一种基于离散化点云面向增材制造的几何建模方法

专利名称：一种基于离散化点云面向增材制造的几何建模方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202110965810.0

专利申请（专利权）人：苏州同异三维打印科技有限公司
权利人地址：江苏省苏州市昆山市周市镇横长泾路555号002幢501号房

专利发明（设计）人：王玉,李帅帅,于颖,李思齐

专利摘要：本发明涉及一种基于离散化点云面向增材制造的几何建模方法，包括以下步骤：1)根据待加工物体的点云数据，确定模型的中心轨迹线，并进行离散化处理得到中心轨迹线上每层对应的离散点的坐标和切向量；2)获取模型初始层横截面的离散化坐标值；3)对模型初始层横截面离散化坐标值进行旋转和平移的仿射变换，依次迭代并且以设定的位姿得到后续每层横截面离散化坐标值，最终形成待加工物体的模型并进行后处理；4)根据待加工物体的模型进行增材制造。与现有技术相比，本发明具有无需切片操作、降低数据处理量和所需存储空间、设计思路新颖等优点。

主权利要求：
1.一种基于离散化点云面向增材制造的几何建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据待加工物体的点云数据，确定模型的中心轨迹线，并进行离散化处理得到中心轨迹线上每层对应的离散点的坐标和切向量；
2)获取模型初始层横截面的离散化坐标值；
3)对模型初始层横截面离散化坐标值进行旋转和平移的仿射变换，依次迭代并且以设定的位姿得到后续每层横截面离散化坐标值，最终形成待加工物体的模型并进行后处理；
4)根据待加工物体的模型进行增材制造；
所述的步骤1)中，对中心轨迹线通过微分处理的方式实现离散化；
所述的步骤2)中，对模型初始横截面通过微分处理的方式实现离散化，得到初始层横截面的离散化坐标值；
所述的步骤4)还包括以下步骤：
根据待加工的物品判断是否需要布尔运算，对于仅具有一条中心轨迹线时，则无需进行布尔运算，对于包含两条以上相交的中心轨迹线时，则需要进行布尔运算，实现子部件的拼接；
对于包含两条相交的中心轨迹线的三通管道，通过布尔运算完成待加工的物品各子部件的拼接具体为：
41)以平方向子部件B作为工具体，以竖直方向子部件A作为被切割体进行差运算，得到部件C；
42)以差运算得到的部件C作为工具体，以平方向子部件B作为被切割体进行差运算，得到部件D；
43)将部件C与部件D进行并运算，得到最终的三通管道模型；
所述的差运算具体为：
将工具体模型在三视图方向分别进行投影，根据投影获取三个视图方向内的边界线，对被切割体模型中的所有点逐个判断其是否在三个视图方向均位于边界线内部，若是，则将其加入删除列表，全部判断完毕后，将删除列表里的点删除即完成差运算。
2.根据权利要求1所述的一种基于离散化点云面向增材制造的几何建模方法，其特征在于，所述的步骤3)中，第i层的横截面点矩阵根据第i‑1层的横截面点矩阵乘以罗德里格旋转矩阵R得到，则有：其中，R为罗德里格旋转矩阵，E为单位矩阵，θ为旋转角度，kx、ky、kz分别为旋转轴在向量形式下的各坐标轴分量。
3.根据权利要求1所述的一种基于离散化点云面向增材制造的几何建模方法，其特征在于，通过改变初始截面形状，增加模型的复杂度，以适应不同形状的物体。
4.根据权利要求3所述的一种基于离散化点云面向增材制造的几何建模方法，其特征在于，所述的不同形状的物体包括具有加强筋的管道和变截面的管道。 说明书 : 一种基于离散化点云面向增材制造的几何建模方法技术领域[0001] 本发明涉及增材制造技术领域，尤其是涉及一种基于离散化点云面向增材制造的几何建模方法。背景技术[0002] 增材制造是一种区别于车铣切削等传统减材制造方法的新型制造工艺，其特点是基于计算机处理后的数字模型，“自下而上”、“从无到有”地实现模型工件的制造过程。相比传统加工方式，增材制造方法最主要的优势在于将复杂的三维空间问题降维转换为相对简单的二维平面问题进行处理，将待加工模型离散化，从而可以制造出具有高度复杂度的零件，并且显著降低了复杂零件的加工成本。[0003] 对于增材制造加工技术而言，对模型的切片处理方法是制造工艺中关键的一步，在得到模型原型后，对零件的分层处理结果将极大地影响打印的结果。目前普遍的方法是将建模结果转换为STL文件格式，然后沿成型方向上按照一定的厚度对模型进行分层处理，提取模型各个高度上的截面信息，实现对模型的离散化处理。然而STL文件处理过程中会存在法向错误、孔洞精度差以及几何线重叠或相交等问题，因此，考虑到STL格式文件在当前应用场景下的越来越明显的局限性，目前业界需要优化和改良当前增材制造加工方式模型处理的新方法。发明内容[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于离散化点云面向增材制造的几何建模方法。[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：[0006] 一种基于离散化点云面向增材制造的几何建模方法，包括以下步骤：[0007] 1)根据待加工物体的点云数据，确定模型的中心轨迹线，并进行离散化处理得到中心轨迹线上每层对应的离散点的坐标和切向量；[0008] 2)获取模型初始层横截面的离散化坐标值；[0009] 3)对模型初始层横截面离散化坐标值进行旋转和平移的仿射变换，依次迭代并且以设定的位姿得到后续每层横截面离散化坐标值，最终形成待加工物体的模型并进行后处理；[0010] 4)根据待加工物体的模型进行增材制造。[0011] 所述的步骤1)中，对中心轨迹线通过微分处理的方式实现离散化。[0012] 所述的步骤2)中，对模型初始横截面通过微分处理的方式实现离散化，得到初始层横截面的离散化坐标值。[0013] 所述的步骤3)中，第i层的横截面点矩阵根据第i‑1层的横截面点矩阵乘以罗德里格旋转矩阵R得到，则有：[0014][0015] 其中，R为罗德里格旋转矩阵，E为单位矩阵，θ为旋转角度，kx、ky、kz分别为旋转轴在向量形式下的各坐标轴分量。[0016] 所述的旋转轴向量与旋转角度通过第i‑1层横截面与第i层横截面的平面法向量计算得到，则有：[0017][0018] 其中，i，j，k分别为标准笛卡尔坐标系的单位基底，Qi、Qi‑1分别为第i‑1层与第i层T横截面的法向量，a、b、b分别为对应层法向量在各坐标轴上的分量，即Qi＝[aibici]。[0019] 所述的步骤4)还包括以下步骤：[0020] 根据待加工的物品判断是否需要布尔运算，对于仅具有一条中心轨迹线时，则无需进行布尔运算，对于包含两条以上相交的中心轨迹线时，则需要进行布尔运算，实现子部件的拼接。[0021] 对于包含两条相交的中心轨迹线的三通管道，通过布尔运算完成待加工的物品各子部件的拼接具体为：[0022] 41)以平方向子部件B作为工具体，以竖直方向子部件A作为被切割体进行差运算，得到部件C；[0023] 42)以差运算得到的部件C作为工具体，以平方向子部件B作为被切割体进行差运算，得到部件D；[0024] 43)将部件C与部件D进行并运算，得到最终的三通管道模型。[0025] 所述的差运算具体为：[0026] 将工具体模型在三视图方向分别进行投影，根据投影获取三个视图方向内的边界线，对被切割体模型中的所有点逐个判断其是否在三个视图方向均位于边界线内部，若是，则将其加入删除列表，全部判断完毕后，将删除列表里的点删除即完成差运算。[0027] 通过改变初始截面形状，增加模型的复杂度，以适应不同形状的物体。[0028] 所述的不同形状的物体包括具有加强筋的管道和变截面的管道。[0029] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：[0030] 一、本发明提出的用于增材制造的点云建模方法，简化了现有增材制造模型处理方法的流程，避免了由切片操作导致的误差，并大大缩减了储存模型所需要的数据量。[0031] 二、本发明提出的用于增材制造的点云建模方法在应用于多轴增材制造加工时，更为符合增材制造的核心理念，即“自下而上，从无到有”的设计想法，同时成型方向不止局限于现有方法中的Z轴正方向，而是根据待加工模型的性能和外形需要自由设计，优化了设计思路。[0032] 三、本发明提出的基于投影边界的点云模型布尔运算方法作为一种针对离散点云模型的布尔运算方法，与现有的点云布尔运算方法相比，解决了现有方法无法处理的内外连通式模型的布尔运算操作，而且可以几乎完整保留原模型的细节和尖锐特征；同时相比其他方法，既没有复杂的点与点之间的拓扑关系，离散点本身也仅保留空间坐标这一最小数据量，大大降低了所需存储空间和数据量；另外，在模型处理速度与最终布尔运算的结果方面均有不错的表现，且效率与点云模型密度呈线性相关。附图说明[0033] 图1为现有模型处理方法工作流程(上)与本方法工作流程(下)对比。[0034] 图2为基于投影边界的点云模型布尔运算流程图。[0035] 图3为投影边界法原理示意图。[0036] 图4为建立轨迹线并得到离散点和切向量值。[0037] 图5为建模结果及模型细节，其中，图(5a)为建模结果，图(5b)为建模细节。[0038] 图6为布尔操作各阶段子部件及建模结果。具体实施方式[0039] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。[0040] 为了解决现有的增材制造加工轨迹生成方法的缺点和局限性，本发明以CAD建模软件Rhino及其模型参数化技术模块Grasshopper为主要平台，提出了全新的生成增材制造轨迹的建模和处理方法，即面向增材制造的离散化点云建模方法，本方法的本质特点是将建模与对模型的离散化合而为一，其工作流程如图1所示。[0041] 本发明的一种基于离散化点云面向增材制造的几何建模方法，包括以下步骤：[0042] 1)建立模型中心轨迹线：基于点云数据的加工路径规划方法需要得到待加工模型的中心轨迹线，并在Grasshopper中的“DivideCurve”工具将空间曲线拆分成了多段长度相等的曲线，由于曲线段数较多，可以近似认为是作为微分处理的方法，层与层之间的相对变化极小。同时，在此步骤可以得到后续处理中需要用到的多个坐标点与对应坐标点的切向量值；[0043] 2)建立模型横截面离散化坐标值：以和建立模型中心轨迹线同样的方法，建立并得到模型的初始截面形状的离散化坐标值；[0044] 3)对模型横截面离散化坐标值进行旋转平移等仿射变换。在已经得到模型中心轨迹线的情况下，在三维空间中对每一层的离散化结果分别进行变换，使其以指定的位姿到达指定位置形成模型的下一层，并以此形成模型的迭代。引入罗德里格旋转公式作为对每层截面点进行旋转变换的理论依据，其旋转公式的矩阵表达如下：[0045][0046] 其中，R为旋转矩阵，E为单位矩阵，θ为旋转角度，kx、ky、kz分别为旋转轴在向量形式下的各坐标轴分量。因此，第i层的横截面点矩阵可以用第i‑1层的横截面点矩阵乘以罗德里格旋转矩阵的方式得到，而又由于同一层内的截面点的旋转规律与其所在平面的法向量旋转规律相同，因此可以用第i‑1层与第i层的平面法向量求得所需旋转轴向量与旋转角度，具体计算方法如下：[0047][0048] 其中，i，j，k分别为标准笛卡尔坐标系的单位基底，Qi、Qi‑1分别为第i‑1层与第i层T横截面的法向量，a、b、c分别为对应层法向量在各坐标轴上的分量,即Qi＝[aibici]。[0049] 由以上公式综合可得第i层上所有点的坐标经过旋转后的坐标值，再以空间中第i层与第i‑1层中心轨迹点的坐标差值为位移补偿，将坐标点平移至指定位置，即可得到目标坐标值，通过编写计算机程序完成循环迭代，实现最终对模型的建立；[0050] 4)对于无遮挡结构的实体模型而言，点在模型内部的充要条件可以描述为：如果一个点在模型内部，则在该点与该模型的任意方向投影得到的二维图形中，点在图形内部；反之，在前提条件下，如果一个点在某一模型的任意方向投影得到的二维图形中都在图形内部，则点在模型内部。如图3所示。通过这种较为简洁的判断方法，可以将一个三维空间中的复杂问题降维成为多个二维平面内的内外判断问题。[0051] 通过Matlab中boundary函数生成点云模型平面投影边界及inpolygon函数判断一点云模型与另一点云模型平面投影边界的关系，对所有点进行迭代分类，并删除处于另一模型内部及边界上的点，即可得到点云模型布尔运算结果。[0052] 对于离散点云模型来说，并运算是较为容易实现的布尔运算方法，只需要将两组实体模型的点云数据进行直接叠加即可，因此在本发明中不做具体讨论；而交运算可以等价为两组实体模型进行差运算后，以结果对被切割模型再做一次差运算，因此，只要能够稳定实现两个实体模型之间的差运算，就可以等价地实现两个模型之间的交运算，因此，本方法将以如何实现基本布尔运算中的差运算为重点研究对象，实现两个离散点云模型之间的差运算的关键在于判断一个模型的点与另外一个模型之间的内外关系，即判断一个点是在另一个模型内部、外部还是恰好位于边界上，鉴于此，本实例给出了一个较为简单的判断点与模型内外关系的方法，具体方法流程如图2所示。[0053] 5)根据具体使用的加工平台不同，对得到的空间坐标值进行对应的后处理，并完成最终加工。[0054] 实施例[0055] 以五轴增材制造加工平台为例，对弯曲空心管道模型和三通管道模型进行点云建模。弯曲空心管道模型由两段半径50mm的连续四分之一圆弧为中心轨迹线构成，截面为半径10mm的圆形；三通管道模型竖直方向为半径10mm的圆形截面空心管道，高度50mm，水平方向为半径5mm的圆形截面空心管道，高度20mm。[0056] 1)弯曲空心管道模型[0057] (a)建立模型中心轨迹线，得到后续处理中需要用到的多个坐标点与在对应坐标点的切向量值，如图4所示。[0058] (b)建立模型横截面离散化坐标值。[0059] (c)对模型横截面离散化坐标值进行旋转平移等仿射变换，将坐标点平移至指定位置，形成点云模型的空间坐标值，通过循环迭代实现最终对模型的建立，如图5所示。[0060] (d)本模型无需布尔操作。[0061] (e)使用的加工平台为双摇篮B‑C轴五轴加工平台，对得到的空间坐标值进行对应的后处理，得到加工所需G代码，并完成最终加工。[0062] 2)三通管道模型[0063] (a)分别建立水平方向和竖直方向模型中心轨迹线，得到后续处理中需要用到的多个坐标点与在对应坐标点的切向量值。[0064] (b)建立模型横截面离散化坐标值。[0065] (c)本模型的两个子部件几何图形比较简单，因此仅需进行平移变换即可。将得到的模型分别保存为两个点云坐标文件。[0066] (d)考虑布尔操作顺序，将竖直方向子部件设为A，水平方向子部件设为B，则操作顺序为：[0067] ①以B为工具体，A为被切割体进行差运算，得到的结果记为C；[0068] ②以C为工具体，B为被切割体进行差运算，得到的结果记为D；[0069] ③将C与D进行并运算，得到最终模型结果。[0070] 差运算的具体操作方法为：将工具体模型在三视图方向进行投影，由投影产生三个视图方向内的边界线，对被切割体点云模型中的点逐个判断其是否三个视图方向均在平面边界内，如果是，则将其加入删除列表，全部判断完毕后，将删除列表里的点删除即完成差运算。A‑D模型及最终建模结果如图6所示。[0071] (e)使用的加工平台为双摇篮B‑C轴五轴加工平台，对得到的空间坐标值进行对应的后处理，得到加工所需G代码，并完成最终加工。[0072] 3)根据改变初始截面形状，还可以增加模型的复杂度，使本方法具有更广泛的适用性和实用空间。[0073] 综上，本发明作为一种新的增材制造模型构造方法，还提出了一种针对点云模型拼接进行的布尔运算方法，进一步提升了点云建模方法的普适性和可用性。相比现有基于面元的几何建模方法而言，以离散的点元作为基本元素的建模方法和绘制方法具有拓扑信息简单、占用地址空间小且可以根据需求较为自由地调整精度级别的优点。目前业界主要的技术方法仅适用于具有严格内外边界的模型，对于管道模型这类内外连通的离散点云模型实例，目前的几种针对点云模型的方法均不完全适用，针对该问题，本发明提出了一种适用于点云模型的基于投影边界的布尔运算方法，有效用以提高建模方法的普适性。

专利地区：江苏

专利申请日期：2021-08-23

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN113836694B