本發(fā)明屬于增材加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于微觀長方體增長模型的五軸增材幾何仿真方法。

背景技術(shù)：

增材加工制造技術(shù)是基于離散-堆積原理，通過材料累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)。根據(jù)所使用的增材材質(zhì)不同，主要分為兩大類：塑料，金屬；陶瓷，石膏等也可作為增材加工原材料；現(xiàn)在主要增材技術(shù)有熔融沉積型(FDM)、直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)、激光工程化凈成形(LENS)，激光選擇性燒結(jié)(SLS)，立體光刻(SLA)。

相對于發(fā)展較早的減材制造技術(shù)，增材加工制造技術(shù)缺乏成熟的計算機(jī)輔助制造(CAM)仿真軟件；在減材制造方面，成熟的CAM軟件如西門子NX，CATIA提供復(fù)雜五軸軌跡仿真功能，模擬加工中材料去除過程，并能檢測軌跡加工缺陷如過切、欠切，針對檢測出的缺陷進(jìn)行軌跡優(yōu)化，提高加工質(zhì)量。目前在增材加工制造方面，欠缺對復(fù)雜軌跡仿真的方法，難以實(shí)現(xiàn)增材加工過程中材料逐漸增加過程，不能實(shí)現(xiàn)如同減材仿真所具有的功能，制約了增材技術(shù)的發(fā)展。

在增材過程仿真方面，已有的研究是采用Tri-dexel模型，將工件模型沿x，y，z三個方向分解獲得Tri-dexel模型，使用長方體體素，通過Y方向體素的合并，將Tri-dexel模型轉(zhuǎn)化為用大體素表示的單向Dexel模型，再提取三角面片進(jìn)行顯示。此方法實(shí)現(xiàn)了平面三軸快速原型過程仿真，但還未能解決復(fù)雜的五軸增材軌跡仿真問題。

五軸軌跡運(yùn)動包括平移，旋轉(zhuǎn)和平移加旋轉(zhuǎn)三種運(yùn)動，其中平移加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為主要運(yùn)動，五軸增材過程仿真的難點(diǎn)在于五軸增材軌跡中刀軸方向不固定，軌跡變化復(fù)雜，增材模型計算困難，由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致刀軸不再固定沿Z軸方向，微觀增長模型的求交計算困難，導(dǎo)致五軸增材仿真算法設(shè)計難度大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種通過建立微觀長方體增長模型，分解五軸增材加工軌跡，采用布爾運(yùn)算，利用Tri-dexel模型，計算增材成形模型，再通過三角面片顯示增材成形模型，以實(shí)現(xiàn)五軸增材過程仿真的五軸增材仿真方法。

本發(fā)明的五軸增材幾何仿真方法，包括以下步驟：

步驟(1)：建立微觀長方體增長模型；

步驟(2)：根據(jù)增材軌跡特點(diǎn)優(yōu)化微觀長方體增長模型；

步驟(3)：獲取CAM軟件中的增材加工軌跡，解析增材加工軌跡文件，獲取刀位點(diǎn)信息；

步驟(4)：刀位點(diǎn)之間進(jìn)行插值，計算五軸增材掃掠體模型；

步驟(5)：將增材掃掠體模型轉(zhuǎn)換為Tri-dexel模型；

步驟(6)：將步驟(5)中的Tri-dexel模型通過三角面片顯示。

本發(fā)明的五軸增材幾何仿真方法，其中，所述步驟(1)具體為：根據(jù)增材加工成形過程，建立微觀長方體增長模型，激光光斑直徑D即為長方體寬W，兩插值點(diǎn)之間的距離為長方體長L，解析的層厚為長方體的高H。

本發(fā)明的五軸增材幾何仿真方法，其中，所述步驟(2)具體為：針對步驟(1)中建立的微觀長方體增長模型，優(yōu)化微觀長方體增長模型，即將微觀長方體增長模型的末端優(yōu)化為半圓形狀。

本發(fā)明的五軸增材幾何仿真方法，其中，所述步驟(3)具體為：在CAM軟件中，解析輸入的五軸增材加工軌跡，提取五軸軌跡的刀位點(diǎn)和刀軸矢量，得到有序的路徑點(diǎn)序列P1，P2，…，Pn，點(diǎn)的總數(shù)為n，n為正整數(shù)。

本發(fā)明的五軸增材幾何仿真方法，其中，所述步驟(4)具體為：對步驟(3)中獲取的刀位點(diǎn)和刀軸矢量根據(jù)時間進(jìn)行線性差值，獲得中間差值I1，I2，…，It，t為正整數(shù)，根據(jù)步驟(2)中獲得的優(yōu)化后的微觀長方體增長模型，獲得微觀長方體增長模型的寬W，長L，高H，生成掃掠體。

本發(fā)明的五軸增材幾何仿真方法，其中，所述步驟(5)具體為：利用步驟(4)中計算得到的增材掃掠體，計算掃掠體的矩形包容盒，根據(jù)包容盒在坐標(biāo)系中的投影范圍規(guī)劃掃描線，根據(jù)刀具的刀軸矢量建立局部坐標(biāo)系，建立局部坐標(biāo)系與加工坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，在局部坐標(biāo)系中，根據(jù)矩形包容盒將增材掃掠體沿X，Y，Z三個方向離散，增材掃掠體分解為上下，左右側(cè)平面，開始和終止圓柱面，與X,Y，Z三個方向上的掃描線求交，獲得增材掃掠體的Tri-dexel模型，并與之前生成的優(yōu)化后的微觀長方體增長模型求和。

本發(fā)明的五軸增材幾何仿真方法，其中，所述步驟(6)具體為：根據(jù)步驟(5)中獲得的Tri-dexel模型，將Tri-dexel模型轉(zhuǎn)化為Voxel模型，再使用Marching Cube算法提取三角面片模型，通過三角面片顯示增材成形模型。

本發(fā)明有益效果：本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)增材制造幾何仿真，能夠完成五軸復(fù)雜軌跡的增材仿真過程，能夠生成增材成型模型，且生成的增材成形模型可以作為減材加工的輸入模型。

附圖說明

為了易于說明，本發(fā)明由下述的具體實(shí)施及附圖作以詳細(xì)描述。

圖1為本發(fā)明建立的微觀長方體增長模型；

圖2為本發(fā)明微觀長方體增長模型優(yōu)化前的示意圖；

圖3為本發(fā)明微觀長方體增長模型優(yōu)化后的示意圖；

圖4為本發(fā)明優(yōu)化后的微觀長方體增長模型的增材掃掠體模型；

圖5為本發(fā)明中掃描線與斜圓柱面求交圖；

圖6為本發(fā)明的流程圖；

圖7為本發(fā)明中根據(jù)差值點(diǎn)計算增材掃掠體示意圖；

圖8為本發(fā)明增材布爾運(yùn)算的示意圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例一輸入的五軸增材軌跡圖；

圖10為本發(fā)明實(shí)施例一計算得到的Tri-dexel線框模型圖；

圖11為本發(fā)明實(shí)施例一仿真生成的增材成形模型圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1-11所示，為了能夠?qū)崿F(xiàn)五軸增材過程仿真，本發(fā)明提供了一種五軸增材幾何仿真方法，包括以下步驟：

步驟(1)：建立微觀長方體增長模型；

步驟(2)：根據(jù)增材軌跡特點(diǎn)優(yōu)化微觀長方體增長模型；

步驟(3)：獲取CAM軟件中的增材加工軌跡，解析增材加工軌跡文件，獲取刀位點(diǎn)信息；其中增材加工軌跡文件采用APT格式，APT是一種自動編程語言；在CAM軟件NX中稱為CLSF(刀位數(shù)據(jù)文件)；

步驟(4)：刀位點(diǎn)之間進(jìn)行插值，計算五軸增材掃掠體模型；

步驟(5)：將增材掃掠體模型轉(zhuǎn)換為Tri-dexel模型；

步驟(6)：將步驟(5)中的Tri-dexel模型通過三角面片顯示。

所述步驟(1)具體為：根據(jù)增材加工成形過程，建立微觀長方體增長模型，激光光斑直徑D即為長方體寬W，兩插值點(diǎn)之間的距離為長方體長L，解析的層厚為長方體的高H。

所述步驟(2)具體為：針對步驟(1)中建立的微觀長方體增長模型，優(yōu)化微觀長方體增長模型，即將微觀長方體增長模型的末端優(yōu)化為半圓形狀。

所述步驟(3)具體為：在CAM軟件中，解析輸入的五軸增材加工軌跡，提取五軸軌跡的刀位點(diǎn)和刀軸矢量，得到有序的路徑點(diǎn)序列P1，P2，…，Pn，點(diǎn)的總數(shù)為n，n 為正整數(shù)。

所述步驟(4)具體為：對步驟(3)中獲取的刀位點(diǎn)和刀軸矢量根據(jù)時間進(jìn)行線性差值，獲得中間差值I1，I2，…，It，t為正整數(shù)，根據(jù)步驟(2)中獲得的優(yōu)化后的微觀長方體增長模型，獲得微觀長方體增長模型的寬W，長L，高H，生成掃掠體。

所述步驟(5)具體為：利用步驟(4)中計算得到的增材掃掠體，計算掃掠體的矩形包容盒，根據(jù)包容盒在坐標(biāo)系中的投影范圍規(guī)劃掃描線，根據(jù)刀具的刀軸矢量建立局部坐標(biāo)系，建立局部坐標(biāo)系與加工坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，在局部坐標(biāo)系中，根據(jù)矩形包容盒將增材掃掠體沿X，Y，Z三個方向離散，增材掃掠體分解為上下，左右側(cè)平面，開始和終止圓柱面，與X,Y，Z三個方向上的掃描線求交，獲得增材掃掠體的Tri-dexel模型，并與之前生成的優(yōu)化后的微觀長方體增長模型求和。

所述步驟(6)具體為：根據(jù)步驟(5)中獲得的Tri-dexel模型，將Tri-dexel模型轉(zhuǎn)化為Voxel模型，再使用Marching Cube算法提取三角面片模型，通過三角面片顯示增材成形模型。

實(shí)施例一：

本實(shí)施例提供一種五軸增材幾何仿真方法，包括以下步驟：

步驟(1)：建立微觀長方體增長模型，如圖1所示；

步驟(2)：優(yōu)化微觀長方體增長模型；

本步驟中，根據(jù)增材加工的工藝特點(diǎn)，優(yōu)化微觀長方體增長模型，在軌跡拐彎或轉(zhuǎn)角處，直接使用長方體增長模型會出現(xiàn)縫隙如圖2所示，將長方體兩端優(yōu)化為半圓柱，如圖3所示，優(yōu)化后的增長模型為增材掃掠體模型。

步驟(3)：獲取增材加工工藝模型和CLSF，解析CLSF文件，獲取刀位點(diǎn)信息；

本步驟中，根據(jù)用戶輸入的增材加工工藝模型，獲取工藝模型中的激光光斑直徑D，及微觀長方體增長模型高H；解析CLSF文件，獲取刀位點(diǎn)的坐標(biāo)和刀位點(diǎn)處的刀軸方向。

步驟(4)：在相鄰刀位點(diǎn)之間進(jìn)行插值，計算增材掃掠體；

本步驟中，在步驟(3)中獲取的相鄰刀位點(diǎn)坐標(biāo)及刀軸信息根據(jù)時間進(jìn)行線性插值，獲得中間插值I1，I2，…，It，t為正整數(shù)，從而將增材軌跡離散成由插值點(diǎn)構(gòu)成的許多小線段。根據(jù)插值點(diǎn)之間的距離和刀軸方向，計算對應(yīng)離散點(diǎn)處的增材掃掠體。

步驟5：根據(jù)步驟(4)中獲得的增材掃掠體，計算掃掠體包容盒，建立掃描線，將增材掃掠體轉(zhuǎn)換為Tri—dexel模型。

本步驟中，根據(jù)插值點(diǎn)信息例如I1，I2兩點(diǎn)，這兩相鄰插值點(diǎn)之間為一段增材路徑，根據(jù)激光光斑直徑大小和增材刀路的層厚建立的微觀長方體增長模型確定增材掃掠體的最小包容盒，最小包容盒分別沿X，Y，Z的方向在坐標(biāo)系的投影范圍為(minX,maxX,minY,maxY,minZ,maxZ)，根據(jù)掃掠體包容盒大小確定掃掠體的Tri-dexel模型的原點(diǎn)：sweptOrigin＝(minX,minY,minZ)，獲得X，Y，Z三個方向上的最大坐標(biāo)值swNumX，swNumY，swNumZ，再根據(jù)設(shè)定的網(wǎng)格間隔距離girdInterval獲得掃描線：

其中swnumX＝(maxX-swepOrigin.x)/girdInterval(取整)

swnumY＝(maxY-swepOrigin.y)/girdInterval(取整)

swnumZ＝(maxZ-swepOrigin.z)/girdInterval(取整)

沿Z方向的掃描線x，y坐標(biāo)分別為：

x＝swepOrigin.x+n*gridInterval；n∈[0，swnumX]

y＝swepOrigin.y+n*gridInterval；n∈[0，swnumY]

沿X方向的掃描線y，z坐標(biāo)分別為：

y＝swepOrigin.y+n*gridInterval；n∈[0，swnumy]

z＝swepOrigin.z+n*gridInterval；n∈[0，swnumZ]

沿Y方向的掃描線z，x坐標(biāo)分別為：

z＝swepOrigin.z+n*gridInterval；n∈[0，swnumZ]

x＝swepOrigin.x+n*gridInterval；n∈[0，swnumX]

得到所有掃描線，再用這些掃描線與增材掃掠體求交。

創(chuàng)建局部坐標(biāo)系，刀具的軸向?yàn)榫植孔鴺?biāo)系的Z軸，Y軸方向由Z軸與刀具移動方向?yàn)橄蛄糠e確定，X軸方向由Y軸與Z軸向量積確定。如果令(i,j,k分別代表X,Y,Z坐標(biāo)值)

(分別代表局部坐標(biāo)系的Z，Y，X軸)創(chuàng)建上述局部坐標(biāo)系后，刀具在局部坐標(biāo)系X-Z平面內(nèi)移動。

增材掃掠體模型表面由規(guī)則曲面組成，主要分為增材掃掠體模型的上下、左右側(cè)平面、起始和終止處的圓柱面。將掃描線求交轉(zhuǎn)化為掃描線與平面，掃描線與圓柱面求交。

在所要求交的平面上三個點(diǎn)P1(x1,y1,z2),P2(x2,,y2,z2),P3(x3,y3,z3)平面方程為：

P＝P1+a(P2-P1)+b(P3-P1)

則

求得交點(diǎn)Z值為Z＝b*(z₃-z₁)+a*(z₂-z₁)+z₁

與圓柱面求交，在局部坐標(biāo)系中，圓柱面方程為C_L＝[r cosθ r sinθ sL]^T，r為圓柱半徑，θ為圓柱點(diǎn)與X軸的夾角，L為圓柱的高度。將各個方向的掃描線轉(zhuǎn)換到局部坐標(biāo)系中。根據(jù)局部坐標(biāo)系與加工坐標(biāo)系的關(guān)系，得到空間轉(zhuǎn)化矩陣transformationMatrix。

通過轉(zhuǎn)換矩陣將掃描線轉(zhuǎn)換到局部坐標(biāo)系中，與圓柱面求交。交點(diǎn)s1，s2,Δs為比例參數(shù)，C為直線AB上到直線PQ最近距離點(diǎn)，為直線AB的方向向量。為圓柱中軸線方向向量。根據(jù)勾股定理可解得

可以求得

再通過transformationMatrix逆轉(zhuǎn)換矩陣得到加工坐標(biāo)系的交點(diǎn)對。

使用掃描線對斜圓柱面求交，建立斜圓柱面方程，將掃描線轉(zhuǎn)換到局部坐標(biāo)系中。求得交點(diǎn)對。二維圓環(huán)沿速度方向V掃掠可得到一個傾斜的圓柱面。在局部坐標(biāo)系中，設(shè)圓環(huán)半徑為r，圓心位于局部坐標(biāo)系Z軸上，到原點(diǎn)的距離為Zh，表示掃掠體移動的方向，其掃掠面上任意一點(diǎn)可表示為：

其中s為移動方向的參數(shù)，θ為圓環(huán)角度參數(shù)。

掃描線在局部坐標(biāo)系中可表示為：

其中A(A_x，A_y，A_z)為掃描線的起點(diǎn)坐標(biāo)，為掃描線的方向向量。要求得掃描線與圓柱的交點(diǎn)，求解方程：

可得：

其中

通過求解式(5)一元二次方程，可得s1、s2、θ₁、θ₂。判斷s1、s2是否在區(qū)間[0，1]，確定所求交點(diǎn)是存在。

對圓柱體端面求交，直線與平面求交，獲得交點(diǎn)對。由于在求解增材掃掠體的過程中，已經(jīng)將增材軌跡離散為許多小線段，因此對于每一小段的掃掠體，掃描線只會穿過一次，即每條掃描線與掃掠體最多有兩個交點(diǎn)。每條掃描線分別與上述掃掠體的幾個部分求交后，可以獲得一系列交點(diǎn)，根據(jù)掃描線方向的不同，分別比較這些交點(diǎn)的x,y,z方向的最大值和最小值，獲得交點(diǎn)對，構(gòu)成材料堆積區(qū)間，進(jìn)而得到相應(yīng)方向的Dexel模型。再與已堆積的材料進(jìn)行布爾運(yùn)算。形成增材成形材料的Tri—dexel模型。

如圖8所示，布爾運(yùn)算六種情況：

Dexel[mlow,mup]表示已堆積的材料區(qū)間，Dexel[slow,sup]表示增材掃掠體區(qū)間

1.掃掠體在沿Dexel方向上端進(jìn)行材料堆積，工件的Dexel區(qū)間由[mlow,mup],變?yōu)閇mlow,sup]；

2.掃掠體在沿Dexel方向下端進(jìn)行材料堆積，工件的Dexel區(qū)間由[mlow,mup]變?yōu)閇slow,mup]；

3.掃掠體沿Dexel方向的上端堆積，未與堆積的Dexel發(fā)生重疊，此時給工件重新分配一個Dexel，新增加的Dexel段在原有Dexel段的后面，保持Dexel鏈按遞減順序排列；

4.掃掠體沿Dexel方向的下端堆積未與堆積的Dexel發(fā)生重疊，此時給工件重新分配一個Dexel，新增加的Dexel段在原有Dexel段的后面，保持Dexel鏈按遞減順序排列；

5.已堆積的工件鏈表存在多個區(qū)間，掃掠體的Dexel在已堆積工件區(qū)間間隙中；掃掠體將區(qū)間間隙填充，使工件區(qū)間合并。此時需要將重疊更新為[m1low,m2up],并將多余的Dexel刪除；

6.工件在坐標(biāo)點(diǎn)處沿掃描線方向不存在Dexel，此時將掃掠體在該處的Dexel區(qū)間添加到已堆積的工件Dexel中；

步驟(6)：檢查所有點(diǎn)是否都計算完，若刀位點(diǎn)計算完則將步驟(5)得到的增材成形模型，提取三角面片，使用三角面片顯示增材成形模型。

本步驟中，首先檢查插值點(diǎn)是否計算完，若未計算完，重復(fù)步驟(4)中的計算增材掃掠體，若插值點(diǎn)計算完，再檢查刀位點(diǎn)(步驟3中獲得的CLSF原始刀位點(diǎn))是否都計算完，未計算完則重復(fù)步驟(4)及后續(xù)步驟，若刀位點(diǎn)也計算完，將步驟(5)中計算得到的最終增材成形模型的Tri-dexel模型，轉(zhuǎn)換為Voxel模型，再使用MarchingCub算法提取模型的三角面片。使用三角面片顯示增材成形模型。

上面所述的實(shí)施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對本發(fā)明的構(gòu)思和范圍進(jìn)行限定。在不脫離本發(fā)明設(shè)計構(gòu)思的前提下，本領(lǐng)域普通人員對本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變型和改進(jìn)，均應(yīng)落入到本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明請求保護(hù)的技術(shù)內(nèi)容，已經(jīng)全部記載在權(quán)利要求書中。