基于STL数据模型的刀具轨迹生成

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1、2002年工程图学学报2002第1期JOURNALOFENGINEERINGGRAPHICSNo.1基于STL数据模型的刀具轨迹生成曾晓华刘静华闫光荣(北京航空航天大学北京100083)摘要基于STL文件的数控加工技术可为解决快速仿制成形问题提供一个切实可行的方案具有重要的实用价值本文引用并推广了局部等距的概念设计了可满足多种铣刀加工要求的局部偏置模型生成算法并论述了加工轨迹生成算法等关键问题实践证明该算法精度高速度快且可有效地解决多面体模型轨迹生成中的干涉和碰撞问题关键词STL数据模型多面体模型快速原型刀位轨迹中图分类号TP391.7文献标识码A文章编号

2、1003-0158(2002)01-0008-07在产品开发与制造过程中对于某些特殊产品如人脸模型骨骼等必须根据原形进行仿制通常仿制采用的是传统的逆向工程方法[1]即根据实物模型测得数据构造CAD模型用于产品的分析设计和制造然而由于其形状的复杂性通过测量数据来反求几何模型的过程是相当困难和费时的80年代末快速原型制造RapidPrototypeManufacture简称RPM产生它与逆向工程的结合弥补了传统机加工工艺的缺陷使得可以不经过CAD模型而直接生成快速原型机所需的数据信息这就大大缩短了新产品的开发周期降低了开发成本为制造业的发展开辟了一片广阔天地面

3、向快速原型制造逆向工程系统的工作流程如图1所示样件表面数字化技术三维模型STL文件快速原型产品图1逆向工程工作流程图快速原型制造又称层加工是把零件的三维数据分层切片形成二维数据再综合利用激光材料数控等技术逐层地沉积材料最终形成三维物体[2]快速原型制造通用的数据转换接口是STL(STereoLithographyinterfacespecification)文件它是由逼近原CAD模型的大量空间三角形平面片组成的数据模型近几年来根据实际加工需要已有学者[3][4]开始研究基于STL数据模型的数控加工收稿日期2001-09-07作者简介曾晓华1976-女广西南

4、宁人硕士研究生主要研究领域为计算机图形学科学计算可视化CAD/CAM等第1期曾晓华等基于STL数据模型的刀具轨迹生成9方法即如何利用STL文件的离散三角片信息直接计算加工所需的刀具轨迹此方法的实现有助于解决快速仿制问题并将促进逆向工程技术的发展与完善1STL模型加工技术的研究现状STL数据模型也可称为三角片多面体模型通常采用平行截面法[3]对其进行加工具体的刀位轨迹生成算法主要有两种1直接计算刀位点Jun和Kim[4]提出了局部等距模型的概念即针对球头刀的加工特点分别构造三角平面片三角片的边和点的等距面与平行截面相交所得交线上的点即为刀位点此算法(以下简称

5、Jun算法)的优点是加工工艺性好可适用于凹凸模型且可完全避免干涉而缺点是算法中对边点的处理方法较复杂且只适用于球头刀加工的情况2由刀触点求刀位点即先用平切面去截取待加工表面生成一系列截交线然后使刀具与加工表面的刀触点沿截交线运动由此反算出刀位点[3]同时为了不啃切边界并使轨迹连续如图2所示在平切面与边界交点P处要以P点为圆心刀具半径R为半径作连接两平面片法线的圆弧作为跨越平面边界的刀具刀具中心轨迹中心轨迹此算法的优点是计算相对简单而缺点是由于每行刀位轨迹均不在同一平面内加工工艺性差也只适于球边界线RR头刀对凸多面体模型进行加工P针对以上两种方法均只适用于球

6、刀加工的局限性本文以前者为基础推广了局部等距的概念设计了适应于球头刀平底刀环形刀等3种常用铣刀的局部偏置模型的构造方法在偏置模型的求交算法中采用离散方法简化了求截交线交复杂度提高了计算的快速性和稳定性图2边界轨迹2STL的局部偏置模型2.1三角平面片的偏置模型由于加工中刀轴方向是固定的一般定义z轴0,0,1是主轴方向即刀轴方向已知三角平面片的单位法矢则分别以三角形3个顶点作为刀触点沿法矢偏移一个距离r平底刀r=0球头刀r=R然后在由刀R触点法矢刀轴矢量形成的平面内沿与刀轴垂直的方向偏移一个距离R-r这样可得到其对应的刀位点如图3所示重O(PCL)nr新连接

7、3个新顶点就可以得到三角片的偏置模型平面p求刀位点P的计算公式[5]PCLP=P+r×n+(R-r)×nCLOxy图3刀具的偏置计算式中P为刀触点r为刀角半径R为刀具半径n为三角片法矢nOxy为n在Oxy面上的投影10工程图学学报2002年2.2边的偏置模型边可分为3类凸边凹边和平边在三角片的边界上法矢方向不一致由该边邻接的左右两个三角片法矢可确定边的属性根据属性不同边的偏置模型也不同如图4所示(a)凸边(b)凹边(c)平边图43种属性边的偏置模型对于凸边其两侧三角片的偏置面会出现位置不连续如果不进行处理在该处易发生过切为了避免过切且保证刀位轨迹的连续性必

8、须对凸边构造边的偏置模型增加边界保护面具体方法[5]是刀具的反向轮