一种基于网格求交的高效自由曲面分层方法及其应用技术

本发明专利技术属于增材制造相关技术领域，其公开了一种基于网格求交的高效自由曲面分层方法及其应用，其包括以下步骤：(1)筛选出STL模型与曲面切片层位于公共碰撞空间内的三角面片；(2)对公共碰撞空间进行体素化，并确定三角面片穿过的所有体素，进而在体素中存储所属三角面片ID号；(3)求解交线段；(4)将交线段连接成交线环；(5)对相交三角面片的被交线环分割成的多边形区域进行三角剖分，并筛选出位于所述STL模型内的新剖分三角面片；同时获取位于所述STL模型内部的三角面片顶点，并依据得到的三角面片顶点进行搜索以得到包含所述三角面片顶点且不属于相交三角面片的三角面片，进而完成分层。本发明专利技术显著提高了效率及精度。本发明专利技术显著提高了效率及精度。本发明专利技术显著提高了效率及精度。

An efficient free-form surface layering method based on mesh intersection and its application

【技术实现步骤摘要】
一种基于网格求交的高效自由曲面分层方法及其应用


[0001]本专利技术属于增材制造相关
，更具体地，涉及一种基于网格求交的高效自由曲面分层方法及其应用。

技术介绍

[0002]传统的增材制造基于平面分层方式进行加工，使用平面分层方式制造零件，存在许多限制和不足，如需要添加支撑材料，存在台阶效应，造成模型表面失真，在曲面基底上难以成形等问题。曲面分层方式可以很好地改善这些限制和不足，在实现保形制造、减少模型表面特征损失、提高零件表面精度等方面有明显改善。随着多自由度增材制造技术地不断发展，曲面层沉积成形CLFD(Curved Layer Fused Deposition)被大量研究，如电弧增材制造WAAM(Wire Arc Additive Manufacturing)、激光熔覆沉积LENS(Laser Engineered Net Shaping)等工艺。在无支撑打印、已有曲面基底上进行再制造等领域，需要研究曲面分层和路径规划技术。
[0003]在增材制造曲面加工领域，目前存在许多曲面分层算法，如中国专利技术专利CN 110750870 A和中国专利技术专利CN 111951399 A提出基于体素曲面距离场的方法进行曲面分层和路径轨迹规划，基于体素化的曲面分层方式，其算法时间复杂度和空间复杂度均为立方复杂度，体素化后数据量很大，计算时间很长，且存在精度误差，无法处理大尺寸模型和复杂点阵结构等模型。又如中国专利技术专利CN 110126279 A提出基于三角网格细分和沿面片法向反向偏移的方式进行曲面分层，该方法需要不断遍历模型所有的三角面片，且每次分层均需要对偏置后的点云数据做三角网格重建，效率比较低下。现有的基于三角面片的网格化曲面分层方式，用曲面切片层与模型做网格求交时，需要遍历模型的所有三角面片和曲面切片层的三角面片，算法时间复杂度为平方复杂度，无法处理大尺寸复杂模型。
[0004]综上所述，现有的曲面分层方式存在效率低下、不能处理大尺寸模型等问题，目前曲面分层算法有的只能处理简单曲面模型、存在精度误差等问题，在曲面加工领域应用范围受限。

技术实现思路

[0005]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基于网格求交的高效自由曲面分层方法及其应用，所述分层方法可以对STL模型进行圆柱面、球面以及任意自由曲面类型的曲面分层；算法时间复杂度由传统的平方复杂度降低为线性复杂度，显著提高效率；且可处理Gb级包含千万级别三角面片的大尺寸复杂模型，是一种高效精确的曲面分层方法。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于网格求交的高效自由曲面分层方法，所述分层方法包括以下步骤：
[0007](1)筛选出待加工零件的STL模型的三角网格中的三角面片与待加工零件所对应曲面切片层的三角网格中的三角面片位于公共碰撞空间内的三角面片；所述公共碰撞空间
为所述STL模型与所述曲面切片层之间的公共碰撞空间；
[0008](2)对所述公共碰撞空间进行离散体素化，并根据分离轴定理求解出步骤(1)所筛选出来的每个三角面片穿过的所有体素，进而在求解得到的体素中存储其所属的三角面片ID号，即求解得到的体素中存储有自身所属的三角面片ID号；
[0009](3)获取所述公共碰撞空间内的所有体素中同时存储了STL模型的三角面片ID号和曲面切片层的三角面片ID号的体素，并分别判断获取到的每个体素对应的所有三角面片中的两两三角面片是否相交，若相交则记录交线段；否则跳过；
[0010](4)合并得到的交线段的相同交点，以将所有交线段连接成封闭有序的交线环；
[0011](5)步骤(3)中得到的相交三角面片的内部被所述交线环分割成多个区域，对多个区域中的多边形区域进行三角剖分，并筛选出剖分得到的三角面片中位于所述STL模型内的新剖分三角面片；同时获取位于所述STL模型内部的三角面片顶点，并依据得到的三角面片顶点进行搜索以得到包含所述三角面片顶点且不属于步骤(3)中得到的相交三角面片的三角面片；
[0012](6)将步骤(5)搜索到的三角面片与新剖分三角面片合并形成包含曲面内部信息的三角网格，并将得到的三角网格与所述交线环一起作为自由曲面分层的结果。
[0013]进一步地，步骤(4)中，根据所述STL模型及所述曲面切片层的三角网格的邻接边的拓扑连续性来合并得到的交线段的相同交点，以将所有交线段连接成封闭有序的交线环。
[0014]进一步地，步骤(1)之前还包括对待加工零件的STL模型的三角网格进行拓扑重构，并根据待加工零件的表面特征构建系列曲面切片层的步骤。
[0015]进一步地，求解得到STL模型的包围盒与曲面切片层的包围盒的公共部分，即公共碰撞空间。
[0016]进一步地，步骤(2)中，根据所述STL模型的三角面片的特征尺寸设置体素精度，体素精度与STL模型三角面片的特征尺寸呈线性相关。
[0017]进一步地，首先根据STL模型的三角网格中三角面片的众数和中位数来综合表征三角面片尺寸的总体特征，并用得到的总体特征值乘以一个系数作为体素精度值。
[0018]进一步地，该系数为1.8。
[0019]进一步地，步骤(5)中，采用ear
‑
cut算法对多边形区域三角剖分。
[0020]按照本专利技术的另一方面，提供了一种如上所述的基于网格求交的高效自由曲面分层方法在增材制造中的应用。
[0021]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，本专利技术提供的基于网格求交的高效自由曲面分层方法及其应用主要具有以下有益效果：
[0022]1.所述分层方法以面片形式保存和求解曲面分层，与体素法进行曲面分层相比，提高了分层结果的精度，同时减小了算法存储空间的使用，在处理情况复杂点阵结构等精细化模型和大尺寸模型时有较大优势；该分层方法可以处理包含错误信息的模型和非实体的面类三角网格，可以对模型进行圆柱面、球面及任意自由曲面等类型的曲面分层处理。
[0023]2.通过建立多信息体素空间，优化模型与曲面切片层的三角面片筛选，算法时间复杂度由传统的平方复杂度降低到线性复杂度，设模型与曲面切片层的三角面片数量分别为M和N，传统的算法时间复杂度为O(MN)，本方法的时间复杂度为O(M+N+V)，V为相交面片数
量，显著提高了大尺寸复杂模型的分层效率；本方法可处理包含千万级别三角面片数量的Gb级大尺寸模型。
[0024]3.根据三角网格邻接边的拓扑连续性来合并得到的交线段的相同交点，避免了同一轮廓环交点在不同求交条件下的重复计算，解决交点重复求交过程因为浮点数计算误差导致的点扩散问题，获取正确曲面轮廓交线环，从而保证了曲面分层算法的精确性和鲁棒性，使得曲面分层方法具有更广泛的应用场景。
附图说明
[0025]图1是本专利技术提供的基于网格求交的高效自由曲面分层方法的流程示意图；
[0026]图2是待处理的零件模型示意图；
[0027]图3是构建的多信息体素本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于网格求交的高效自由曲面分层方法，其特征在于，所述分层方法包括以下步骤：(1)筛选出待加工零件的STL模型的三角网格中的三角面片与待加工零件所对应曲面切片层的三角网格中的三角面片位于公共碰撞空间内的三角面片；所述公共碰撞空间为所述STL模型与所述曲面切片层之间的公共碰撞空间；(2)对所述公共碰撞空间进行离散体素化，并根据分离轴定理求解出步骤(1)所筛选出来的每个三角面片穿过的所有体素，进而在求解得到的体素中存储其所属的三角面片ID号，即求解得到的体素中存储有自身所属的三角面片ID号；(3)获取所述公共碰撞空间内的所有体素中同时存储了STL模型的三角面片ID号和曲面切片层的三角面片ID号的体素，并分别判断获取到的每个体素对应的所有三角面片中的两两三角面片是否相交，若相交则记录交线段；否则跳过；(4)合并得到的交线段的相同交点，以将所有交线段连接成封闭有序的交线环；(5)步骤(3)中得到的相交三角面片的内部被所述交线环分割成多个区域，对多个区域中的多边形区域进行三角剖分，并筛选出剖分得到的三角面片中位于所述STL模型内的新剖分三角面片；同时获取位于所述STL模型内部的三角面片顶点，并依据得到的三角面片顶点进行搜索以得到包含所述三角面片顶点且不属于步骤(3)中得到的相交三角面片的三角面片；(6)将步骤(5)搜索到的三角面片与新剖分三角面片合并形成包含曲面内部信息的三角网格，并将得到的三角网格与所述交线环一起作为自由曲面分层的结果。2.如权利要求1所述的基于网格求交的高效自由曲面分层方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张李超，郭强强，陈森昌，杨蕾，王森林，史玉升，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：