构建刀具轨迹的方法和装置、电子设备和存储介质

技术领域

本申请属于数控加工技术领域，具体涉及一种构建刀具轨迹的方法和装置、电子设备和存储介质。

背景技术

三角网格模型是一种表征几何模型的标准，其基本原理是用有限个空间小三角面片拼接形成空间曲面。三角网格模型以STL文件形式存在，文件中存放的数据包括三角面片个数，每个三角面片的法向量以及三点顶点的三维坐标。

三角网络模型的优点是数据结构简单，但其存在精度低的缺点，特别是法向量的数值精度。在数控加工以及3D打印领域，三角网格模型是常见的待加工零件文件格式。在规划机床轴路径过程中，必经的一步是基于刀触点路径计算刀位点路径，而在这一步骤中需要刀触点的法向量参与计算。低精度的法向量数据会导致不光滑的刀位点路径，从而导致机床各轴路径上出现不合理的抖动，进一步导致加工过程中机床的振动现象以及较差的产品表面质量。

发明内容

本申请的目的在于提供一种构建刀具轨迹的方法和装置、电子设备和存储介质，以解决现有技术中存在的规划机床轴路径过程中，低精度的法向量数据会导致不光滑的刀位点路径，从而导致机床各轴路径上出现不合理的抖动，进一步导致加工过程中机床的振动现象以及较差的产品表面质量的技术问题。

为了实现上述目的，本申请采用的技术方案是：

提供一种构建刀具轨迹的方法，包括:

获取目标几何模型；

构建多个切平面，所述多个切平面相互平行，且每一切平面均与所述目标几何模型相交；

计算每一所述切平面与所述目标几何模型的交线；

计算每一所述交线上若干个均匀分布的样本点的法向量，得到样本法向量信息；

基于所述交线和所述样本法向量信息，规划加工所述目标几何模型的刀具轨迹。

在一个或多个实施方式中，所述计算每一所述切平面与所述目标几何模型的交线的步骤包括：

计算每一所述切平面与所述目标几何模型中三角面片的交点，得到交点集；

对所述交点集中的交点进行排序，并构建依次连接所述交点的曲线；

遍历所述曲线上相邻所述交点的距离，以剔除与相邻交点的距离小于第一阈值的重复点，得到所述交线。

在一个或多个实施方式中，所述计算每一所述交线上若干个均匀分布的样本点的法向量，得到样本法向量信息的步骤包括：

由每一所述交线上取若干个均匀分布的样本点，第i条所述交线上第j个样本点表示为P

基于所述样本点的相邻样本点的连线的向量，计算所述样本点的法向量。

在一个或多个实施方式中，所述基于所述样本点的相邻样本点的连线的向量，计算所述样本点的法向量的步骤包括：

计算样本点P

计算样本点P

基于公式

在一个或多个实施方式中，所述基于所述交线和所述样本法向量信息，规划加工所述目标几何模型的刀具轨迹的步骤包括：

在相邻所述交线的排序编号相同的所述样本点之间进行线性插值，得到刀触点；

依序连接位于相邻所述交线之间的所述刀触点，得到刀触点路径；

基于所述样本法向量信息，计算所述刀触点路径上每一所述刀触点的法向量，得到刀触点法向量信息；

基于所述刀触点路径和所述刀触点法向量信息，计算刀位点路径，得到加工所述目标几何模型的刀具轨迹。

在一个或多个实施方式中，所述在相邻所述交线的排序编号相同的所述样本点之间进行线性插值，得到刀触点的步骤包括：

计算样本点P

Q

其中，r＝j-1/m-1，m为每一所述切平面上的所述样本点的总数量。

在一个或多个实施方式中，所述基于所述样本法向量信息，计算所述刀触点路径上每一所述刀触点的法向量，得到刀触点法向量信息的步骤包括：

基于所述样本法向量信息，获取样本点P

计算刀触点Q

T

其中，r＝j-1/m-1，m为每一所述切平面上的所述样本点的总数量。

为了实现上述目的，本申请采用的另一个技术方案是：

提供一种构建刀具轨迹的装置，包括:

获取模块，用于获取目标几何模型；

构建模块，用于构建多个切平面，多个切平面相互平行，且每一切平面均与目标几何模型相交；

第一计算模块，用于计算每一切平面与目标几何模型的交线；

第二计算模块，用于计算每一交线上若干个均匀分布的样本点的法向量，得到样本法向量信息；

规划模块，用于基于交线和样本法向量信息，规划加工目标几何模型的刀具轨迹。

为了实现上述目的，本申请采用的又一个技术方案是：

提供一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及

存储器，所述存储器存储指令，当所述指令被所述至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器执行如上述任一实施方式所述的构建刀具轨迹的方法。

为了实现上述目的，本申请采用的又一个技术方案是：

提供一种机器可读存储介质，其存储有可执行指令，所述指令当被执行时使得所述机器执行如上述任一实施方式所述的构建刀具轨迹的方法。

区别于现有技术，本申请的有益效果是：

本申请通过计算切平面与模型的交线，由交线上选取样本点，基于样本点相邻点的坐标计算样本点的法向量，对样本点进行线性插值获得刀触点，并基于样本点的法向量计算刀触点的法向量，从而有效保证了刀触点的法向量的精度，避免采用三角网格模型中存储的精度较差的法向量信息，保证了刀位点路径的平滑，避免了机床加工过程中不合理的抖动、振动现象以及较差的产品表面质量。

附图说明

图1是本申请构建刀具轨迹的方法一实施方式的流程示意图；

图2是本申请待加工零件的曲面模型一实施方式的示意图；

图3是本申请目标几何模型一实施方式的示意图；

图4是本申请目标几何模型的切平面一实施方式的构建示意图；

图5是图1中步骤S300一实施方式的流程示意图；

图6是切平面与三角面片的相交状态示意图；

图7是本申请交线一实施方式的构建示意图；

图8是图1中步骤S400对应的一实施方式的流程示意图；

图9本申请交线一实施方式的结构示意图；

图10是图1中步骤S500中对应的一实施方式的流程示意图；

图11是本申请刀触点路径一实施方式的结构示意图；

图12是本申请构建刀具轨迹的装置一实施方式的结构框图；

图13是本申请的电子设备一实施方式的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本申请进行详细描述。但该等实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。

如背景技术中，三角网络模型是以STL文件形式存在，其存放的数据包括三角面片个数，每个三角面片的法向量以及三点顶点的三维坐标。

目前，刀具轨迹的构建主要是利用三角网络模型来规划刀触点的路径，同时基于三角网络模型中三角面片的法向量来计算刀触点的法向量，最后基于刀触点法向量和刀触点的路径，来构建刀具的轨迹。

目前基于三角面片的法向量来计算刀触点的法向量的方法主要包括两种：一种是直接使用三角面片的法向量作为该三角面片与切平面相交得到的交点的法向量，最后整体上对法向量进行滤波处理；二是采用加权平均的方式来计算法向量，即顶点的法向量由与之邻接的三角面片的面积和三角面片法向量加权平均得到，如果交点来自三角面片的边，则根据交点与边两端的顶点之间的位置关系再一次加权平均得到交点的法向量。

由于三角网络模型中三角面片的法向量数据精度较差，因此基于三角面片的法向量计算的刀触点法向量精度较差，会导致机床各轴路径上出现不合理的抖动，进一步导致加工过程中机床的振动现象以及较差的产品表面质量。

为了解决上述问题，申请人开发了一种构建刀具轨迹的方法，该方法放弃使用三角网络模型中的三角面片法向量数据，有效保证了刀触点的法向量精度，从而保证了刀具轨迹的精度，避免了抖动和振动现象。

具体地，请参阅图1，图1是本申请构建刀具轨迹的方法一实施方式的流程示意图。

该方法包括：

S100、获取目标几何模型。

具体地，可以将待加工零件的曲面模型导入商用CAD/CAM软件中，设置网格划分参数并导出三角网格模型，从而获得目标几何模型，如图2和图3所示，图2是本申请待加工零件的曲面模型一实施方式的示意图，图3是本申请目标几何模型一实施方式的示意图。

目标几何模型可以以STL文件形式存在，STL文件存储的数据可以包括三角面片的个数、每个三角面片的法向量以及每个三角面片的三个顶点坐标。

S200、构建多个切平面。

多个切平面可以相互平行，且每一切平面均与目标几何模型相交。

在一个应用场景中，可以预设切平面的参数方程为A

在相关代码片段的for循环中逐次改变A

在另一个应用场景中，也可以以平行于XOY平面的平面作为切平面，可以预设切平面方程为Z＝a

多个切平面可以等距设置，即a

S300、计算每一切平面与目标几何模型的交线。

在获取到切平面的参数方程后，由于目标几何模型的三角面片的三个顶点坐标已知，因此可以计算每一切平面与目标几何模型的交线。

在一个实施方式中，请参阅图5，图5是图1中步骤S300一实施方式的流程示意图。

计算交线的方法包括：

S301、计算每一切平面与目标几何模型中三角面片的交点，得到交点集。

基于已知的切平面参数方程和已知的三角面片的顶点坐标，可以计算出切平面与目标几何模型中三角面片的交点。

具体地，切平面和模型面片的相交存在五种情况，如图6所示，图6是切平面与三角面片的相交状态示意图。

图6中最左侧示出的情况下，切平面与面片无交点，其余四种情况由于三角面片的顶点和切平面均是已知的，因此可以计算出此时切平面和面片的每个交点在坐标系中的位置。

S302、对交点集中的交点进行排序，并构建依次连接交点的曲线。

步骤S301计算出的交点实际上是无序性的，无序性是由目标几何模型的三角面片的无序性导致的，因此需要对交点进行排序。

在一个应用场景中，可以基于每个样本点的坐标值计算其角度值θ

S303、遍历曲线上相邻交点的距离，以剔除与相邻交点的距离小于第一阈值的重复点，得到交线。

步骤S302构建的曲线上存在重复点，这主要是由于因为切平面切分两个有公共边的三角面片时，公共边上的交点被重复计算，因此需要进一步剔除重复点。

在一个实施方式中，可以计算相邻的样本点P

在其他实施方式中，也可以采用其他方法去除重复点，均能够实现本实施方式的效果。

S400、计算每一交线上若干个均匀分布的样本点的法向量，得到样本法向量信息。

在一个实施方式中，请参阅图8，图8是图1中步骤S400对应的一实施方式的流程示意图。

计算样本点的法向量的步骤包括：

S401、由每一交线上取若干个均匀分布的样本点。

获取交线后，由于交线上的交点并非均匀变化，为了使刀触点能够均匀排布，需要在交线上取均匀分布的样本点。

在一个应用场景中，可以选取交线上角度值θ单调均匀变化的点作为样本点。

具体地，可以指定常数m作为交线上选取样本点的数量，并提取交线上角度值θ的最大值θ

基于该角度值数列能够获取到m个角度值

具体地，针对角度值

由上述公式可以在每一条交线行得到m个角度值单调均匀变化的样本点，可以将第i条交线上第j个样本点表示为P

在其他应用场景中，也可以根据具体工况以其他参数的单调变化作为样本点选取的基准，例如可以以x轴坐标、y轴坐标、Z轴坐标等，均能够实现本实施方式的效果。

S402、计算样本点P

在获取到样本点后，为了计算样本点P

可以理解的，当j＝m时，可以以样本点P

S403、计算样本点P

为了计算样本点P

可以理解的，当中i＝n时，可以以样本点P

S404、计算样本点P

具体地，可以对向量

S500、基于交线和样本法向量信息，规划加工目标几何模型的刀具轨迹。

当获取到交线以及交线上均匀分布的样本点的法向量后，可以进一步规划刀具轨迹。

如图9所示，图9本申请交线一实施方式的结构示意图。相邻交线是跳跃性的，为了能够得到平滑的刀具轨迹，需要进一步计算空间螺旋线。

具体地，请参阅图10，图10是图1中步骤S500中对应的一实施方式的流程示意图。

规划刀具轨迹的方法包括：

S501、在相邻交线的排序编号相同的样本点之间进行线性插值，得到刀触点。

可以通过线性插值的方法，在相邻交线上对应的样本点P

在一个应用场景中，进行线性插值的方法可以为：

计算样本点P

Q

其中，r＝j-1/m-1，m为每一切平面上的样本点的总数量。

可以理解的，r是一个与j线性相关的参数，随着j数值由1增大至m的过程中，Q

S502、依序连接位于相邻交线之间的刀触点，得到刀触点路径。

如图11所示，图11是本申请刀触点路径一实施方式的结构示意图。依据连接位于相邻交线之间的刀触点，能够得到平滑的空间螺旋线，即刀触点路径。

S503、基于样本法向量信息，计算刀触点路径上每一刀触点的法向量，得到刀触点法向量信息。

在获得刀触点路径后，为了获得在每一刀触点时刀位点的位置，需要计算每一刀触点的法向量，作为规划刀具轨迹的基准信息。

在一个应用场景中，可以基于通过线性插值得到该刀触点的样本点P

具体地，首先基于样本法向量信息，获取样本点P

S504、基于刀触点路径和刀触点法向量信息，计算刀位点路径，得到加工目标几何模型的刀具轨迹。

通过构建出的刀触点路径以及每一刀触点的法向量，可以生成刀具的刀位点路径，从而得到加工目标几何模型的刀具轨迹。

本申请还提供了一种构建刀具轨迹的装置，如图12所示，图12是本申请构建刀具轨迹的装置一实施方式的结构框图。

该装置包括获取模块21，构建模块22，第一计算模块23，第二计算模块24和规划模块25。

其中，获取模块21用于获取目标几何模型；构建模块22用于构建多个切平面，多个切平面相互平行，且每一切平面均与目标几何模型相交；第一计算模块23用于计算每一切平面与目标几何模型的交线；第二计算模块24用于计算每一交线上若干个均匀分布的样本点的法向量，得到样本法向量信息；规划模块25用于基于交线和样本法向量信息，规划加工目标几何模型的刀具轨迹。

如上参照图1到图11，对根据本说明书实施例构建刀具轨迹的方法进行了描述。在以上对方法实施例的描述中所提及的细节，同样适用于本说明书实施例的构建刀具轨迹的装置。上面的构建刀具轨迹的装置可以采用硬件实现，也可以采用软件或者硬件和软件的组合来实现。

图13示出了本申请的电子设备一实施方式的结构示意图。如图13所示，电子设备30可以包括至少一个处理器31、存储器32(例如非易失性存储器)、内存33和通信接口34，并且至少一个处理器31、存储器32、内存33和通信接口34经由总线35连接在一起。至少一个处理器31执行在存储器32中存储或编码的至少一个计算机可读指令。

应该理解，在存储器32中存储的计算机可执行指令当执行时使得至少一个处理器31进行本说明书的各个实施例中以上结合图1-图11描述的各种操作和功能。

在本说明书的实施例中，电子设备30可以包括但不限于：个人计算机、服务器计算机、工作站、桌面型计算机、膝上型计算机、笔记本计算机、移动电子设备、智能电话、平板计算机、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、手持装置、消息收发设备、可佩戴电子设备、消费电子设备等等。

根据一个实施例，提供了一种比如机器可读介质的程序产品。机器可读介质可以具有指令(即，上述以软件形式实现的元素)，该指令当被机器执行时，使得机器执行本说明书的各个实施例中以上结合图1-图11描述的各种操作和功能。具体地，可以提供配有可读存储介质的系统或者装置，在该可读存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机或处理器读出并执行存储在该可读存储介质中的指令。

在这种情况下，从可读介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此机器可读代码和存储机器可读代码的可读存储介质构成了本说明书的一部分。

可读存储介质的实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD-RW)、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上或云上下载程序代码。

本领域技术人员应当理解，上面公开的各个实施例可以在不偏离发明实质的情况下做出各种变形和修改。因此，本说明书的保护范围应当由所附的权利要求书来限定。

需要说明的是，上述各流程和各系统结构图中不是所有的步骤和单元都是必须的，可以根据实际的需要忽略某些步骤或单元。各步骤的执行顺序不是固定的，可以根据需要进行确定。上述各实施例中描述的装置结构可以是物理结构，也可以是逻辑结构，即，有些单元可能由同一物理客户实现，或者，有些单元可能分由多个物理客户实现，或者，可以由多个独立设备中的某些部件共同实现。

以上各实施例中，硬件单元或模块可以通过机械方式或电气方式实现。例如，一个硬件单元、模块或处理器可以包括永久性专用的电路或逻辑(如专门的处理器，FPGA或ASIC)来完成相应操作。硬件单元或处理器还可以包括可编程逻辑或电路(如通用处理器或其它可编程处理器)，可以由软件进行临时的设置以完成相应操作。具体的实现方式(机械方式、或专用的永久性电路、或者临时设置的电路)可以基于成本和时间上的考虑来确定。

上面结合附图阐述的具体实施方式描述了示例性实施例，但并不表示可以实现的或者落入权利要求书的保护范围的所有实施例。在整个本说明书中使用的术语“示例性”意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。

本公开内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本公开内容。对于本领域普通技术人员来说，对本公开内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本公开内容的保护范围的情况下，将本文所对应的一般性原理应用于其它变型。因此，本公开内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。