具有突變特征的復(fù)雜曲面模型的快速分割方法
【專利摘要】本發(fā)明一種具有突變特征的復(fù)雜曲面模型的快速分割方法屬于復(fù)雜曲面模型的五軸數(shù)控機床高精密高效加工領(lǐng)域，特別涉及具有局部突變特征的復(fù)雜曲面模型的快速分割方法。該方法將模型上的復(fù)雜特征用一組特征長度線段表示，通過對特征長度組的分類提取，實現(xiàn)模型特征的分類提?。幌葘⒋庸さ腃AD模型轉(zhuǎn)換成曲面模型文件；再將模型拆分成獨立特征的曲面片，提取這些特征曲面片的特征長度組；對這些特征長度組進行排序并分組，實現(xiàn)基于曲面模型特征的快速分割。該方法實現(xiàn)了在良好保證局部特征的加工質(zhì)量的同時，降低五軸機床的加工難度，以較低的成本，獲得較高的復(fù)雜曲面零件的整體加工質(zhì)量，具有較高的通用性和普適性。
【專利說明】具有突變特征的復(fù)雜曲面模型的快速分割方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)雜曲面模型的五軸數(shù)控機床高精密高效加工領(lǐng)域，特別涉及具有局部突變特征的復(fù)雜曲面模型的快速分割方法。
【背景技術(shù)】
[0002]復(fù)雜曲面零件被廣泛的應(yīng)用在航空、汽車、消費品和模具工業(yè)中，而復(fù)雜曲面零件的五軸數(shù)控加工技術(shù)一直是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域研究的熱點與難點。與傳統(tǒng)數(shù)控加工相比，五軸數(shù)控機床加工中減少了刨削和底切現(xiàn)象，提高了加工效率減少了加工誤差，但是全局刀具干涉和局部刨削槽現(xiàn)象對加工也有很大的影響。一般曲面模型的五軸機床的數(shù)控編程部分也是極其困難的。行切法以其計算簡單、效率高在復(fù)雜曲面零件的數(shù)控加工中得到了廣泛的應(yīng)用。但是通常采用參數(shù)曲線法、截平面法和投影法等手段生成的整體行切刀軸軌跡都沒有考慮待加工曲面的局部特征，不能充分適應(yīng)曲面局部特征處曲率的突變，使得刀位軌跡呈不均勻分布，加工誤差的分布也不均勻。由于局部特征的存在，復(fù)雜曲面模型整體的加工工藝參數(shù)的局部特征適用度降低，局部干涉現(xiàn)象嚴重，部分局部特征的加工精度達不到要求。因此，帶有局部特征的復(fù)雜曲面加工更為困難。而將具有局部特征的曲面分割，對局部特征提取并單獨生成刀位軌跡，可以有效解決局部特征對復(fù)雜曲面加工帶來的影響，降低加工難度，更好的保證復(fù)雜曲面零件的加工質(zhì)量。
[0003]王新龍等在中國圖象圖形學報，2000 (2)，42-47的“基于幾何法表示的曲面實體的分割算法”中參考二次曲面相交時交線的特性，提出了新邊臨面選擇算法，雖然可以處理拓撲面局部特征，但是其主要應(yīng)用在實體模型重建領(lǐng)域，分割后的曲面模型不具備實際加工意義，不是針對加工的局部特征提取。
[0004]公布號為CN102147935A，發(fā)明人為鈕葉新等的發(fā)明專利“一種適用于從牙頜三角網(wǎng)格曲面分割牙齒三角網(wǎng)格曲面的方法”通過采用拓撲追蹤進行空間控制曲線向三角網(wǎng)絡(luò)曲面投影的方法實現(xiàn)單顆牙齒精確的分離，該方法直接針對牙齒牙頜線的特征進行提取，并據(jù)此產(chǎn)生具有一定加工意義的分割，但是算法本身較為復(fù)雜，且只針對牙科領(lǐng)域，也無法通用的應(yīng)用到具有局部特征的復(fù)雜曲面零件的五軸數(shù)控機床加工中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對目前具有局部突變特征的復(fù)雜曲面模型在五軸數(shù)控加工機床上難加工、局部特征的加工質(zhì)量難以保證的問題，發(fā)明了一種具有局部突變特征的復(fù)雜曲面模型快速分割方法，將分割后的局部特征曲面單獨進行加工軌跡規(guī)劃并整合到整體加工軌跡中，在數(shù)控機床上實現(xiàn)一體化加工，降低復(fù)雜曲面局部突變處的五軸加工難度，提高局部特征和總體的加工精度。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是具有突變特征的復(fù)雜曲面模型的快速分割方法，該方法將模型上的復(fù)雜特征用一組特征長度線段表示，通過對特征長度組的分類提取，實現(xiàn)模型特征的分類提取。首先，將待加工的CAD模型轉(zhuǎn)換成曲面模型文件。然后，將模型拆分成獨立特征的曲面片。接著，提取這些特征曲面片的特征長度組。隨后，對這些特征長度組進行排序并分組，實現(xiàn)基于曲面模型特征的快速分割。最后，提取分割后的特征曲面的局部特征以IGES或STEP文件格式輸出到CAM環(huán)境中，進行刀位軌跡規(guī)劃。具體步驟如下:
[0007]1.曲面模型文件轉(zhuǎn)換:當利用三維造型軟件的前處理器將設(shè)計成形的待加工CAD模型轉(zhuǎn)換成IGES或STEP文件格式，并選擇曲面選項，實現(xiàn)從實體模型向曲面模型的轉(zhuǎn)換。
[0008]2.模型拆分成獨立特征的曲面片:利用OCC提供的TopExp_Explorer類中的函數(shù)，訪問讀入模型中的拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確認模型各特征的邊界數(shù)據(jù)。將每個曲面特征沿自身邊界從模型中剝離形成獨立的特征曲面片，保留曲面片間的空間位置上的聯(lián)系，獨立其他特征，并存儲在OCC的拓撲形狀數(shù)據(jù)類型中，完成曲面模型的拆分。 [0009]3.提取這些特征曲面片的特征長度組:同樣利用TopExp_Explorer類中的函數(shù)提取被剝離后的曲面片的邊界及頂點信息，利用B0PTools_Tools::PointOnEdge O函數(shù)插值補全缺失的邊界信息，存儲邊界上全部已知節(jié)點。在笛卡爾坐標系下，求得所有節(jié)點中最大和最小的三個方向坐標值，建立一個恰好完整包含特征曲面片全部信息的特征長方體，該長方體的長、寬、高及體對角線長度便是所要提取的特征曲面片的特征長度組，將特征尺寸按長度排序后存儲在一個結(jié)構(gòu)體中。
[0010]4.對這些特征長度組按大小進行排序并分組，實現(xiàn)基于曲面模型特征的快速分割:首先依據(jù)體對角線長度對曲面片進行初步排序，在初步排序相似的曲面片間選取其他特征尺寸進行分類，將特征尺寸相似的曲面片歸入一類，并添加相同標記。最后，將標記相同的曲面片分組顯示，完成快速分割。
[0011]5.提取分割后的特征，進行刀位軌跡規(guī)劃:提取對加工產(chǎn)生較大影響的局部特征，以IGES或STEP文件格式輸出到CAM中。經(jīng)后置處理，與模型剩余部分生成的優(yōu)化刀位軌跡整合，實現(xiàn)復(fù)雜曲面零件在數(shù)控機床上的一體化加工。
[0012]本發(fā)明的有益效果是針對五軸數(shù)控加工中局部特征影響整體加工精度和效率的問題，結(jié)合復(fù)雜曲面模型的特征信息對曲面模型進行快速分割，在分割后提取模型的局部特征與剩余部分獨立生成優(yōu)化的加工刀位軌跡，并最終整合到一起，實現(xiàn)復(fù)雜曲面零件在五軸數(shù)控機床上的一體化加工。實現(xiàn)在良好保證局部特征的加工質(zhì)量的同時，降低五軸機床的加工難度，以較低的成本，獲得較高的復(fù)雜曲面零件的整體加工質(zhì)量，具有較高的通用性和普適性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1一整體流程圖。
[0014]圖2—帶有分流小葉片的葉輪模型，其中:1為葉輪大葉片結(jié)構(gòu)，2為大葉片間的葉輪輪轂，3為輪轂上的分流小葉片。
[0015]圖3—接口文件讀取流程圖。
[0016]圖4一模型曲面片拆分流程圖。
[0017]圖5—包含大葉片曲面的特征長方體及其特征尺寸，其中I為大葉片特征曲面片，2為恰好完整包含特征曲面片I的特征長方體，3特征長方體2的體對角線。
[0018]圖6—包含小葉片曲面的特征長方體及其特征尺寸，其中:1為小葉片特征曲面片，2為恰好完整包含特征曲面片I的特征長方體，3特征長方體2的體對角線。[0019]圖7—曲面片基于特征尺寸排序算法流程圖。
[0020]圖8—基于曲面特征尺寸的分類算法流程圖。
[0021]圖9一帶有分流小葉片的葉輪模型快速分割結(jié)果，其中I為分離后的葉輪大葉片結(jié)構(gòu)，2為分離后的葉輪輪轂,3為分離后的分流小葉片。
【具體實施方式】
[0022]結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細說明本發(fā)明的【具體實施方式】:
[0023]針對目前具有局部突變特征的復(fù)雜曲面模型在五軸數(shù)控加工機床上難加工、局部特征的加工質(zhì)量難以保證的問題，發(fā)明了一種基于特征尺寸的具有局部突變特征的復(fù)雜曲面模型快速分割方法，將分割后的局部特征曲面單獨進行加工軌跡規(guī)劃并整合到整體加工軌跡中，在數(shù)控機床上實現(xiàn)一體化加工，降低復(fù)雜曲面局部突變處的五軸加工難度，提高總體加工精度。此處提出具有局部突變特征的復(fù)雜曲面模型的快速分割方法，利用OpenCASCADE (簡稱0CC)軟件作為實現(xiàn)工具，該算法具有簡單、速度快、分割效果好的優(yōu)勢。
[0024]圖1為本發(fā)明方法實現(xiàn)的總體框架流程圖，首先建立待加工零件的CAD模型，然后利用造型軟件的前處理器生成IGES曲面模型并輸入OCC環(huán)境中，利用OCC中TopExp_Explorer類中函數(shù)輔助提取模型的全部特征信息，并基于特征尺寸實現(xiàn)曲面模型快速分害I]，拾取分割后的局部特征以IGES或STEP格式輸出到CAM環(huán)境中，單獨生成刀位軌跡并整合到總體刀位軌跡中，實現(xiàn)曲面模型的數(shù)控一體化加工。結(jié)合圖2中帶有分流小葉片的葉輪模型的快速分割說明算法的實施步驟:
[0025]1.曲面模型文件的生成及導(dǎo)入
[0026]IGES模型文件可以`實現(xiàn)與OCC的良好數(shù)據(jù)接口功能，完整地傳遞模型數(shù)據(jù)，這里在CAD實體模型轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)選取曲面選項，直接生成曲面模型。OCC讀入待加工模型時，會預(yù)先判斷該模型文件是否為接口形式文件，若如不是則需利用原造型軟件中的前置處理器先將此模型轉(zhuǎn)換成可接口的數(shù)據(jù)格式，如圖3所示。讀入的曲面模型文件將以瞬態(tài)形狀序列的形式存在于名為aSequence的模型序列句柄變量中。具體實現(xiàn)代碼為:
[0027]Handle(TopTooIs_HSequenceOfShape)aSequence=
[0028]CImportExport:: ReadIGES ();
[0029]2.處理讀入的模型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)模型特征曲面片拆分
[0030]模型曲面片的拆分是為了提取模型特征的特征尺寸做準備，同時分割后的曲面片也便于分類組合。拆分流程如圖4所示。首先,利用OCC提供中的TopExp_Explorer類中的函數(shù)，訪問讀入模型中的拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確認模型各特征的邊界數(shù)據(jù)。然后，將模型上的每一個曲面特征沿自身邊界從原模型剝離形成獨立的特征曲面片，這些曲面片間在剝離過程中仍保持空間上的位置關(guān)系。最后，將這些曲面片以O(shè)CC的拓撲形狀數(shù)據(jù)形式存儲，完成曲面模型的拆分。具體實現(xiàn)代碼為:
[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種具有突變特征的復(fù)雜曲面模型的快速分割方法，其特征是，該方法將模型上的復(fù)雜特征用一組特征長度線段表示，通過對特征長度組的分類提取，實現(xiàn)模型特征的分類提??；首先，將待加工的CAD模型轉(zhuǎn)換成曲面模型文件；然后，將模型拆分成獨立特征的曲面片；接著，提取這些特征曲面片的特征長度組；隨后，對這些特征長度組進行排序并分組，實現(xiàn)基于曲面模型特征的快速分割；最后，提取分割后的特征曲面中的局部特征以IGES或STEP文件格式輸出到CAM環(huán)境中，進行刀位軌跡規(guī)劃；具體步驟如下: 第一步:曲面模型文件轉(zhuǎn)換:當利用三維造型軟件的前處理器將設(shè)計成形的待加工CAD模型轉(zhuǎn)換成IGES或STEP文件格式，并選擇曲面選項，實現(xiàn)從實體模型向曲面模型的轉(zhuǎn)換； 第二步:模型拆分成獨立特征的曲面片:利用OCC提供的TopExp_Explorer類中的函數(shù)，訪問讀入模型中的拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確認模型各特征的邊界數(shù)據(jù)，將每個曲面特征沿自身邊界從模型中剝離形成獨立的特征曲面片，保留曲面片間的空間位置上的聯(lián)系，獨立其他特征，并存儲在OCC的拓撲形狀數(shù)據(jù)類型中，完成曲面模型的拆分； 第三步:提取這些特征曲面片的特征長度組:同樣利用TopExp_Explorer類中的函數(shù)提取被剝離后的曲面片的邊界及頂點信息，利用B0PTools_Tools::PointOnEdge O函數(shù)插值補全缺失的邊界信息，存儲邊界上全部已知節(jié)點；在笛卡爾坐標系下，求得所有節(jié)點中最大和最小的三個方向坐標值，建立一個恰好完整包含特征曲面片全部信息的特征長方體，該長方體的長、寬、高及體對角線長度便是所要提取的特征曲面片的特征長度組，將特征尺寸按長度排序后存儲在一個結(jié)構(gòu)體中； 第四步:對這些特征長度組按大小進行排序并分組，實現(xiàn)基于曲面模型特征的快速分割:首先依據(jù)體對角線長度對曲面片進行初步排序，在初步排序相似的曲面片間選取其他特征尺寸進行分類，將特征尺寸相似的曲面片歸入一類，并添加相同標記；最后，將標記相同的曲面片分組顯示，完成快速分割； 第五步:提取分割后的特征，進行刀位軌跡規(guī)劃:提取對加工產(chǎn)生較大影響的局部特征，以IGES或STEP文件格式輸出到CAM中；經(jīng)后置處理，與模型剩余部分生成的優(yōu)化刀位軌跡整合，實現(xiàn)復(fù)雜曲面零件在數(shù)`控機床上的一體化加工。
【文檔編號】G05B19/4099GK103777572SQ201410064522
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月25日
【發(fā)明者】王福吉, 馬建偉, 許強, 賈振元, 秦紀云, 楊彥宇 申請人:大連理工大學