一种数控加工仿真几何差异提取与冗余网格清理方法与流程

本发明属于计算机辅助设计与制造，具体涉及一种数控加工仿真几何差异提取与冗余网格清理方法，可应用于数控加工仿真结果与cad设计模型的比对分析与加工质量自动检测。

背景技术：

1、在数控加工仿真验证环节，通常将数控加工仿真结果三角网格与cad设计模型三角网格进行比对，通过布尔差集运算提取过切、欠切及残料等几何差异区域，以此判定数控加工路径的合理性与加工质量。现有仿真软件与通用网格处理工具普遍采用标准布尔差集算法、通用网格清理流程与常规壁厚检测方法，未针对切削仿真后产生的特异性噪声结构做专门优化。

2、现有技术存在多方面缺陷：其一，布尔差集运算过程中易产生大量退化面、重复面、悬挂面片、开边碎片与非流形结构，无法形成有效封闭实体，难以直接用于差异定量判定；其二，现有网格清理方案多采用整块删除非封闭区域的策略，易将真实薄壁差异误判为噪声予以删除，导致重要加工缺陷漏检；其三，传统厚度检测多采用单向单射线或最小厚度判定方式，极易受尖角、毛刺、网格离散误差的干扰，伪差异误判率居高不下；其四，缺乏专门面向数控加工仿真比对的闭环自动化清理流程，差异网格需大量人工修复，无法实现过切及欠切类型的自动判定。此外，现有网格清理技术多针对cad静态模型优化，未针对布尔运算后产生的悬挂片、开边碎片等特定噪声类型设计针对性处理机制，无法兼顾噪声去除与真实差异保留的平衡。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种数控加工仿真几何差异提取与冗余网格清理方法，解决数控加工仿真结果与设计模型比对分析中布尔噪声多、伪差异误报率高、非流形网格不可用、厚度判断稳定性差的问题，在高效剥离边界毛刺与悬挂碎片的同时最大限度保留真实薄壁差异，实现过切及欠切差异的自动化、高精度判定。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种数控加工仿真几何差异提取与冗余网格清理方法，本发明所述冗余网格清理，核心为：对布尔差集运算生成的冗余连通域（封闭实体层级几何图元）筛选剔除，保留代表真实加工差异的封闭网格实体，全程不修改真实差异实体原始几何外形。方法包括以下步骤：

4、s1、获取cad设计模型三角网格与数控加工仿真结果三角网格，对两模型执行网格预处理；

5、s2、对预处理后的两模型执行双向布尔差集运算，分别提取过切区域与欠切及残料区域的初始差异网格；

6、s3、对布尔差集生成的初始差异网格执行后处理与网格修复；

7、s4、对修复后的差异网格进行拓扑分析，按连通性分割为若干连通域并判断各连通域的水密性；

8、s5、对非水密连通域执行逐层迭代剥边处理，直至连通域变为水密结构或完全消失，保留水密连通域作为真实差异实体；

9、s6、对保留的真实差异实体进行局部厚度计算；

10、s7、基于实体厚度高分位数对真实差异实体执行实体级伪差异过滤，仅通过全局绝对厚度阈值整体剔除纯噪声实体，保留通过阈值的实体原始几何形态不变；

11、s8、输出过滤后的有效差异实体及对应过切及欠切类型信息。

12、进一步地，步骤s1中所述网格预处理具体包括坐标对齐、法向统一、移除零面积面片、去重顶点、修复反转面，保障后续布尔运算的稳定性与计算精度。

13、进一步地，步骤s2中所述双向布尔差集运算具体为：以设计模型与仿真模型做布尔差集运算得到过切区域网格，对应刀具多切除的材料部分；以仿真模型与设计模型做布尔差集运算得到欠切及残料区域网格，对应刀具未切除的残留材料部分。

14、进一步地，步骤s3中所述后处理与网格修复具体针对布尔切割生成的新面片执行如下操作：

15、1)将相邻共面三角面片合并，减少碎片面片数量；

16、2)识别所有外边界与内边界并标记开边位置；

17、3)删除零长度边以及长度小于预设短边阈值的无效边；

18、4)对破碎扭曲区域重新剖分，提升网格整体质量。

19、进一步地，步骤s4中所述拓扑分析具体包括：标记零面积面、重复面、反转面、退化面，标记开边、边界环、非流形边与非流形顶点；所述水密性判断标准为：无开边、无非流形边与非流形顶点、无自相交、所有面片法向一致、可构成封闭有界实体的连通域为水密结构，否则为非水密结构。

20、进一步地，步骤s5中所述逐层迭代剥边处理具体包括：

21、1)仅对含开边、非流形结构的非水密连通域启动剥边流程；

22、2)从开边出发向内搜索一层与开边直接共享一条边的表层面片，作为本轮剥离对象；

23、3)仅删除本轮的表层面片，保留连通域内部主体面片；

24、4)重新计算剥边后连通域的边界、开边数量、流形性、水密性与最小壁厚；

25、5)满足以下任意一项终止条件时停止剥边并保留当前连通域：①连通域变为完全水密结构；②开边总长度占初始开边总长度的比例降至预设比例阈值以下，且实体当前最小壁厚高于预设最小薄壁保护阈值，判定为近似水密；③剥边后实体最小壁厚低于预设最小薄壁保护阈值，强制终止剥边以保护真实薄壁结构；若连通域仍不满足终止条件，则重复上述步骤继续剥离下一层；若连通域完全消失则判定为纯噪声予以剔除。

26、本步骤通过逐层剥边与水密性判定，主要剔除开边碎片、悬挂面片、边界毛刺等拓扑形态噪声，保留具备封闭主体结构的差异实体。

27、进一步地，步骤s6中所述局部厚度计算具体包括：

28、1)为真实差异实体构建bvh层级包围盒，加速空间射线求交计算；

29、2)对实体的每个三角面片，以面片几何中心为起点，沿法线反方向（指向实体内部）的半球空间范围内均匀发射n条检测射线；

30、3)获取射线与实体另一侧面片的交点，计算得到单条射线对应的局部厚度值；对于每条射线，沿发射方向查找射线起点与实体表面的首个相交交点，计算交点与射线起点的间距作为该射线的局部厚度；若射线无实体交点，或交点与起点间距小于预设极小阈值，则该射线被判定为无效射线并舍弃；

31、4)对全部有效厚度值执行鲁棒性统计处理，剔除异常值后取稳定均值，作为该面片的局部厚度。

32、前述拓扑筛选仅排除边界开放类噪声，对于形态封闭但厚度极薄的几何类噪声，通过以下厚度过滤步骤进一步剔除：

33、进一步地，步骤s7具体包括：

34、1)收集真实差异实体所有面片的局部厚度并从小到大排序；

35、2)取排序后第95百分位的p95厚度作为该实体的主体真实厚度基准；

36、3)预先设定全局绝对厚度阈值，若当前实体的 p95 厚度低于该阈值，则将该实体整体判定为伪差异并予以剔除；

37、4)保留通过阈值校验的实体原始几何形态不变，作为最终有效差异实体。

38、本步骤基于实体厚度特征执行伪差异过滤，主要剔除布尔运算产生的极薄封闭面片等几何形态噪声，与前序拓扑噪声剔除形成递进式两级筛选机制。

39、进一步地，步骤s8输出的信息具体包括：去噪后的过切实体、欠切/残料实体网格，各差异区域的位置、面积、体积、平均厚度与p95厚度参数，以及过切及欠切类型标签。

40、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

41、1、伪差异误报率大幅降低，通过迭代剥边与p95厚度筛选的组合策略，可降低70%~90%的伪差异误报，有效减少无效判定；

42、2、真实差异保留度高，采用逐层剥边替代整块删除非封闭区域的方式，避免真实薄壁差异被误删，有效避免加工缺陷漏检；

43、3、厚度检测鲁棒性强，采用内半球定向射线采样与高分位数统计方式，不受尖角、毛刺与网格离散误差的干扰，厚度判定稳定性显著提升；同时，相较于全空间射线采样，本发明仅在内半球方向发射射线，去除了大量无效的射线计算，可减少约50%的射线计算量，进一步提升厚度检测效率；

44、4、全流程自动化运行，从布尔差集运算、网格清理、厚度分析到差异类型判定形成完整闭环，无需人工修复网格，大幅提升数控加工仿真比对的处理效率；

45、5、输出结果可直接用于加工质量判定，适配航空、汽车、模具等高精密制造领域的数控加工仿真验证场景，具备较高的工程应用价值。