專利名稱：基于離散數據點直接快速原型制造方法
技術領域：
本發明涉及一種原型制造方法，具體是一種基于離散數據點直接快速原型制造方法。用于工業產品仿制和改進領域。
背景知識針對反求工程與快速原型制造技術集成問題，近幾年以來國內外分別提出了許多與基于離散數據點的快速原型制造相關的算法，包括離散數據預處理算法、三維建模算法以及三角剖分算法等。
經對現有技術文獻的檢索發現，Lee Kwan H等人在《computer and industrialengineering》2000，38(1)，P21-38上發表的“Direct integration of reverseengineering and rapid prototyping”(“反求工程與快速原型制造的直接集成”，《計算機與工業工程》)，該文針對反求工程與快速原型制造技術集成問題對離散數據點直接生成快速原型制造方法進行了較為詳細的介紹，并開發了一種基于離散數據點直接層片文件生成方法。盡管該法的可行性和有效已經得到驗證，然而，由于離散數據點曲面法矢和曲率計算的復雜性，使得文獻所介紹的方法無法運用“區域性”的加工策略，從而降低了成型制造效率。“區域性”加工策略是基于CAD模型的快速原型制造方法中較為成熟的技術，其有效性已經得到廣泛的論證和實驗驗證。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，將“區域性”的加工策略引入到基于離散數據點直接快速原型制造技術，提供一種基于離散數據點直接快速原型制造方法，使其采取“自適應”性的加工策略將反求工程與快速原型制造技術進行直接集成，從而提高快速成型制造效率，以縮短產品開發周期、提高市場競爭力。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明基于B樣條(B-spline)曲面的性質，結合快速成型制造技術的特點，全面利用離散數據測量點的幾何信息，具體包括離散數據預處理和基于離散數據點直接層片文件生成兩個基本步驟1、測量數據預處理利用B樣條曲面的特性對離散數據進行預處理。在成型曲面測量數據的獲取過程中，由于實際測量受到各種人為因素影響，使得測量結果包含“噪音點”以及存在大量的冗余數據。為了制造滿足精度要求的產品，對所測量的三維離散數據點進行預處理是基于離散數據點直接快速原型制造技術中的一個關鍵環節。對離散數據的預處理一般包括數據平滑、數據精簡、數據區域分割、特征點提取和排序。
現有的離散數據平滑、分割及特征點提取算法的共同點是基于離散數據點曲率以及曲率微分進行計算，即離散數據點曲率及其微分的計算是上述算法的精髓。然而，離散數據點曲率及其微分的計算是計算機輔助幾何設計中的難點和重點，盡管針對離散數據曲率計算的算法很多，但離散數據曲率的獲取仍然是一個計算精度低、計算量大的技術難點。為了克服離散數據曲率及微分計算問題，從而更有效地進行離散數據的平滑、分割和特征點的提取，本發明基于B樣條曲面的性質a)局部性B-spline基函數可知，當移動一個控制頂點時，只對其中的一段曲線有影響，并不對整條B-spline曲線(曲面)產生影響。
b)包凸性B-spline曲線(曲面)必處在控制多邊形所形成的凸包內。凸包性是B-spline曲線(曲面)的重要性質，而且這個有趣的性質可以對基于離散數據點處理方法有重要的指導作用。
c)相似性以選取的離散數據點為控制頂點構造的B樣條曲面與以所有離散點為基礎的擬合曲面存在強相似性。
對傳統的離散數據平滑、分割和特征點提取方法進行改進，使其能夠在計算量減少的情況下獲得較好的離散數據預處理效果。
由于現有的離散數據預處理的缺陷是基于離散數據點進行B-spline曲線插值所固有的，因此，為了克服這種內在的缺陷，本發明徹底地拋棄傳統的觀點，而大膽地開辟新思路給定一系列離散數據點，本發明利用所測量的離散數據點為控制頂點來構造B-spline曲線，從而利用所構造的曲線對離散數據點進行數據平滑、數據精簡、數據區域分割和特征點提取。由于插值B-spline曲線是一個“反求”過程，需要結合邊界條件進行龐大矩陣的求解，因此，計算量較大；而利用離散數據點為控制頂點進行B-spline曲線的構造是一個“正求”過程，無須進行方程的求解，因此，所需的計算量較少，這是此發明的優點之一。
2、基于離散數據點直接層片文件生成本發明依照被加工實體表面形狀的復雜度(曲面曲率)來實施成型措施針對實體表面曲率變化較大的區域，在實施快速原型制造時采用較薄層片進行累積成型；相反，針對實體表面曲率變化較小的區域，采用較厚的層片進行累積，以提高成型效率。
“自適應”性成型制造策略，在基于CAD模型的快速成型制造過程中，大大提高了成型效率。鑒于此，本發明將“自適應”性成型制造策略應用于基于離散數據點直接快速原型制造技術中，以提高成型效率。由于“區域性”成型策略是以計算被成型曲面的曲率為前提的，因此，將“區域性”成型方法應用于基于離散數據點直接快速原型制造所面臨的首要問題是如何計算曲面的曲率。為了解決上述問題，本發明開發了一種基于離散數據點的“自適應”性直接制造方法。
本發明是一種新興的快速原型制造技術數據處理方法，利用反求工程和快速原型制造直接集成思想，有利于縮短產品的開發周期，也是未來普遍采用的反求工程與快速原型集成方法之一。本發明對傳統的離散數據→快速原型制造切片文件算法進行改進，利用B樣條曲面的性質，以選取的離散數據點為控制頂點構造B樣條曲面以計算離散點幾何信息，使人們可以獲得曲率、法方向以及幾何形狀等信息，進而對離散數據進行預處理，并實施“自適應”性成型制造策略來提高快速成型加工效率。針對不同的被成型實體，本發明較現有的技術提高成型效率5-10％，可用于各種基于黏土或泡沫模型的制造業、模具制造業以及在醫學上用于人工器官定制等。
圖1本發明方法流程2本發明實施例相機模型成型結果圖具體實施方式
快速原型制造系統綜合了機械工程、CAD、數控技術、激光技術以及材料科學技術，可以自動、直接、快速、準確地將設計思想物化為具有一定功能的原型或直接制造零件，從而可以對產品設計進行快速評價、修改以及功能試驗，有效地縮短了產品的開發周期。
為了更好的理解本發明所涉及的基于離散數據點直接快速原型制造技術方案，以下結合附圖及具體的實施方法作進一步描述。
本發明方法的流程以及本發明對現有基于離散數據點快速原型制造方法的改進見圖1。從圖中可以看出，本發明的技術方案避免了基于離散數據點的曲面重建過程，由于此過程恰恰是基于離散數據快速原型制造過程的難點和計算時間消耗所在，因此本發明是一種反求工程和快速原型制造直接集成思想，它有利于縮短產品的開發周期，是一種新興的快速原型制造技術數據處理方法。
實施例1、測量數據預處理本發明的技術方案以選取的離散數據點為控制頂點構造的B樣條曲線、曲面，并直接利用這些構造的曲線、曲面進行數據平滑和特征提取。
根據實物外形的數字化信息以及測量規劃方法的差異，測量所得離散數據點分為有序點和無序點。如果這些離散數據點是利用一些特定設備所測量的，即這些離散數據點存有內在的連續性和一定的排列順序Pi，j。針對這類離散數據點，各行或列的離散數據點(例如第二行Pi，2)可直接被利用作為控制頂點，其處理過程較簡單。然而，大多數情況下，面對的是毫無內在順序的離散數據點，針對這類數據點，本發明采取的處理步驟如下a)對離散數據點進行切片按照所測量實體表面形狀尋求一個切片方向，例如沿z或x軸方向；給定一個切片間距δ(δ上是根據具體的被測物體形狀所給定的兩層切平面間的距離)，沿切片方向將所有離散數據點進行層片劃分，形成切片數據(此類數據與醫學上常用的CT數據類型相似)。
b)離散數據點排序將每兩層(例如j和j+1)切片間的所有離散數據按照某一坐標(例如切片方向為z軸方向，排序可以按照x軸坐標方向)進行“字典”方式排序為Pi。
控制頂點選取完畢后，則利用它們進行B樣條曲線、曲面構造。然后利用構造B樣條曲線、曲面將控制頂點(選取的離散數據點)進行參數化以求得其位于構造B樣條曲線、曲面的對應點，并計算這些對應點的幾何信息，最終對離散數據進行預處理以及為后續基于離散數據點“自適用”性直接快速原型制造提供幾何依據。圖2所示相機模型的尺寸為135mm×55mm×80mm.，測量得到的離散數據點被劃分為8個子四邊區域，針對每塊子區域采用雙3次B樣條曲面進行構造。
2、基于離散數據點直接層片文件生成本發明采取的快速成型技術方案采用混合成型誤差策略。為了確保成型精度，在切片計算時，本發明按照下列方式進行成型方案的確定當曲面在點P′的曲率κ＞0，且點P′在曲率圓的上半部時，本發明采用“自下而上”的切片方式。
當曲面在點P′的曲率κ＜0，且點P′在曲率圓的下半部時，本發明采用“自上而下”的切片方式。
確定切片方式以后，則可以根據不同的曲面形狀，計算累積圓柱片厚度d′，并從中確定最小圓柱片厚度作為此區域的圓柱片厚度d′minMinimized′(u，v)邊界條件為(u.v)∈構造B樣條曲面，且z(u，v)＝c為常數。
在實際切片計算時，若同一切片與多個曲面片相交，必須對每一曲面片確定的最小切片厚度進行比較，從中選取最小的切片厚度，作為最終切片厚度以進行累積成型。為了驗證基于構造曲面作為“基曲面”進行快速成型制造算法的有效性，本實例將該算法與基于離散數據點CAD模型(以雙3次B樣條曲面對離散數據點進行擬合所得的CAD模型)進行快速成型制造算法進行了比較，其結果如表1。
表1(相機)
權利要求
1.一種基于離散數據點直接快速原型制造方法，其特征在于，基于B樣條曲面的性質，結合快速成型制造技術的特點，全面利用離散數據測量點的幾何信息，具體包括離散數據預處理和基于離散數據點直接層片文件生成兩個步驟1)離散數據預處理給定一系列離散數據點，基于B-spline曲線、曲面的性質，對離散數據點進行數據平滑、數據精簡、數據區域分割、特征點提取和排序，利用選取的離散數據點為控制頂點進行B-spline曲線、曲面的構造，是一個“正求”過程，省略方程的求解；2)基于離散數據點直接層片文件生成依照被加工實體表面形狀的復雜度來實施成型措施針對實體表面曲率變化較大的區域，在實施快速原型制造時采用較薄層片進行累積成型，相反，針對實體表面曲率變化較小的區域，采用較厚的層片進行累積。
2.根據權利要求1所述的基于離散數據點直接快速原型制造方法，其特征是，基于B樣條曲面的特性，是指a)局部性根據B-spline基函數，當移動一個控制頂點時，只對其中的一段曲線有影響；b)包凸性B-spline曲線、曲面必處在控制多邊形所形成的凸包內；c)相似性以選取的離散數據點為控制頂點構造的B樣條曲面與以所有離散點為基礎的擬合曲面存在強相似性。
3.根據權利要求1所述的基于離散數據點直接快速原型制造方法，其特征是，當離散數據點毫無內在順序時，處理步驟如下a)對離散數據點進行切片按照所測量實體表面形狀尋求一個切片方向，給定一個切片間距δ，δ上是根據具體的被測物體形狀所給定的兩層切平面間的距離，沿切片方向將所有離散數據點進行層片劃分，形成切片數據；b)離散數據點排序將每兩層切片間的所有離散數據按照某一坐標進行“字典”方式排序為Pi。
4.根據權利要求3所述的基于離散數據點直接快速原型制造方法，其特征是，在切片計算時，當曲面在點P′的曲率κ＞0，且點P′在曲率圓的上半部時，采用“自下而上”的切片方式；當曲面在點P′的曲率κ＜0，且點P′在曲率圓的下半部時，采用“自上而下”的切片方式。
全文摘要
一種工業產品仿制和改進領域的基于離散數據點直接快速原型制造方法，具體包括兩個步驟1)離散數據預處理給定一系列離散數據點，基于B－spline曲線、曲面的性質，對離散數據點進行數據平滑、數據精簡、數據區域分割、特征點提取和排序，利用選取的離散數據點為控制頂點進行B－spline曲線、曲面的構造，是一個“正求”過程，省略方程的求解；2)基于離散數據點直接層片文件生成依照被加工實體表面形狀的復雜度來實施成型措施針對實體表面曲率變化較大的區域，在實施快速原型制造時采用較薄層片進行累積成型，相反，針對實體表面曲率變化較小的區域，采用較厚的層片進行累積。本發明提高快速成型制造效率，以縮短產品開發周期、提高市場競爭力。
文檔編號G06F17/50GK1601563SQ20041006732
公開日2005年3月30日 申請日期2004年10月21日 優先權日2004年10月21日
發明者蔣丹, 尹忠慰, 蔣壽偉 申請人:上海交通大學