基于球面投影法的刀触点构建方法与流程

1.本发明涉及数控加工技术领域，尤其涉及一种基于球面投影法的刀触点构建方法。


背景技术：

2.利用数控机床加工零件是工业生产中非常重要的一环，待加工零件的几何形状通常是已知的，它们通常以stp或者stl文件的形式存在。刀触点路径是一条空间曲线，它是在加工过程中刀具相对于零件表面的运动路径。然而，现有的刀触点路径规划是通过商业软件实现的，不利于根据实际项目需求来构建刀触点路径。
3.因此，亟需设计一种新的刀触点构建方法。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是为了简化现有的刀触点构建方法，提出一种新的基于球面投影法的刀触点构建方法。
5.本发明是通过采用下述技术方案来解决上述技术问题的：
6.本发明提供了一种基于球面投影法的刀触点构建方法，该刀触点构建方法包括以下步骤：
7.s1：读取待加工工件的模型，其中所述待加工工件的外表面至少包括一个平面区域，所述模型包括构成所述待加工工件的外表面的模型三角面片的信息；
8.s2：调整所述模型的方位，使得所述待加工工件的任意一个平面区域位于笛卡尔坐标系的一个平面上，并且所述待加工工件的其余外表面位于所述笛卡尔坐标系的所述平面的上方；
9.s3：构建半球面螺旋线，其中所述半球面螺旋线能够包围所述待加工工件的模型；
10.s4：在所述半球面螺旋线上获取第一点集组，所述第一点集组由与各个所述模型三角面片一一对应的各个第一点集组成，所述第一点集由能够恰好包围所述模型三角面片在所述半球面螺旋线上的投影的目标矩形区域限定，其中，所述模型三角面片的投影方向由所述笛卡尔坐标系的原点分别和模型三角面片的各个顶点的连线分别限定；
11.s5：获取表征刀触点路径的空间螺旋线，其中，采集由各个所述第一点集内的离散点和所述原点限定的直线与对应的所述模型三角面片的第一交点，遍历所述第一点集组内的离散点以获取所有所述第一交点，使得所有所述第一交点限定所述空间螺旋线。
12.根据本发明的一些实施方式，在所述步骤s3中，所述半球面螺旋线满足：
[0013][0014][0015][0016]
其中，并且0≤θ≤0.5π，并且r被
设定成能够包围所述待加工工件的模型，v
num
、u
num
分别表示半球面螺旋线的层数以及每一层上的点个数。
[0017]
根据本发明的一些实施方式，所述r被设定成能够刚好包围所述待加工工件的模型。
[0018]
根据本发明的一些实施方式，所述步骤s4包括：
[0019]
s41：构建半径和所述半球面螺旋线的球半径相等的半球面；
[0020]
s42：将所述原点和所述模型三角面片的各个顶点分别连接并延长以在所述半球面上获取三个第二交点，以获得由三个所述第二交点限定的球面三角面片，其中，所述球面三角面片与所述半球面螺旋线的重叠部分为所述投影；
[0021]
s43：以步进调整预定矩形区域的坐标值的方式获得所述目标矩形区域，其中所述预定矩形区域的顶点为所述半球面螺旋线上的点，并且所述预定矩形区域的长宽方向与笛卡尔坐标系的两个轴向对应。
[0022]
根据本发明的一些实施方式，在所述步骤43中，当前一步骤的所述预定矩形区域以及后一步骤的所述预定矩形区域均未包围所述模型三角面片且与所述模型三角面片有重叠区域时，将当前步骤的所述预定矩形区域选定为所述目标矩形区域。
[0023]
根据本发明的一些实施方式，在所述步骤43中，所述预定矩形区域通过以下步骤设定：
[0024]
s431：采集所述球面三角面片的所有顶点中的最小横坐标值、最大横坐标值、最小纵坐标值、最大横坐标值，并对所述最小横坐标值、最大横坐标值、最小纵坐标值、最大横坐标值进行两两组合以获得4个预设顶点；
[0025]
s432：遍历所述半球面螺旋线的点以获得距离所述4个预设顶点最近的4个目标顶点，其中，4个所述目标顶点被选定成能够限定矩形。
[0026]
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
[0027]
本发明的积极进步效果在于：
[0028]
根据本发明的基于球面投影法的刀触点构建方法，简化了刀触点路径的计算过程，效率较高，并且刀触点路径步距可控。
附图说明
[0029]
图1为适用于根据本发明的较佳实施例的基于球面投影法的刀触点构建方法的工件的结构示意图。
[0030]
图2为根据本发明的较佳实施例的基于球面投影法的刀触点构建方法的流程图。
[0031]
图3为根据本发明的较佳实施例的基于球面投影法的刀触点构建方法中的半球面螺旋线的立体示意图。
[0032]
图4为根据本发明的较佳实施例的基于球面投影法的刀触点构建方法的模型三角面片和球面三角面片的示意图。
[0033]
图5为根据本发明的较佳实施例的基于球面投影法的刀触点构建方法而构建的刀触点路径示意图。
具体实施方式
[0034]
下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都将落入本发明的保护范围之中。
[0035]
在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”等，参考附图中描述的方向使用。本发明各实施例中的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
[0036]
参见图1，其示出了一种适用于本发明的基于球面投影法的刀触点构建方法的工件的模型，其总体上呈底部为平面的肥皂状。需要说明的是，其仅为一种示例性模型，事实上，本发明的基于球面投影法的刀触点构建方法适用于外表面中含有平面且无内凹外表面的工件的刀触点路径规划。例如，工件的外表面可以呈现为整体无凹陷面的平面或者由外凸的曲面和平面组成。
[0037]
以下结合图2所示的根据本发明的基于球面投影法的刀触点构建方法的步骤。如图2所示，该刀触点构建方法包括以下步骤：
[0038]
s1：读取待加工工件的模型，其中待加工工件的外表面至少包括一个平面区域，模型包括构成待加工工件的外表面的模型三角面片的信息。在图1的示例，待加工工件的下表面为平面形式(未示出)。
[0039]
s2：调整模型的方位，使得待加工工件的任意一个平面区域位于笛卡尔坐标系的一个平面上，并且待加工工件的其余外表面位于笛卡尔坐标系的平面的上方(见图1)。优选地，将模型的平面的中心与笛卡尔坐标系的原点调整成彼此相邻或重合。
[0040]
s3：见图3，构建半球面螺旋线，其中半球面螺旋线能够包围待加工工件的模型。优选地，构建的半球面螺旋线刚好包围待加工工件模型的外表面。
[0041]
s4：见图4，在半球面螺旋线上获取第一点集组，其中第一点集组由与各个模型三角面片ti一一对应的各个第一点集组成，第一点集由能够恰好包围模型三角面片ti在半球面螺旋线上的投影的目标矩形区域限定。其中，模型三角面片ti的投影方向由笛卡尔坐标系的原点分别和模型三角面片ti的各个顶点的连线分别限定。也即，通过连接原点和模型三角面片ti各个顶点限定的直线在半球面螺旋线所在的半球面上获得3个第二交点。
[0042]
s5：获取表征刀触点路径的空间螺旋线(见图5)。具体地，首先采集(计算)由各个第一点集内的离散点和原点限定的直线与对应的模型三角面片的第一交点，遍历第一点集组内的离散点以获取所有第一交点，使得所有第一交点限定空间螺旋线。
[0043]
对于以上步骤s3中的半球面螺旋线，可选地，其被设定成满足：
[0044][0045][0046][0047]
其中，并且0≤θ≤0.5π，并且r被设定成能够包围待加工工件的模型(的半径)，v
num
、u
num
分别表示半球面螺旋线的层数以及每一层上的点个数。可以理解，
[0048]vnum
、u
num
这两个数据的数值越大意味着精度越高，系统的计算量也会越大。根据本技术，u
num
优选地被设定成不小于720，v
num
可根据产品的尺寸等具体情况来设定。
[0049]
通过以上步骤，该刀触点构建方法可以很快地获得多轴机床加工工件的刀触点路径。可以理解，由于上述步骤的层数和各层的个数可以根据需要进行任意设定，因此实现了对刀触点路径的步距控制。
[0050]
对于上述方法中的步骤s4，优选地，其可以被选定成包括以下步骤：
[0051]
s41：构建半径和半球面螺旋线的球半径相等的半球面。
[0052]
s42：将原点和模型三角面片的各个顶点分别连接并延长以在半球面上获取三个第二交点，以获得由三个第二交点限定的球面三角面片。
[0053]
s43：以步进调整预定矩形区域的坐标值的方式获得目标矩形区域，其中预定矩形区域的顶点为半球面螺旋线上的点，并且预定矩形区域的长宽方向与笛卡尔坐标系的两个轴向对应。
[0054]
对于上述步骤43，目标矩形区域的选取可依照以下条件来判断：具体地，当判断前一步骤的预定矩形区域以及后一步骤的预定矩形区域均未包围模型三角面片且与模型三角面片有重叠区域时，将当前步骤的预定矩形区域选定为目标矩形区域。
[0055]
对于步骤43中的预定的包括：
[0056]
s431：采集球面三角面片的所有顶点中的最小横坐标值、最大横坐标值、最小纵坐标值、最大横坐标值，并对最小横坐标值、最大横坐标值、最小纵坐标值、最大横坐标值进行两两组合以获得4个预设顶点。
[0057]
s432：遍历半球面螺旋线的点以获得距离4个预设顶点最近的4个目标顶点，其中，4个目标顶点被选定成能够限定矩形。
[0058]
需要说明的是，在上述说明中，各横坐标值、纵坐标值并不仅仅表示笛卡尔坐标系中的x轴、y轴、z轴中的两个坐标轴上的坐标值，事实上，其还可以表示曲纹坐标系的u、v值。即，横坐标值、纵坐标值还分别表示经度值、维度值。
[0059]
步骤43中的步进调整方式可以是按照对预定矩形区域的第一顶点依次增加一个单位横坐标值、纵坐标值(或者纵坐标值、横坐标值)
‑‑‑
对上述第一顶点的对角线上的第二顶点增加一个单位的横坐标值、纵坐标值(或者纵坐标值、横坐标值)的方式进行迭代运算的。例如，首先对第一顶点横坐标值增加1个单位后调整上述预定矩形区域，此后判断新的预定矩形区域是否能够包围对应的球面三角面片ti。在判断未包围对应的球面三角面片后，将该第一顶点的的纵坐标值增加1个单位，调整上一步骤中的预定矩形区域，继续判断是否包围对应的球面三角面片ti。在判断仍未包围对应的球面三角面片，取第一顶点的对角线上的第二顶点，并对其横坐标增加一个单位后调整预定矩形区域，随后参照上述第一顶点的调整过程继续调整。在后续的步进调整过程中，依次调节数次第一顶点、第二顶点的坐标值就可得到目标矩形区域的顶点的坐标值。
[0060]
应理解，由于在一优选实施方式中，初步的预定矩形区域的4个目标顶点是距离由最小横坐标值、最大横坐标值、最小纵坐标值、最大横坐标值进行两两组合以获得4个的预设顶点的最近处的半球面螺旋线上的点。此时，初步选定的预定矩形区域事实上已经非常接近目标矩形区域，或者已经为目标矩形区域。因此，此时仅需要0次或非常少次数的步进调整过程即可获得目标矩形区域。参照该过程，遍历所有模型三角面片来获取对应的刀触
点的计算次数将会被显著减少，从而使得根据本发明的刀触点路径的生成效率高。
[0061]
下文以图1所示工件为例说明刀触点路径的构建过程，构建过程如下：
[0062]
1.读取stl格式的模型数据至计算机内存中。其中，在stl模型中，模型的表面(曲面)是由有限个三角面片(模型三角面片)拼接而成，模型三角面片的个数n可以从stl文件的头部信息字节段中提取。为了便于描述，定义第i个模型三角面片为ti(i＝1,2,
…
,n)。
[0063]
2.对stl模型进行旋转或平移等操作使得stl模型的平面σ位于xoy平面内，坐标系原点尽量位于平面σ中间，其他区域曲面位于xoy平面的上方，如附图1所示。
[0064]
3.在笛卡尔坐标系中构建半球面空间螺旋线，可按如下公式构建：
[0065][0066][0067][0068]
式中，r为半球面螺旋线的球半径，其取值依stl模型尺寸而定，使得半球面螺旋线能够恰好包裹住stl模型即可。式中，的取值范围为0.5π开始至0，且同时，θ从0开始至结束，且其中，v
num
、u
num
分别表示半球面螺旋线的层数以及每一层上的点个数。此时，由此构建出来的半球面螺旋线的球心位于坐标系原点，半球面螺旋线的平面位于xoy平面内，如附图1所示。此时可将表示半球面空间螺旋线的空间点集定义其为s。对于该点集s，在曲纹坐标系中，其元素(空间点)的分布在u、v方向是均匀的，因而这意味着可以通过一个二维索引(u,v)来定位s中的每一个点。比如，i＝v
×unum
u的意思是s中的第i个元素位于空间螺旋线的第v层第u列。半球面空间螺旋线如附图3所示。
[0069]
4.将ti中的三个顶点分别与坐标系原点相连接并延长至半径r的半球面上，于是便可以构成一个新的三角面片li(即球面三角面片)，易知li的三个顶点均位于半径为r的球面上。应该注意到点集s中的每一个点也位于同样的球面上，于是，可以找到4个索引编号v0、v1、u0、u1(v0、v1、u0、u1两两组合可构成4个点，这4个点为(目标矩形区域的顶点)从而构成球面上的矩形区域(即目标矩形区域)，使得球面三角面片li刚好位于目标矩形区域内部，如附图4所示。将目标矩形区域内的，点集s中的点构成的集合定义为pi。可以理解，pi是点集s的子集。
[0070]
对于每一个三角面片ti，找到其对应的点集pi之后，设空间点a为点集pi中的任意一个元素，连接坐标原点与a从而构成线段γ，紧接着计算线段γ与三角面片ti之间的交点，定义此交点为b。于是，每一个点b组合起来可以构成新的点集qi。需要注意的是，b可以为空，这意味着线段γ与三角面片ti之间没有交点。这并不会影响点集s完整地往stl模型上投影，因为pi与p
i 1
的交集一般不为空集，这意味着pi中没有投影成功的点可以在p
i 1
中完成投影。
[0071]
5.取点集qi(i＝1,2,
…
,n)的并集，由此得到缠绕在导入的stl曲面表面的空间螺旋线，即为刀触点路径，如附图5所示。
[0072]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背
离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而且这些变更和修改均落入本发明的保护范围。