激光刻蝕加工是現(xiàn)代機械加工領域中較為前沿的一種加工技術,尤其是在對零件表面的精密花紋刻蝕方面,激光刻蝕技術無論是加工效果還是效率都優(yōu)于其他傳統(tǒng)的加工技術。三維激光刻蝕的輸入信息主要包括三維模型信息以及刻蝕圖案信息。由于用于刻蝕的圖案信息一般被存儲于較小的貼圖紋理中,需要有一種算法能夠將大量的小型貼圖信息自動且規(guī)范的排布在三維模型的表面。其中每一個用于刻蝕的貼圖在三維模型上的位置即為模型的貼圖點位,如何根據(jù)指定的貼圖信息以及模型信息進行貼圖點位的生成是激光刻蝕加工的一個重要難題。傳統(tǒng)的研究主要分為三個方向:其一是工業(yè)加工中常用的先將加工結果刻蝕在二維柔薄表面,然后再吸附于加工零件表面上的方法。該方法由于對刻蝕材質的要求較高,在大多數(shù)情況下并不適用。其二是通過UVW展開算法將一個曲面模型分解成多個可展開的子曲面并將其分別展開到二維平面上。由于分解過程通常會對模型進行撕裂,這導致展開結果很難用于最終的點位生成。其三是將模型轉換為大規(guī)模的離散點云數(shù)據(jù)展開至二維平面。由于傳統(tǒng)的點云數(shù)據(jù)生成通常依靠對每個三角面進行隨機采樣獲得,最終的展開點云不具備三維空間的規(guī)范性,很難進行貼圖點位的生成。論文提出了一種新的基于點云的激光刻蝕加工中三維貼圖點位生成算法。該算法創(chuàng)新性地使用大規(guī)模的射線與三維模型表面進行模擬求交的方式來完成三維模型表面的離散點云化工作。借助這種方法所獲得的規(guī)范點云數(shù)據(jù),算法得以在展開后的二維點云紋理數(shù)據(jù)上使用快速的并行前綴和算法代替以往的離散求和算法來獲取曲面上任意兩點的表面距離并生成貼圖點位。此外,論文借助GPU的RT核心對射線與三維模型的求交運算進行了優(yōu)化,該方法在求交效率上要優(yōu)于以往的基于CUDA核心的GPU射線求交算法。同時,論文還通過基于GPU的CUDA核心的并行前綴和算法代替了傳統(tǒng)的CPU上的前綴和算法完成了三維模型表面距離計算的效率優(yōu)化。從實驗結果分析可以看到,論文所提出的算法在2-4秒內(nèi)即完成了10億點云細分下包含8-10萬三角面的不同類型曲面的貼圖點位生成工作,比傳統(tǒng)的CPU實現(xiàn)的效率提升了80-120倍,比傳統(tǒng)的GPU實現(xiàn)(僅依靠CUDA核心)的效率提升了3-4倍。而最終生成的點位數(shù)據(jù)每米的誤差小于0.02毫米,無論是局部誤差還是全局誤差都遠小于傳統(tǒng)的UV展開法以及傳統(tǒng)的基于三角面隨機采樣的點云法。因此,本文所提出的算法在效率和效果上相比于以往的算法都有了非常顯著的提升。
【學位單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TP391.41;TN249
【部分圖文】：

3.3 三維射線與零件表面結構的求交3.3.1 射線與三維網(wǎng)格求交概述圖3.8 射線與三角網(wǎng)格的求交從 3.2 的算法描述可以看到，無論是對于凸曲面還是非凸曲面，整個模型的點云化過程中都有一個非常重要的步驟，即射線與三維網(wǎng)格面的求交運算。由于對于高精

第三章 三維激光刻蝕的貼圖點位生成算法設計29圖3.11 三維數(shù)據(jù)的點云化式(3-14)給出了將原始的三維點云坐標歸一化到[0,1]區(qū)間的方法，其中 和 代表整個三維網(wǎng)格的 AABB 包圍盒的最大最小坐標。通過歸一化參數(shù)，可以很方便的將點云數(shù)據(jù)寫入存儲紋理，而上述公式的逆操作則可以實現(xiàn)點云坐標由[0,1]區(qū)間轉換到真實的三維坐標。 ′= (3-14)3.4.2 通過點云數(shù)據(jù)計算三維模型的表面距離由于所有的二維加工紋理最終需要被排布到三維網(wǎng)格模型上，三維曲面和二維平面的映射過程中需要保證不因曲面曲率過大的問題導致映射結果失真。為了達到這個效果，需要計算出三維模型的表面距離分布。通過對原始模型的點云化處理，原始的三維曲面被展開成二維平面上的點云數(shù)據(jù)集合，而三維曲面的表面距離分析問題則被轉換成了二維點云數(shù)據(jù)的離散求和問題。圖 3.12 展示了二維點云數(shù)據(jù)的距離表示方式，?

需要再為每個加工點位生成一組局部的坐標系以標識加工紋理排布到加工點位的角度信息。圖4.8 加工紋理的排布方式由于加工點位數(shù)據(jù)實際上來源于對模型的點云數(shù)據(jù)表面距離的積分結果，因而在表面距離積分階段獲取的點位排布方式事實上是根據(jù)點云數(shù)據(jù)生成時的射線發(fā)射算法嚴格規(guī)整排序的。由 3.1 節(jié)的射線發(fā)射點選取算法可以看到，無論是對于凸曲面還是非凸曲面，最終產(chǎn)生的二維點云數(shù)據(jù)都是嚴格按照三維坐標系排列的，其中點云紋理數(shù)據(jù)的 Y 軸相當于原始三維坐標系中的 Y 軸，而點云紋理數(shù)據(jù)的 X 軸則相當于原始三維坐標系中 XZ 平面的極坐標角度。根據(jù)這一規(guī)范，可以推導出每一個加工點位所對應的自身切線空間的三組基向量。 = = (4-9)式(4-9)為每一個加工點位的自身局部坐標系的三組基向量 ， 以及 的計算方法，其中 代表該加工貼圖點位數(shù)據(jù)在三維加工表面上的法向量方向
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本文編號：2870381