基于STL三角片顶点等距偏置的渐进成形支撑体生成法

摘要

本发明公开了一种基于STL三角片顶点等距偏置的渐进成形支撑体生成法，采用零件外表面STL模型生成支撑体模型曲面的方法，利用STL文件中各三角面片顶点沿Z轴负方向等距偏置一个原始板材厚度，为渐进成形加工快速自动生成合理的支撑体曲面提供依据。本发明所达到的有益效果：根据零件厚度变化得到合理的支撑体曲面模型，有效保证零件的加工质量；本发明保证了工具头与支撑体在不同成形角位置的合理间隙；只需要读取生成的STL文件并将所有Z坐标进行等距偏置，操作简便，便于使用；合理支撑体曲面设计可以提高渐进成形零件加工质量，有助于渐进成形技术的推广使用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钣金件渐进成形正成形加工所需支撑体模型的自动生成方 法，具体涉及一种基于STL三角片顶点等距偏置的渐进成形支撑体生成法。

背景技术

板料渐进成形是上世纪60年代由美国的Leszak提出的一种无模柔性成形 技术，90年代由日本的松原茂夫等对该技术进行了进一步研究，逐渐引起了各 国学者的重视。渐进成形技术是一种基于计算机技术、数控技术和塑性成形技 术基础之上的先进制造技术，它采用快速原型制造技术“分层制造”的思想， 将三维模型离散成为系列二维轮廓形状，通过局部塑性成形积累而获得零件整 体形状的一种柔性无模成形技术,具有高柔性、低成本、高效率等特点，所需的 成形力小，设备能耗低、振动小、噪声低，属于绿色加工，同时可以大幅度提 高板材的成形极限，是近年来发展迅速的一种板材成形技术。

渐进成形中金属材料的整体流动不明显，料厚变化遵循余弦定理减薄原则， 即t＝t₀*cosθ(成形角θ是加工位置法矢与Z轴的夹角)，这样当加工件表面为曲 面时，成形角不同的部位其厚度也不相同。如图1所示，在正成形加工时，假 设工具头与支撑体之间的间隙为Δ，加工件的壁厚为Δs，则当Δ＜Δs时，工具头 和支撑体将会对板料产生强烈挤压，导致板料过度减薄，多余的材料被从工具 头四周挤出，堆积到成形工具的前方，在工件表面产生严重划痕；当Δ＞Δs时， 板料与支撑体无法贴合，零件容易发生脱模晃动及失稳从而引起局部起皱；只 有当Δ＝Δs时，板料与支撑体紧密贴合，毛坯外周才可能不发生挤压现象，因此 合理确定间隙Δ将成为提高加工件表面质量的关键。

关于渐进成形中支撑体曲面轮廓尺寸的确定，朱虎等学者提出了一种通过对 零件STL模型进行不等距偏置的算法，具体过程是首先把与顶点相连的各三角 面片的法向量和偏置距离根据其差异程度的不同进行分组；然后在各分组内采 用加权计算法计算出顶点的偏置向量和偏置距离，并把顶点向各分组偏置方向 偏置；最后用三角网格填充由顶点的多方向偏置产生的间隙，该算法虽然有一 定的创新，但是首先对三角片分组存在很大不确定性，另外各组内采用加权算 法获得顶点偏置向量，加权值的大小不好确定；最后由于顶点进行了多方向偏 置，在后期用三角网格填充由于偏置而产生的间隙时会改变三角网格顶点的拓 扑关系，在曲面拟合中存在很大的不确定性，作者自己的实验也证明了按照这 种算法得到的支撑体间隙在实际值与理论值之间存在较大的误差；同时该算法 比较复杂，在实际应用操作中存在很大难度。

Hirt、周六如、毛锋等很多学者研究认为，渐进成形主要为剪切变形，加工 件厚度的变化遵循余弦规律δ＝δ₀cosθ(θ为成形角，即该位置的法向矢量与Z 轴夹角；δ₀为板材原始厚度)。如图2所示，原始板料的ABCD区域在工具头作 用下剪切变形为加工件的A₁B₁C₁D₁区域，虽然变形区的板材沿曲面法向矢量方 向厚度由δ₀变为δ，但根据剪切变形原理，变形区中各位置沿Z轴方向的厚度δ₀并没有发生变化，这样支撑体就可以看做是由零件模型的上表面沿Z轴负方向 偏置一个原始板厚δ₀获得。

STL文件格式是由3DSYSTEMS公司于1988年制定的一个接口协议，是 一种为快速原型制造技术服务的三维图形文件格式，现广泛应用于科学计算可 视化、动画、虚拟现实及快速成形等技术之中。STL文件是以三角形面片集合 表示物体外轮廓模型，每个三角形面片的定义包括顶点的三维坐标及三角形面 片的法矢量。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于STL三角片顶点等 距偏置的渐进成形支撑体生成法，采用零件外表面STL模型生成支撑体曲面模 型，利用STL文件中各三角面片顶点沿Z轴负方向等距偏置一个原始板材厚度， 为渐进成形加工快速自动生成合理的支撑体曲面提供依据。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于STL三角片顶点等距偏置的渐进成形支撑体生成法，其特征是， 包括如下步骤：

1)确定零件渐进成形主方向，使得各个位置成形角θ不超过板材的成形极限 角θ_max；

2)提取零件模型的上表面，生成相应的STL格式文件；

3)对STL文件进行冗余顶点数据、冗余边进行简化归并；

4)对STL模型数据的有效性和STL模型封闭性进行检查；

5)根据生成的STL文件，读取各个三角面片顶点坐标(x_i1,y_i1,z_i1)、(x_i2,y_i2,z_i2)、 (x_i3,y_i3,z_i3)，保持三角片顶点的x、y坐标值不变，z坐标值沿Z轴负方 向偏置一个原始板材厚度δ₀，偏置后的任意三角片顶点坐标为 (x_i1,y_i1,z_i1-δ₀)、(x_i2,y_i2,z_i2-δ₀)、(x_i3,y_i3,z_i3-δ₀)；

6)根据步骤5)偏置生成的STL文件拟合的曲面作为支撑体模型的上表面， 生成支撑体实体模型，加工出支撑体。

前述的基于STL三角片顶点等距偏置的渐进成形支撑体生成法，其特征是， 所述步骤2)中，STL格式文件在CAD平台以一定的三角公差、相邻公差精度 生成；选取的三角公差和相邻公差根据经验值选取。

前述的基于STL三角片顶点等距偏置的渐进成形支撑体生成法，其特征是， 所述步骤4)中，有效性检查内容包括模型是否存在裂隙、孤立边的几何缺陷； 封闭性检查的内容包括所有STL三角形是否围成一个内外封闭的几何体。

本发明所达到的有益效果：根据零件厚度变化得到合理的支撑体曲面模型， 有效保证零件的加工质量；本发明保证了工具头与支撑体在不同成形角位置的 合理间隙；只需要读取生成的STL文件并将所有Z坐标进行等距偏置，操作简 便，便于使用；合理支撑体曲面设计可以提高渐进成形零件加工质量，有助于 渐进成形技术的推广使用。

附图说明

图1是支撑体原理图；

图2是渐进成形厚度剪切变形原理图；

图3是三角片顶点偏置示意。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明 本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明涉及的一种基于STL三角片顶点等距偏置的渐进成形支撑体生成 法，包括如下步骤：

1)确定零件渐进成形主方向，使得各个位置成形角θ不超过板材的成形极限 角θ_max。

2)提取零件模型的上表面，生成相应的STL格式文件；STL格式文件在CAD 平台以一定的三角公差、相邻公差精度生成；选取的三角公差和相邻公差 根据经验值选取。

3)对STL文件进行冗余顶点数据、冗余边进行简化归并。

4)对STL模型数据的有效性和STL模型封闭性进行检查；有效性检查内容 包括模型是否存在裂隙、孤立边的几何缺陷；封闭性检查的内容包括所有 STL三角形是否围成一个内外封闭的几何体。

5)根据生成的STL文件，读取各个三角面片顶点坐标(x_i1,y_i1,z_i1)、(x_i2,y_i2,z_i2)、 (x_i3,y_i3,z_i3)，保持三角片顶点的x、y坐标值不变，z坐标值沿Z轴负方 向偏置一个原始板材厚度δ₀，偏置后的任意三角片顶点坐标为 (x_i1,y_i1,z_i1-δ₀)、(x_i2,y_i2,z_i2-δ₀)、(x_i3,y_i3,z_i3-δ₀)。在本步骤计算完毕后， 偏置后的各个三角片之间的拓扑关系依旧不变。

6)根据步骤5)偏置生成的STL文件拟合的曲面作为支撑体模型的上表面， 生成支撑体实体模型，加工出支撑体。

实施例如图3所示：设任意三角片的外法矢量为n_i，其在x、y、z三向分量 分别为n_ii、n_ij、n_ik，则按照右手螺旋法则，三角片顶点坐标与外法矢分量之 间存在如下关系：

$\left(\begin{array}{c}{n}_{ii}=(v_{1y}-v_{3y})(v_{2z}-v_{3z})-(v_{1z}-v_{3z})(v_{2y}-v_{3y})\\ n_{ij}=(v_{1z}-v_{3z})(v_{2x}-v_{3x})-(v_{2z}-v_{3z})(v_{1x}-v_{3x})\\ n_{ik}=(v_{1x}-v_{3x})(v_{2y}-v_{3y})-(v_{2x}-v_{3x})(v_{1y}-v_{3y})\end{array}\right)$

可以看出，当任意三角面片沿Z轴负方向等距偏置时，三角片顶点坐标中v_ix、 v_iy(i＝1，2，3)保持不变，只有v_iz(i＝1，2，3)统一变为(ν_iz-δ₀)，可以看出三角片 偏置后的法向矢量将维持不变，这样也可以看做是原三角片沿法向矢量方向做 了整体等距偏置，如果将三角片法向矢量与Z轴正向夹角看做是该位置的成形 角，则其沿三角片法向矢量方向偏置的距离为δ＝δ₀cosθ，刚好符合渐进成形厚 度余弦定理。这样就可以利用各个三角片顶点均沿Z轴的等距偏置，获得不同 成形角位置的厚度间隙。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变 形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。