一种边界约束驱动的曲面统一加工轨迹生成方法及系统

本发明涉及曲面数字化表征，尤其涉及一种边界约束驱动的曲面统一加工轨迹生成方法及系统。

背景技术：

1、在自由曲面光学元件、非球面光学元件及具有非规则口径、孔结构、内部特征边界和多曲面片拼接结构的复杂光学模具的数控加工过程中，通常需要根据待加工曲面的设计数据建立曲面表征模型，并据此生成加工驱动线和加工路径，再沿路径进行曲面高度、梯度及法向求值，结合加工工具几何参数完成工具位置计算，最终形成可供机床执行的加工轨迹。上述技术路线已在车削、铣削、磨削、抛光及确定性表面修形等多种加工场景中得到应用。

2、然而，现有技术中，曲面表征模型的构建与加工路径的生成通常作为相互独立的计算环节分别处理，有效口径边界主要用于裁剪加工路径或判断路径点的区域归属，而由连续加工驱动线与有效口径边界产生的实际交点，既不能保证进入加工路径成为确定的路径节点，也不能同时作为曲面表征模型的插值约束参与模型构建，导致加工路径实际经过的边界位置与曲面表征模型所使用的约束位置之间缺乏一致的对应关系，在复杂边界、大点距或多曲面片拼接条件下尤为突出。

技术实现思路

1、本发明提供一种边界约束驱动的曲面统一加工轨迹生成方法及系统，用以解决现有技术的缺陷。

2、本发明提供一种边界约束驱动的曲面统一加工轨迹生成方法，包括：

3、s1、获取用于限定待加工曲面的有效口径域的有效口径边界及待加工曲面的采样点集合；

4、s2、生成覆盖所述有效口径域的加工驱动线，并将所述加工驱动线与所述有效口径边界求交，得到强制采样点；

5、s3、以所述有效口径边界为约束，将所述采样点集合中的采样数据与所述强制采样点合并输入边界约束插值支撑结构，生成统一高度场插值模型；

6、s4、将所述强制采样点作为路径节点加入由所述加工驱动线离散所得的加工路径，并基于所述统一高度场插值模型对所述加工路径上的多个路径节点进行求值，结合工具几何补偿，得到曲面加工轨迹。

7、根据本发明提供的一种边界约束驱动的曲面统一加工轨迹生成方法，步骤s1中，所述有效口径边界的获取步骤进一步包括：

8、s111、提取三维边界曲线；

9、s112、将所述三维边界曲线向加工平面进行投影或坐标变换处理，得到加工平面内的有效口径边界。

10、根据本发明提供的一种边界约束驱动的曲面统一加工轨迹生成方法，步骤s111中，所述三维边界曲线的数据来源包括：cad几何模型、b-rep模型、参数曲面模型、nurbs曲面模型、修剪曲面模型、测量数据、加工口径定义数据；

11、步骤s112中，所述有效口径边界包括：外边界、孔边界、内部特征边界、非光滑特征边界、曲面片共享边界、修剪曲面片修剪边界；所述有效口径域包括凸域、非凸域、带孔域、多个子口径域、由多个相邻曲面区域构成的组合口径域。

12、根据本发明提供的一种边界约束驱动的曲面统一加工轨迹生成方法，步骤s1中，所述采样点集合的获取步骤进一步包括：

13、s121、在所述有效口径域的包围矩形内建立规则矩形网格，将位于所述有效口径域内部的网格节点从对应曲面片获取三维坐标，得到内部曲面采样点；

14、s122、沿所述有效口径边界设置边界采样点，从与多个边界采样点关联的曲面片获取曲面高度及法向数据；

15、s123、根据多个边界采样点的法向数据中的法向分量，计算统一高度场插值模型所需的一阶斜率，将内部曲面采样点与边界采样点合并，得到包括所有采样数据的采样点集合。

16、根据本发明提供的一种边界约束驱动的曲面统一加工轨迹生成方法，步骤s2进一步包括：

17、s21、生成覆盖所述有效口径域的加工驱动线；

18、s22、对所述加工驱动线与所述有效口径边界进行几何求交或数值求交处理，得到候选交点集合；

19、s23、对所述候选交点集合进行有效性判定及重复交点合并处理，筛选得到有效交点；

20、s24、对所述有效交点标注边界标识、边界类型，并根据边界类型标注进入状态、退出状态、跨边界状态或其他边界状态中的至少一种，获得强制采样点。

21、根据本发明提供的一种边界约束驱动的曲面统一加工轨迹生成方法，步骤s3进一步包括：

22、s31、以所述采样点集合中的多个采样数据为插值节点，将所述有效口径边界作为几何约束输入，进行约束三角剖分或约束delaunay三角剖分处理，得到边界约束插值支撑结构，并排除位于所述有效口径域外部或孔域内部的无效支撑单元；

23、s32、将所述强制采样点及对应的高度信息与一阶导数信息加入所述边界约束插值支撑结构的约束数据，对受影响区域的边界约束插值支撑结构进行局部更新；

24、s33、在所述边界约束插值支撑结构的有效支撑单元上建立分片连续插值函数，根据硬插值约束、连续性约束及边界约束求解模型参数，并建立空间索引，得到统一高度场插值模型。

25、根据本发明提供的一种边界约束驱动的曲面统一加工轨迹生成方法，步骤s33中，所述分片连续插值函数为clough-tocher类三角宏单元插值函数；clough-tocher类三角宏单元插值函数中，多个三角形支撑单元内部通过引入分割点形成多个子区域，多个子区域采用局部多项式表征曲面高度，并根据相邻子区域之间的c1连续性约束、采样点高度及一阶导数约束，通过直接线性求解或约束最小二乘方式确定局部多项式的模型参数。

26、根据本发明提供的一种边界约束驱动的曲面统一加工轨迹生成方法，步骤s4中，将所述强制采样点加入所述加工路径的方式包括：

27、第一加入方式，将所述强制采样点按所述加工驱动线的参数顺序直接插入所述加工路径，作为所述加工路径必须经过的路径节点；

28、第二加入方式，以所述强制采样点替换预设邻域内的普通路径点；

29、第三加入方式，以所述强制采样点为基准，对邻域内的加工路径按预设点距重新离散处理，得到更新后的加工路径。

30、根据本发明提供的一种边界约束驱动的曲面统一加工轨迹生成方法，步骤s4中，所述工具几何补偿包括：刀刃轮廓补偿、刀尖圆弧半径补偿、刀具半径补偿、砂轮或磨头轮廓补偿、加工接触点偏置补偿、工具磨损补偿、工具姿态补偿。

31、本发明还提供一种边界约束驱动的曲面统一加工轨迹生成系统，用于执行如以上任一项所述的一种边界约束驱动的曲面统一加工轨迹生成方法，包括：

32、采集模块：用于获取用于限定待加工曲面的有效口径域的有效口径边界及待加工曲面的采样点集合；

33、求交模块：用于生成覆盖所述有效口径域的加工驱动线，并将所述加工驱动线与所述有效口径边界求交，得到强制采样点；

34、生成模块：用于以所述有效口径边界为约束，将所述采样点集合中的采样数据与所述强制采样点合并输入边界约束插值支撑结构，生成统一高度场插值模型；

35、输出模块：用于将所述强制采样点作为路径节点加入由所述加工驱动线离散所得的加工路径，并基于所述统一高度场插值模型对所述加工路径上的多个路径节点进行求值，结合工具几何补偿，得到曲面加工轨迹。

36、本发明提供的一种边界约束驱动的曲面统一加工轨迹生成方法及系统，通过将加工驱动线与有效口径边界的几何求交结果确定为强制采样点，并使同一强制采样点同时进入加工路径约束与统一高度场插值模型约束，从根本上建立了实际边界几何位置、加工路径边界节点与曲面表征约束位置三者之间的一致对应关系，使得在大点距、大螺距或低路径采样密度条件下，连续加工驱动线与外边界、孔边界、内部特征边界及曲面片共享边界的真实交点仍能准确进入加工路径，有效避免了因常规离散采样导致的边界位置跨越或路径截断不准确的问题，边界处的路径完整性与位置一致性得到显著保障。在曲面表征方面，本发明的边界约束插值支撑结构的引入使得有效口径边界直接参与三角剖分等支撑结构的构建，排除了跨越孔区域、非凸边界外部或不同曲面单元特征边界的无效插值单元，统一高度场插值模型在由非光滑特征边界划分的各连续子域内保持至少c1连续，对设计为光滑连接的曲面片共享边界自动施加高度连续与一阶导数连续约束，对非光滑特征边界则在保持位置约束的同时允许两侧导数独立取值，从而在同一加工坐标系和统一查询接口下完整覆盖外边界、孔边界、内部特征边界与共享边界等多种复杂口径类型，使多片参数曲面或修剪曲面的加工路径查询无需逐点进行曲面片归属判断与参数域切换，拼接边界邻域的高度偏差与法向跳变得到有效协调，曲面求值的连续性与一致性明显改善，最终生成的曲面加工轨迹在边界处具有更准确的起止位置与更平滑的连接过渡，适用于车削、铣削、磨削、抛光及确定性表面修形等多种精密与超精密加工场景。