一种基于八叉树结构的激光加工曲面快速分层方法

本发明属于曲面激光减材加工，更具体地，涉及到一种适用于激光减材加工路径生成的基于八叉树结构的激光加工曲面快速分层方法。

背景技术：

1、激光减材加工技术是利用激光的光热效应实现材料去除的一种加工技术。激光照射到材料表面，使得材料表面在短时间内急速升温融化或者气化，从而实现对于材料的切割，打标等处理。但由于激光本身的光热特性会在材料加工过程中产生热影响区，造成工件表面的热损伤。为了减少激光加工过程中的热损伤，提高加工精度，近年来发展出一种超短脉冲激光技术，如飞秒激光。飞秒激光是一种极短脉冲的激光，其脉冲宽度通常在百万亿分之一秒级别。脉宽极短，峰值功率极高，焦点半径极小，这种特殊的激光特性使得热损伤影响显著降低，加工线宽显著减小。特别是在需要高精度和微观结构的加工应用中，飞秒激光具有很大优势。

2、目前，在减材加工中广泛使用的数据文件格式是stl模型文件，它是由一系列小的三角面片拟合而成。由于超短脉冲激光加工线宽相较于三角面片的尺寸小得多，使得直接在stl模型上进行路径规划成为可能。又由于激光加工设备不能直接在stl曲面上生成路径，所以需要预先在stl模型上进行分层，将其转换为若干平面或者曲面片，便于后续路径的生成。

3、平面分层是直接将stl模型切成若干平面片，优点是分层方法简单，计算速度快，但是由于未考虑模型本身曲率变化，在模型表面曲率变化较大的地方，相邻切片之间会产生类似台阶状的堆叠，严重影响加工精度。

4、曲面分层可以减轻甚至消除阶梯效应，在加工某些复杂的几何形状时优势明显。但是曲面分层计算量大，分层效率低，原因主要有两点：一是stl三角面片之间缺乏拓扑信息，遍历搜索速度慢；二是stl模型由于自身面片数可达几千甚至上万，在计算曲面分层是存在大量的三角面片两两之间求交判断，计算复杂度高。

5、基于上述原因分析，stl模型的整个求交分为初步检测和精确求交两个过程。第一步为初步检测，通过建立三角面片层次包围盒，剔除不相交区域，减少位置判断次数；第二步为精确求交，虽然初步检测在一定程度上剔除了不相交区域，但是仍需在相交区域进行遍历求交计算，因此在处理时间上还是存在可提升空间。

6、寿华好和周超结合aabb层次包围法和平均单元格法，提出一种混合求交方法，利用层次包围盒法，剔除大部分不相交的三角形，再基于单元格法快速求交，该方法更适用于大模型场景下。宋城虎等利用aabb层次包围盒与哈希表结合的方法达到快速求交的效果，层次包围盒的剔除作用与哈希表的快速查找能力，两者结合，在很大程度上提高了检测速度。palmer利用球形包围盒对模型进行碰撞检测，通过构建全局包围盒、创建八叉树球形层次包围盒和具体相交判断三步实现快速检测，球形包围盒在构建上更加简单，但也存在空隙的问题。

7、现有的stl曲面分层快速求交技术中，存在以下缺点：第一，球形包围盒存在空隙；第二，尽管层次包围盒法进行了子包围盒的遍历处理，但在三角面片的相交求解和轮廓顺序处理上仍有不足。采用平均单元格法时需要在空间中创建网格或单元格结构，以将模型分割为较小的部分，对于高分辨率的网格，这可能会导致显著的内存消耗；采用哈希表法时，对于数据不均匀的网格，会产生哈希冲突，多个键被哈希函数映射到相同的哈希表位置的情况，这会产生额外的时间开销，导致算法性能下降。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出一种基于八叉树结构的激光加工曲面快速分层方法，该方法能够实现激光加工曲面快速分层。

2、实现本发明的技术方案如下：

3、一种基于八叉树结构的激光加工曲面快速分层方法，具体过程为：

4、针对stl模型，获取分层曲面；基于八叉树结构，针对所述分层曲面构建stl模型的层次包围盒；

5、针对构建的层次包围盒，利用邻接关系求解边界相交线；在完成模型相交线求解后，对被截断的三角形进行重构，实现激光加工曲面快速分层。

6、进一步地，本发明所述基于八叉树结构，针对所述分层曲面构建stl模型的层次包围盒，具体过程为：

7、采用自顶向下的方式，基于所述分层曲面中的三角面片的三个顶点坐标，获得每个三角面片的小包围盒boxi，判断boxi的范围是否与八叉树节点的包围盒值存在重叠，如果存在，将该三角面片存储在该节点的包围盒中。

8、进一步地，本发明所述判断boxi的范围是否与八叉树节点的包围盒值存在重叠的判断原则为：

9、首先判断包围盒与三角面片是否存在重叠，当存在时，将该三角面片存储在该节点的包围盒中，当不存在时，进一步判断八叉树包围盒各顶点在三角面片法线上的投影是否在异侧，若在异侧，则将该三角面片存储在该节点的包围盒中。

10、进一步地，本发明所述判断八叉树包围盒各顶点在三角面片法线上的投影是否在异侧的过程为：

11、首先，获取八叉树包围盒各顶点在三角面片法向矢量

12、其次，任选三角面片上一点p(x,y,z)，与立方体各顶点vj(xv,yv,zv)构建向量

13、

14、再次，计算向量在的投影lj，若投影lj为负，则判定不存在重叠，若投影lj为正，则判定存在重叠。

15、进一步地，本发明所述采用顶点移动法，获取分层曲面，具体过程为：

16、当顶点周围的面片数小于等于3时，对stl模型过顶点周围面片法线加权，进而计算出移动方向矢量；

17、当顶点周围的面片数大于3时，则采用分组计算并取方向平均的方式，计算出移动方向矢量。

18、进一步地，本发明所述采用分组计算并取方向平均的方式，计算出移动方向矢量的具体过程为：

19、ⅰ：获取在顶点pi,original周围面片集合fn；

20、ⅱ：从集合fn中一次取出3个面片(fo,fp,fq)，利用二项式定理cn3，遍历所有可能的结果，并计算出其偏移向量

21、ⅲ：通过下式计算的平均值作为原顶点pi,original的偏移法向量

22、

23、进一步地，本发明所述针对构建的层次包围盒，利用邻接关系求解边界相交线，具体过程为：

24、(一)确定相交线的方向，当交线方向为顺时针时，则更换交线的起始点；利用邻接关系进行三角面片的快速寻找，计算出边界相交线；

25、(二)边界重构：在完成模型相交线求解后，采用多边形三角剖分法对被截断的三角形进行重构。

26、进一步地，本发明所述确定相交线的方向为：

27、设三角面片f的法线nf和曲面移动方向np；

28、基于面片交线的端点v1和v2，初步构建交线的方向向量nv；

29、计算所述法线nf和曲面移动方向np的叉积向量nt，当所述叉积向量nt与所述方向向量nv同向时，判定交线的方向为逆时针，否则判定交线的方向为顺时针。

30、进一步地，本发明采用采用多边形三角剖分法或delaunay三角剖分法对被截断的三角形进行重构。

31、进一步地，本发明所述采用三角剖分法对被截断的三角形进行重构的具体过程为：

32、首先，通过逆时针排序生成有序的边界点序列，并将其转换至xoy平面；

33、其次，计算每个顶点的内角，优先剖分内角大于180°的顶点，生成新的三角形，同时剔除相关顶点，若无内角大于180°，则处理多边形的最小内角，不断重复此过程直至多边形被完全剖分为三角形；

34、最后，通过逆变换将结果映射回原空间，实现边界的三角剖分重构。

35、有益效果：

36、本发明通过基于八叉树方法剔除不相交区域，减少位置判断次数，并且比球包围盒方法更加紧密；同时快速确定相交面片，显著提高求交效率；为后续路径生成建立基础。