基于离散数据点直接快速原型制造方法

摘要

一种工业产品仿制和改进领域的基于离散数据点直接快速原型制造方法，具体包括两个步骤：1)离散数据预处理：给定一系列离散数据点，基于B－spline曲线、曲面的性质，对离散数据点进行数据平滑、数据精简、数据区域分割、特征点提取和排序，利用选取的离散数据点为控制顶点进行B－spline曲线、曲面的构造，是一个“正求”过程，省略方程的求解；2)基于离散数据点直接层片文件生成：依照被加工实体表面形状的复杂度来实施成型措施：针对实体表面曲率变化较大的区域，在实施快速原型制造时采用较薄层片进行累积成型，相反，针对实体表面曲率变化较小的区域，采用较厚的层片进行累积。本发明提高快速成型制造效率，以缩短产品开发周期、提高市场竞争力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种原型制造方法，具体是一种基于离散数据点直接快速原型制造方法。用于工业产品仿制和改进领域。

背景知识

针对反求工程与快速原型制造技术集成问题，近几年以来国内外分别提出了许多与基于离散数据点的快速原型制造相关的算法，包括离散数据预处理算法、三维建模算法以及三角剖分算法等。

经对现有技术文献的检索发现，Lee Kwan H等人在《computer and industrialengineering》2000，38(1)，P21-38上发表的“Direct integration of reverseengineering and rapid prototyping”(“反求工程与快速原型制造的直接集成”，《计算机与工业工程》)，该文针对反求工程与快速原型制造技术集成问题对离散数据点直接生成快速原型制造方法进行了较为详细的介绍，并开发了一种基于离散数据点直接层片文件生成方法。尽管该法的可行性和有效已经得到验证，然而，由于离散数据点曲面法矢和曲率计算的复杂性，使得文献所介绍的方法无法运用“区域性”的加工策略，从而降低了成型制造效率。“区域性”加工策略是基于CAD模型的快速原型制造方法中较为成熟的技术，其有效性已经得到广泛的论证和实验验证。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，将“区域性”的加工策略引入到基于离散数据点直接快速原型制造技术，提供一种基于离散数据点直接快速原型制造方法，使其采取“自适应”性的加工策略将反求工程与快速原型制造技术进行直接集成，从而提高快速成型制造效率，以缩短产品开发周期、提高市场竞争力。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明基于B样条(B-spline)曲面的性质，结合快速成型制造技术的特点，全面利用离散数据测量点的几何信息，具体包括离散数据预处理和基于离散数据点直接层片文件生成两个基本步骤：

1、测量数据预处理

利用B样条曲面的特性对离散数据进行预处理。在成型曲面测量数据的获取过程中，由于实际测量受到各种人为因素影响，使得测量结果包含“噪音点”以及存在大量的冗余数据。为了制造满足精度要求的产品，对所测量的三维离散数据点进行预处理是基于离散数据点直接快速原型制造技术中的一个关键环节。对离散数据的预处理一般包括：数据平滑、数据精简、数据区域分割、特征点提取和排序。

现有的离散数据平滑、分割及特征点提取算法的共同点是基于离散数据点曲率以及曲率微分进行计算，即离散数据点曲率及其微分的计算是上述算法的精髓。然而，离散数据点曲率及其微分的计算是计算机辅助几何设计中的难点和重点，尽管针对离散数据曲率计算的算法很多，但离散数据曲率的获取仍然是一个计算精度低、计算量大的技术难点。为了克服离散数据曲率及微分计算问题，从而更有效地进行离散数据的平滑、分割和特征点的提取，本发明基于B样条曲面的性质：

a)局部性：B-spline基函数可知，当移动一个控制顶点时，只对其中的一段曲线有影响，并不对整条B-spline曲线(曲面)产生影响。

b)包凸性：B-spline曲线(曲面)必处在控制多边形所形成的凸包内。凸包性是B-spline曲线(曲面)的重要性质，而且这个有趣的性质可以对基于离散数据点处理方法有重要的指导作用。

c)相似性：以选取的离散数据点为控制顶点构造的B样条曲面与以所有离散点为基础的拟合曲面存在强相似性。

对传统的离散数据平滑、分割和特征点提取方法进行改进，使其能够在计算量减少的情况下获得较好的离散数据预处理效果。

由于现有的离散数据预处理的缺陷是基于离散数据点进行B-spline曲线插值所固有的，因此，为了克服这种内在的缺陷，本发明彻底地抛弃传统的观点，而大胆地开辟新思路：给定一系列离散数据点，本发明利用所测量的离散数据点为控制顶点来构造B-spline曲线，从而利用所构造的曲线对离散数据点进行数据平滑、数据精简、数据区域分割和特征点提取。由于插值B-spline曲线是一个“反求”过程，需要结合边界条件进行庞大矩阵的求解，因此，计算量较大；而利用离散数据点为控制顶点进行B-spline曲线的构造是一个“正求”过程，无须进行方程的求解，因此，所需的计算量较少，这是此发明的优点之一。

2、基于离散数据点直接层片文件生成

本发明依照被加工实体表面形状的复杂度(曲面曲率)来实施成型措施：针对实体表面曲率变化较大的区域，在实施快速原型制造时采用较薄层片进行累积成型；相反，针对实体表面曲率变化较小的区域，采用较厚的层片进行累积，以提高成型效率。

“自适应”性成型制造策略，在基于CAD模型的快速成型制造过程中，大大提高了成型效率。鉴于此，本发明将“自适应”性成型制造策略应用于基于离散数据点直接快速原型制造技术中，以提高成型效率。由于“区域性”成型策略是以计算被成型曲面的曲率为前提的，因此，将“区域性”成型方法应用于基于离散数据点直接快速原型制造所面临的首要问题是如何计算曲面的曲率。为了解决上述问题，本发明开发了一种基于离散数据点的“自适应”性直接制造方法。

本发明是一种新兴的快速原型制造技术数据处理方法，利用反求工程和快速原型制造直接集成思想，有利于缩短产品的开发周期，也是未来普遍采用的反求工程与快速原型集成方法之一。本发明对传统的离散数据→快速原型制造切片文件算法进行改进，利用B样条曲面的性质，以选取的离散数据点为控制顶点构造B样条曲面以计算离散点几何信息，使人们可以获得曲率、法方向以及几何形状等信息，进而对离散数据进行预处理，并实施“自适应”性成型制造策略来提高快速成型加工效率。针对不同的被成型实体，本发明较现有的技术提高成型效率5-10％，可用于各种基于黏土或泡沫模型的制造业、模具制造业以及在医学上用于人工器官定制等。

附图说明

图1本发明方法流程图

图2本发明实施例相机模型成型结果图

具体实施方式

快速原型制造系统综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术以及材料科学技术，可以自动、直接、快速、准确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改以及功能试验，有效地缩短了产品的开发周期。

为了更好的理解本发明所涉及的基于离散数据点直接快速原型制造技术方案，以下结合附图及具体的实施方法作进一步描述。

本发明方法的流程以及本发明对现有基于离散数据点快速原型制造方法的改进见图1。从图中可以看出，本发明的技术方案避免了基于离散数据点的曲面重建过程，由于此过程恰恰是基于离散数据快速原型制造过程的难点和计算时间消耗所在，因此本发明是一种反求工程和快速原型制造直接集成思想，它有利于缩短产品的开发周期，是一种新兴的快速原型制造技术数据处理方法。

实施例

1、测量数据预处理

本发明的技术方案以选取的离散数据点为控制顶点构造的B样条曲线、曲面，并直接利用这些构造的曲线、曲面进行数据平滑和特征提取。

根据实物外形的数字化信息以及测量规划方法的差异，测量所得离散数据点分为：有序点和无序点。如果这些离散数据点是利用一些特定设备所测量的，即这些离散数据点存有内在的连续性和一定的排列顺序P_i，j。针对这类离散数据点，各行或列的离散数据点(例如第二行P_i，2)可直接被利用作为控制顶点，其处理过程较简单。然而，大多数情况下，面对的是毫无内在顺序的离散数据点，针对这类数据点，本发明采取的处理步骤如下：

a)对离散数据点进行切片：按照所测量实体表面形状寻求一个切片方向，例如沿z或x轴方向；给定一个切片间距δ(δ上是根据具体的被测物体形状所给定的两层切平面间的距离)，沿切片方向将所有离散数据点进行层片划分，形成切片数据(此类数据与医学上常用的CT数据类型相似)。

b)离散数据点排序：将每两层(例如j和j+1)切片间的所有离散数据按照某一坐标(例如切片方向为z轴方向，排序可以按照x轴坐标方向)进行“字典”方式排序为P_i。

控制顶点选取完毕后，则利用它们进行B样条曲线、曲面构造。然后利用构造B样条曲线、曲面将控制顶点(选取的离散数据点)进行参数化以求得其位于构造B样条曲线、曲面的对应点，并计算这些对应点的几何信息，最终对离散数据进行预处理以及为后续基于离散数据点“自适用”性直接快速原型制造提供几何依据。图2所示相机模型的尺寸为135mm×55mm×80mm.，测量得到的离散数据点被划分为8个子四边区域，针对每块子区域采用双3次B样条曲面进行构造。

2、基于离散数据点直接层片文件生成

本发明采取的快速成型技术方案采用混合成型误差策略。为了确保成型精度，在切片计算时，本发明按照下列方式进行成型方案的确定：

当曲面在点P′的曲率κ＞0，且点P′在曲率圆的上半部时，本发明采用“自下而上”的切片方式。

当曲面在点P′的曲率κ＜0，且点P′在曲率圆的下半部时，本发明采用“自上而下”的切片方式。

确定切片方式以后，则可以根据不同的曲面形状，计算累积圆柱片厚度d′，并从中确定最小圆柱片厚度作为此区域的圆柱片厚度d′_min：

Minimized′(u，v)

边界条件为：

(u.v)∈构造B样条曲面，且z(u，v)＝c为常数。

在实际切片计算时，若同一切片与多个曲面片相交，必须对每一曲面片确定的最小切片厚度进行比较，从中选取最小的切片厚度，作为最终切片厚度以进行累积成型。为了验证基于构造曲面作为“基曲面”进行快速成型制造算法的有效性，本实例将该算法与基于离散数据点CAD模型(以双3次B样条曲面对离散数据点进行拟合所得的CAD模型)进行快速成型制造算法进行了比较，其结果如表1。

表1(相机)

    参数 基于构造曲面(本发明) 基于拟合曲面(CAD模型)  切层厚度d    0.12mm-0.65mm     0.1mm-0.6mm    余量δ        0.1mm         0.1mm   层片数量         382          394  累积总面积    18.87×10⁵mm      19.90×10⁵mm