激光刻蝕加工是現(xiàn)代機(jī)械加工領(lǐng)域中較為前沿的一種加工技術(shù),尤其是在對(duì)零件表面的精密花紋刻蝕方面,激光刻蝕技術(shù)無(wú)論是加工效果還是效率都優(yōu)于其他傳統(tǒng)的加工技術(shù)。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(chǔ)于較小的貼圖紋理中,需要有一種算法能夠?qū)⒋罅康男⌒唾N圖信息自動(dòng)且規(guī)范的排布在三維模型的表面。其中每一個(gè)用于刻蝕的貼圖在三維模型上的位置即為模型的貼圖點(diǎn)位,如何根據(jù)指定的貼圖信息以及模型信息進(jìn)行貼圖點(diǎn)位的生成是激光刻蝕加工的一個(gè)重要難題。傳統(tǒng)的研究主要分為三個(gè)方向:其一是工業(yè)加工中常用的先將加工結(jié)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(duì)刻蝕材質(zhì)的要求較高,在大多數(shù)情況下并不適用。其二是通過(guò)UVW展開(kāi)算法將一個(gè)曲面模型分解成多個(gè)可展開(kāi)的子曲面并將其分別展開(kāi)到二維平面上。由于分解過(guò)程通常會(huì)對(duì)模型進(jìn)行撕裂,這導(dǎo)致展開(kāi)結(jié)果很難用于最終的點(diǎn)位生成。其三是將模型轉(zhuǎn)換為大規(guī)模的離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)展開(kāi)至二維平面。由于傳統(tǒng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成通常依靠對(duì)每個(gè)三角面進(jìn)行隨機(jī)采樣獲得,最終的展開(kāi)點(diǎn)云不具備三維空間的規(guī)范性,很難進(jìn)行貼圖點(diǎn)位的生成。論文提出了一種新的基于點(diǎn)云的激光刻蝕加工中三維貼圖點(diǎn)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(jìn)行模擬求交的方式來(lái)完成三維模型表面的離散點(diǎn)云化工作。借助這種方法所獲得的規(guī)范點(diǎn)云數(shù)據(jù),算法得以在展開(kāi)后的二維點(diǎn)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(lái)獲取曲面上任意兩點(diǎn)的表面距離并生成貼圖點(diǎn)位。此外,論文借助GPU的RT核心對(duì)射線與三維模型的求交運(yùn)算進(jìn)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(shí),論文還通過(guò)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(jì)算的效率優(yōu)化。從實(shí)驗(yàn)結(jié)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(diǎn)云細(xì)分下包含8-10萬(wàn)三角面的不同類型曲面的貼圖點(diǎn)位生成工作,比傳統(tǒng)的CPU實(shí)現(xiàn)的效率提升了80-120倍,比傳統(tǒng)的GPU實(shí)現(xiàn)(僅依靠CUDA核心)的效率提升了3-4倍。而最終生成的點(diǎn)位數(shù)據(jù)每米的誤差小于0.02毫米,無(wú)論是局部誤差還是全局誤差都遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的UV展開(kāi)法以及傳統(tǒng)的基于三角面隨機(jī)采樣的點(diǎn)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(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)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(jié)構(gòu)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(wú)論是對(duì)于凸曲面還是非凸曲面，整個(gè)模型的點(diǎn)云化過(guò)程中都有一個(gè)非常重要的步驟，即射線與三維網(wǎng)格面的求交運(yùn)算。由于對(duì)于高精

第三章 三維激光刻蝕的貼圖點(diǎn)位生成算法設(shè)計(jì)29圖3.11 三維數(shù)據(jù)的點(diǎn)云化式(3-14)給出了將原始的三維點(diǎn)云坐標(biāo)歸一化到[0,1]區(qū)間的方法，其中 和 代表整個(gè)三維網(wǎng)格的 AABB 包圍盒的最大最小坐標(biāo)。通過(guò)歸一化參數(shù)，可以很方便的將點(diǎn)云數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)紋理，而上述公式的逆操作則可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云坐標(biāo)由[0,1]區(qū)間轉(zhuǎn)換到真實(shí)的三維坐標(biāo)。 ′= (3-14)3.4.2 通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)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(guò)程中需要保證不因曲面曲率過(guò)大的問(wèn)題導(dǎo)致映射結(jié)果失真。為了達(dá)到這個(gè)效果，需要計(jì)算出三維模型的表面距離分布。通過(guò)對(duì)原始模型的點(diǎn)云化處理，原始的三維曲面被展開(kāi)成二維平面上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合，而三維曲面的表面距離分析問(wèn)題則被轉(zhuǎn)換成了二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的離散求和問(wèn)題。圖 3.12 展示了二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的距離表示方式，?

需要再為每個(gè)加工點(diǎn)位生成一組局部的坐標(biāo)系以標(biāo)識(shí)加工紋理排布到加工點(diǎn)位的角度信息。圖4.8 加工紋理的排布方式由于加工點(diǎn)位數(shù)據(jù)實(shí)際上來(lái)源于對(duì)模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)表面距離的積分結(jié)果，因而在表面距離積分階段獲取的點(diǎn)位排布方式事實(shí)上是根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成時(shí)的射線發(fā)射算法嚴(yán)格規(guī)整排序的。由 3.1 節(jié)的射線發(fā)射點(diǎn)選取算法可以看到，無(wú)論是對(duì)于凸曲面還是非凸曲面，最終產(chǎn)生的二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是嚴(yán)格按照三維坐標(biāo)系排列的，其中點(diǎn)云紋理數(shù)據(jù)的 Y 軸相當(dāng)于原始三維坐標(biāo)系中的 Y 軸，而點(diǎn)云紋理數(shù)據(jù)的 X 軸則相當(dāng)于原始三維坐標(biāo)系中 XZ 平面的極坐標(biāo)角度。根據(jù)這一規(guī)范，可以推導(dǎo)出每一個(gè)加工點(diǎn)位所對(duì)應(yīng)的自身切線空間的三組基向量。 = = (4-9)式(4-9)為每一個(gè)加工點(diǎn)位的自身局部坐標(biāo)系的三組基向量 ， 以及 的計(jì)算方法，其中 代表該加工貼圖點(diǎn)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(hào)：2870381