一种利用奇偶特性的复杂区域扫描线加工轨迹生成方法

本发明涉及机械加工，具体涉及一种利用奇偶特性的复杂区域扫描线加工轨迹生成方法。

背景技术：

1、在先进制造业领域中，对于要求高精度高表面质量的复杂自由曲面的加工是一项重要且具有挑战性的任务。而加工轨迹又是复杂自由曲面加工中最为关键的影响因素之一，其在很大程度上决定了加工的效率与精度。加工轨迹具有不同的几何形式，其中往复式平行线形式的扫描线加工轨迹应用相当广泛，因其轨迹生成方法相对简单明了，且轨迹进给方向具有一致性进而能获得较好的加工表面光洁度。

2、扫描线加工轨迹在复杂曲面铣削加工、抛光加工、3d打印，以及首饰数控加工等领域中均有广泛应用。其中，首饰数控加工是近年来兴起的热点，首饰加工行业从以手工加工为主升级为自动化、智能化加工是必然趋势。然而，目前市场上面向数控加工编程的成熟商业cam软件均为通用cam软件，在功能强大的同时却带来了用户的高额学习成本，以及企业对于专用加工轨迹编程人才的高额用人成本。

3、面向首饰数控加工的轨迹规划需求通常具有其独特的复杂性。例如，首饰数控加工中的区域挖槽加工，通常需要对汉字、复杂设计图案等的复杂多重包围区域进行高效率加工。其中涉及如何识别有效加工区域，以及如何自动生成覆盖有效区域的高效率加工轨迹2方面难点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种利用奇偶特性的复杂区域扫描线加工轨迹生成方法，能够自动从复杂区域分解出有效加工区域，且能自动生成覆盖有效区域的高效率扫描线加工轨迹。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种利用奇偶特性的复杂区域扫描线加工轨迹生成方法，包括下列步骤：

3、步骤1：选择所有待加工区域的多条轮廓曲线；

4、步骤2：将多条所述轮廓曲线对应的多重包围复杂区域分解为多个无多重包围的复连通区域；

5、步骤3：针对所述复连通区域，根据所需轨迹行距构建一系列平行直线，并求解直线与区域轮廓曲线的交点；

6、步骤4：基于所述交点与奇偶特性，执行基础连接循环；

7、步骤5：基于所述交点与奇偶特性，进一步执行搜寻潜在连接点流程；

8、步骤6：执行搜寻潜在连接点流程后，基于所述交点与奇偶特性，不断地执行进阶连接循环，直到所有交点均被连接成轨迹曲线。

9、可选的，所述无多重包围的复连通区域是指一个带孔洞的区域，该区域的所有轮廓曲线有且仅有最外环曲线包围内部所有孔洞的轮廓曲线这一重包围关系；若一个孔洞的轮廓曲线还包围其他轮廓曲线，则该区域为多重包围的复连通区域。

10、可选的，步骤2的执行过程，包括下列步骤：

11、步骤2.1：对选择的每条曲线构建轴对齐包围盒，并根据包围盒最小横坐标xmin对曲线进行从左到右的排序，获得排序后的曲线集合a；

12、步骤2.2：基于步骤2.1的曲线排序结果对选择的曲线进行循环遍历：首先取出a[0]曲线，加入曲线集合b，并设置索引i＝1；

13、步骤2.3：判断索引i是否小于区域曲线数量n，若i<n，则执行步骤2.4；否则执行步骤2.11；

14、步骤2.4：取出a[i]曲线作为当前ci，将其加入曲线集合b；并设置索引j＝i+1；

15、步骤2.5：判断索引j是否小于区域曲线数量n，若j<n，则执行步骤2.6；否则设置索引i加1，并返回执行步骤2.3；

16、步骤2.6：判断曲线a[j]是否被曲线ci包围，若是则执行步骤2.7；否则设置索引j加1，并返回执行步骤步骤2.5；

17、步骤2.7：取出a[j]曲线作为当前ci，将其加入新曲线子集a*；从集合a中删掉曲线a[j]；并设置索引j减1，k＝j+1；

18、步骤2.8：判断索引k是否小于区域曲线数量n，若k<n，则执行步骤2.9；否则设置索引j加1，并返回执行步骤2.5；此外，若k不小于n，则对新曲线子集a*对应的多重包围复连通区域再执行步骤2.2至2.11的流程；

19、步骤2.9：判断曲线a[k]是否被曲线cj包围，若是则执行步骤2.10；否则设置索引k加1，并返回执行步骤步骤2.8；

20、步骤2.10：取出a[k]曲线加入新曲线子集a*；从集合a中删掉曲线a[k]，并返回执行步骤2.8；

21、步骤2.11：获得曲线集合b对应的一个无多重包围复连通区域，可基于该区域实施后续的轨迹生成流程。

22、可选的，步骤3的执行过程，包括下列步骤：

23、步骤3.1：对无多重包围的复连通区域的最外环轮廓曲线构建轴对齐包围盒bbox；

24、步骤3.2：根据所需轨迹行距ds从包围盒bbox底部的ymin坐标开始，向上构建一系列平行于x轴的直线li；每条li的yi坐标为：

25、

26、其中，yn为所需轨迹行数，ymax为包围盒bbox的最大y坐标；

27、步骤3.3：求解构建的平行直线li与当前无多重包围复连通区域的所有轮廓曲线之间的交点，并存储每行直线对应的交点信息，为后续将交点连接成轨迹线做好准备。

28、可选的，所述扫描线加工轨迹是指几何形式为往复式平行直线的一种加工轨迹，其相邻两条直线轨迹之间的进给方向是相反的；且前一条直线轨迹的末尾点与后一条直线轨迹的起始点通过桥接轨迹曲线相连，使得加工运动能沿着轨迹曲线尽量连续地从头走到尾，进而满足高效率的加工需求；

29、所述桥接轨迹曲线是指连接相邻俩直线轨迹首尾点的轨迹曲线，构造方式为：沿着待连接的俩轨迹首尾点共同所在的轮廓曲线的参数增大方向，从前一条轨迹的末尾点至后一条轨迹的起始点包含的曲线部分裁剪得来。

30、可选的，所述奇偶特性具有以下特征：

31、在一个无多重包围的复连通区域内生成扫描线轨迹时，轨迹的行序号奇偶性与轨迹进给方向要相对应：奇/偶数行的轨迹进给方向均一致，且与偶/奇数行的轨迹进给方向相反；

32、相邻两行直线轨迹桥接相连时，前一条直线轨迹末尾点的序号奇偶性与后一条直线轨迹起始点的序号奇偶性要相同；

33、在构造一行直线轨迹时，若以序号为偶数的交点为起始点，则向x轴正向连接下一个交点以构造直线轨迹；而若以序号为奇数的交点为起始点，则向x轴负向连接上一个交点以构造直线轨迹。

34、可选的，步骤4中的基础连接循环的过程包括下列步骤：

35、步骤4.1：导入无多重包围的复连通区域曲线集合b、存储的每行直线交点信息，以及所需轨迹行数yn；

36、步骤4.2：从下往上开始遍历连接对应交点以构造轨迹线，首先设置行数索引yi＝0；

37、步骤4.3：判断索引yi是否小于所需轨迹行数yn，若yi<yn，则执行步骤4.4；否则执行步骤4.5；

38、步骤4.4：取出yi行前俩交点pi0与pi1；

39、步骤4.5：判断索引yi是否等于0，若是则执行步骤4.6；否则执行步骤4.7；

40、步骤4.6：第一行，即yi＝＝0为偶数行，连接交点p00p01构造直线，并将其加入轨迹线集合lpath；取点p01为当前轨迹末尾点plast；设置索引yi加1，并返回执行步骤4.3；

41、步骤4.7：判断索引yi是否为偶数行，若是则执行步骤4.8；否则执行步骤4.9；

42、步骤4.8：取点pi0为当前轨迹起始点pistart，执行步骤4.10；

43、步骤4.9：取点pi1为当前轨迹起始点pistart，执行步骤4.11；

44、步骤4.10：判断交点pistart与plast是否能成功桥接，若是则执行步骤4.11；否则执行步骤4.18；

45、步骤4.11：沿着对应轮廓曲线连接交点plast与pistart构造桥接曲线，将其加入轨迹线集合lpath；

46、步骤4.12：判断索引yi是否为偶数行，若是则执行步骤4.13；否则执行步骤4.14；

47、步骤4.13：连接交点pi0pi1构造直线，并将其加入轨迹线集合lpath；取点pi1为plast；设置索引yi加1，并返回执行步骤4.3；

48、步骤4.14：连接交点pi1pi0构造直线，并将其加入轨迹线集合lpath；取点pi0为plast；设置索引yi加1，并返回执行步骤4.3；

49、步骤4.15：从yi＝0开始逐行遍历对应直线每个交点pij；

50、步骤4.16：判断交点pij是否被连接成直线加入过轨迹线集合lpath，若是则返回执行步骤4.15；否则执行步骤4.17；

51、步骤4.17：基于交点pij与yi行直线相关信息，进入进阶连接循环子流程；进阶连接循环子流程执行结束则返回基础连接循环主流程，并继续执行步骤4.15的逐行遍历循环；

52、步骤4.18：基于交点plast与yi行直线相关信息，进入搜寻潜在连接点子流程；搜寻潜在连接点子流程执行结束则返回基础连接循环主流程，并执行步骤4.15。

53、可选的，步骤5中搜寻潜在连接点流程包括下列步骤：

54、步骤5.1：导入交点plast与yi行直线相关信息；

55、步骤5.2：判断索引yi是否为偶数行，若是则执行步骤5.3；否则执行步骤5.4；

56、步骤5.3：取出yi行除前俩交点以外的，序号为偶数的交点子集i；交点按照x坐标从小到大排序，执行步骤5.5；

57、步骤5.4：取出yi行除前俩交点以外的，序号为奇数的交点子集i；交点按照x坐标从大到小排序，执行步骤5.5；

58、步骤5.5：判断交点子集i中是否存在能与交点plast桥接的交点pij，若是则执行步骤5.6；否则执行步骤5.7；

59、步骤5.6：沿着对应轮廓曲线连接交点plast与pij构造桥接曲线，将其加入轨迹线集合lpath；并且基于交点pij与yi行直线相关信息，进入进阶连接循环子流程；

60、步骤5.7：搜寻潜在连接点子流程结束，返回基础连接循环主流程。

61、可选的，步骤6中的进阶连接循环过程包括下列步骤：

62、步骤6.1：导入每行直线所有交点信息，以及开始进阶连接循环的交点pij与yi行直线信息；

63、步骤6.2：判断交点pij序号是否为偶数，若是则执行步骤6.3；否则执行步骤6.4；

64、步骤6.3：连接下一交点构造直线pijpij+1加入轨迹线集合lpath；取pij+1为plast，执行步骤6.5；

65、步骤6.4：连接上一交点构造直线pijpij-1加入轨迹线集合lpath；取pij-1为plast，执行步骤6.5；

66、步骤6.5：行数索引yi加1；

67、步骤6.6：判断索引yi是否小于所需轨迹行数yn，若yi<yn，则执行步骤6.7；否则执行步骤6.12；

68、步骤6.7：判断交点plast序号是否为偶数，若是则执行步骤6.8；否则执行步骤6.9；

69、步骤6.8：取出yi行序号为偶数的交点子集i；交点按照x坐标从小到大排序；执行步骤6.10；

70、步骤6.9：取出yi行序号为奇数的交点子集i；交点按照x坐标从大到小排序；执行步骤6.10；

71、步骤6.10：判断交点子集i中是否存在能与交点plast桥接的交点pij，若是则执行步骤6.11；否则执行步骤6.12；

72、步骤6.11：沿着对应轮廓曲线连接交点plast与pij构造桥接曲线，将其加入轨迹线集合lpath；并返回执行步骤6.2；

73、步骤6.12：进阶连接循环子流程结束，返回基础连接循环主流程。

74、可选的，步骤4、步骤5和步骤6中判断是否能成功桥接的规则如下：

75、需要连接的俩交点pij与plast的序号奇偶性是相同的，符合所述奇偶特性要求；

76、需要连接的俩交点pij与plast所在的轮廓曲线要一致；

77、交点pij尚未被用于轨迹线的连接；

78、若同时满足以上3点规则，则表示能够成功桥接相邻俩直线轨迹的首尾点。

79、本发明提供了一种利用奇偶特性的复杂区域扫描线加工轨迹生成方法，首先将选择的多条轮廓曲线对应的复杂区域分解为多个无多重包围的复连通区域；针对每个分解的复连通区域，根据所需轨迹行距构建平行直线并求解与区域轮廓曲线之间的交点；然后基于求得的交点与奇偶特性，分别执行基础连接循环、搜寻潜在连接点流程以及进阶连接循环3种流程，最终将所有交点连接成轨迹曲线。本发明适用于针对平面或自由曲面的复杂区域高效率加工问题，生成的扫描线轨迹能保证较少的跳刀空切行程，且扫描线轨迹的进给方向具有一致性进而能获得更好的加工表面光洁度。此外，本发明的实现原理简洁明了，较容易通过计算机编程实施；并且可一次性选择所有待加工区域的多条轮廓曲线以自动生成覆盖有效加工区域的所有轨迹，进而可降低加工轨迹编程人员的操作难度。

技术特征：

1.一种利用奇偶特性的复杂区域扫描线加工轨迹生成方法，其特征在于，包括下列步骤：

2.如权利要求1所述的利用奇偶特性的复杂区域扫描线加工轨迹生成方法，其特征在于，

3.如权利要求2所述的利用奇偶特性的复杂区域扫描线加工轨迹生成方法，其特征在于，

4.如权利要求3所述的利用奇偶特性的复杂区域扫描线加工轨迹生成方法，其特征在于，

5.如权利要求4所述的利用奇偶特性的复杂区域扫描线加工轨迹生成方法，其特征在于，

6.如权利要求5所述的利用奇偶特性的复杂区域扫描线加工轨迹生成方法，其特征在于，

7.如权利要求6所述的利用奇偶特性的复杂区域扫描线加工轨迹生成方法，其特征在于，

8.如权利要求7所述的利用奇偶特性的复杂区域扫描线加工轨迹生成方法，其特征在于，

9.如权利要求8所述的利用奇偶特性的复杂区域扫描线加工轨迹生成方法，其特征在于，

10.如权利要求9所述的利用奇偶特性的复杂区域扫描线加工轨迹生成方法，其特征在于，

技术总结
本发明涉及机械加工技术领域，具体涉及一种利用奇偶特性的复杂区域扫描线加工轨迹生成方法，首先将选择的多条轮廓曲线对应的复杂区域分解为多个无多重包围的复连通区域；针对每个分解的复连通区域，根据所需轨迹行距构建平行直线并求解与区域轮廓曲线之间的交点；然后基于求得的交点与奇偶特性，分别执行基础连接循环、搜寻潜在连接点流程以及进阶连接循环3种流程，最终将所有交点连接成轨迹曲线。本发明生成的扫描线轨迹能保证较少的跳刀空切行程，且扫描线轨迹的进给方向具有一致性进而能获得更好的加工表面光洁度。并且可一次性选择所有待加工区域的多条轮廓曲线以自动生成覆盖有效加工区域的所有轨迹，进而可降低操作难度。

技术研发人员：许晨旸,朱磊,刘邦正,母欣
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23