f
j+x
，即执行U＝U+{f
j+x
}，M＝M
‑
f
j+x
，然后执行步骤(3)；
[0023](5)更新集合M＝M
‑
f
j+x
，然后执行步骤(3)；
[0024](6)三角面片全部归属到各个区域中，返回区域的集合。
[0025]进一步，步骤二中，利用步骤一中得出的三角面片集合使用其邻接三角面片的方式，逐层向外拓展，根据激光刻蚀加工系统的加工范围和最大焦深求出区域内三角面片集
合的最大外接矩形。
[0026]其中，所述最大外接矩形的确定，包括：
[0027](1)确定投影面：将一个区域内所有三角面片的顶点选择出三个顶点作为集合U的基准面；
[0028](2)通过计算得到U集合中的每个三角面片上的点到基准面的距离：假设选定的基准面的三个点为V0(x0,y0,z0)、V1(x1,y1,z1)、V2(x2,y2,z2)，平面外的一点P(a,b,c)，在平面内找到一点Q(a1,b1,c1)，得到的向量与基准面的面法向量
[0029][0030](3)根据向量与基准面的面法向量平行，计算出平面外的点P到平面的距离d：
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维模型表面路径规划方法，其特征在于，所述三维模型表面路径规划方法包括：根据激光刻蚀加工系统的扫描振镜的加工范围和最大加工焦深，使用最小外接矩形的方法求出每一次激光扫描振镜在三维模型表面加工的划分区域大小，并提取出该区域的中心点作为路径规划的定位顶点；然后对定位顶点集合作为三维模型表面路径规划的初始点集合，使用改进的鸡群算法对空间中的初始点位进行路径规划，并将规划后的定位点索引序列输出保存；其中，所述三维模型表面路径规划方法，包括模型表面区域划分、定位点提取、改进鸡群算法参数初始化、初始算法位置并更新位置、采用模拟退火方法加速以及规划结果输出部分。2.如权利要求1所述三维模型表面路径规划方法，其特征在于，所述三维模型表面路径规划方法包括以下步骤：步骤一，进行模型表面区域划分，将三维模型文件解析并存储成三角面的集合，包含三个点和三条边；步骤二，根据激光刻蚀加工系统的加工范围和最大焦深确定加工的每个区域，采用邻接边搜索的方式，确定区域内的最大外接矩形；步骤三，根据步骤二计算出的划分好的区域，将每个区域内的中心点提取出并存入集合中；步骤四，根据步骤三提取出的区域中心点集合，作为改进鸡群算法规划路径的初始点，并将中心点编码成改进鸡群算法的三种鸡群，即公鸡、母鸡和小鸡；其中公鸡优先级最高，母鸡的优先级其次，小鸡的优先级最低，定义适应度函数和初始化参数；步骤五，根据步骤四各种参数，加入三种鸡群的位置移动公式，进行迭代并更新鸡群的个体最优位置和全局最优位置；步骤六，将步骤五得到的结果作为模拟退火算法的初始值，并使用模拟退火算法计算结果，将最后的计算结果保存输出到路径规划的文件中。3.如权利要求2所述三维模型表面路径规划方法，其特征在于，步骤一中，所述构成三角面片的集合为S，构成区域的中心点的集合为T，其中每个面片对应为f1,f2,...,f
n
，对于某个面片f
x
，其三条边分别表示为v0,v1,v2，x∈[1,n]；解析在激光加工中的三维模型的文件格式并提取出构成模型的三角面片，并保存构成三角面片的三个顶点的三维坐标和三条边；其中，所述模型表面区域划分，包括：(1)设定初始的分割结果集合U为空集，随机选择一个未划分的三角网格f
k
作为初始划分面，并且加入到结果结合U＝{f
k
}；(2)找到与三角网格分割结果集合U内的三角面片相邻的三角面片集合M＝{f
j
,f
j+1
,f
j+2
,...}；(3)如果U集合为空集则跳转到步骤一，否则选取M集合中的一个三角面片f
j+x
加入到U集中；如果集合U+{f
j+x
}能够找到一个外接长方体，并且外接长方形的长、宽满足加工范围和焦深，则继续执行下一步，否则跳到步骤(5)；(4)将f
j+x
加入到分割结果的集合U并更新集合M，删除M集合中的元素f
j+x
，即执行U＝U+{f
j+x
}，M＝M
‑
f
j+x
，然后执行步骤(3)；
(5)更新集合M＝M
‑
f
j+x
，然后执行步骤(3)；(6)三角面片全部归属到各个区域中，返回区域的集合。4.如权利要求2所述三维模型表面路径规划方法，其特征在于，步骤二中，利用步骤一中得出的三角面片集合使用其邻接三角面片的方式，逐层向外拓展，根据激光刻蚀加工系统的加工范围和最大焦深求出区域内三角面片集合的最大外接矩形；其中，所述最大外接矩形的确定，包括：(1)确定投影面：将一个区域内所有三角面片的顶点选择出三个顶点作为集合U的基准面；(2)通过计算得到U集合中的每个三角面片上的点到基准面的距离：假设选定的基准面的三个点为V0(x0,y0,z0)、V1(x1,y1,z1)、V2(x2,y2,z2)，平面外的一点P(a,b,c)，在平面内找到一点Q(a1,b1,c1)，得到的向量与基准面的面法向量与基准面的面法向量(3)根据向量与基准面的面法向量平行，计算出平面外的点P到平面的距离d：(4)计算集合U中所有的点到基准面的距离后，选择正向和负向最远的点之间的距离就是集合U与基准面在垂直方向上的最大距离，即为加工范围中对应的焦深；(5)通过直线与面的相交公式求得P点垂直于平面上的点的坐标：通过计算得出集合U中的所有点投影到基准面的距离后，找到在基准面的平面直角坐标系x轴、y轴方向上距离最远的点，即为最小外接矩形的长和宽；(6)将满足加工范围和焦深的区域范围通过邻接三角面增加面积，直到不满足加工范围停止，并将这个区域的三角面片集合保存。5.如权利要求2所述三维模型表面路径规划方法，其特征在于，步骤三中，将步骤二得到的区域集合，计算出区域内所有三角面片的中心点，并使用均值方式计算整个区域的中心点；其中，所述三角面片的中心点公式为：一个区域的中心点坐标为：将所有区域计算出的中心点坐标保存到集合中，并作为路径规划算法的初始点。6.如权利要求2所述三维模型表面路径规划方法，其特征在于，步骤四中，将步骤三中得到的中心点集合作为路径规划算法的初始点，将初始点依次作为起始节点，使用轮盘赌的方式计算出一条路径索引序列，所有初始点作为起始点计算出一条路径共同组成一个矩阵；编码起始点计算的路径序列，计算每个序列的适应度，并根据适应度高低按照一定比
例分别编码为鸡群算法的公鸡、母鸡和小鸡三种模式，然后初始化算法的各项参数；其中，所述三维模型表面的路径规划算法，包括：(1)初始化改进鸡群算法参数，定义适应度函数，并初始化距离矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：李广鑫，王超，任翔，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：