[发明专利]一种基于Voronoi图的螺旋加工路径的生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及螺旋加工路径规划的技术领域，尤其涉及一种基于Voronoi图的螺旋加工路径的生成方法。

背景技术

Voronoi图是关于空间邻近关系的一种基础数据结构，最基本的Voronoi图是以平面点集为元素的Voronoi图，它将平面划分成凸多边形形状的Voronoi区域，平面点集中的每个元素对应区域内的任意一点到该元素的欧几里德距离比到其他元素的欧几里德距离近。因此，通过生成平面多边形轮廓的Voronoi图，规划出螺旋加工路径。

由于Voronoi图的奇妙特性，在结晶学、地质学、图形处理、机器人路径规划等领域得到了广泛应用。在数控切削加工、激光快速成型中的应用主要是用来生成螺旋加工路径。近年来,在激光快速成型中基于Voronoi图生成偏置线进而得到螺旋加工路径的研究逐渐得到重视，其主要优点有：生成Voronoi图后可在接近线性时间内生成首尾相连不需要多余环检查和求交处理的轮廓偏置线；加工线短和内向外的加工方式符合温度梯度的变化，变形翘曲小；各向同性，机械性能好。

由于Voronoi的处理数据量大、算法复杂，使得在路径规划中的应用受到限制。目前Voronoi图在螺旋加工路径中的应用还是存在如下问题：单、多连通域都采用分治算法时使得算法复杂不易实现；单、多连通域采用不同的算法将引起算法的不统一，增加实现的难度；数据结构复杂，不利于工程应用；瓶颈处峡线的判断不当使得偏置线的生成算法还不够简洁等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于Voronoi图的螺旋加工路径的生成方法，可以快速生成螺旋加工路径，显著提高加工效率和加工精度。

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于Voronoi图的螺旋加工路径的生成方法，所述方法包括：

利用Voronoi图的Voronoi边对轮廓段的原始偏置线进行裁剪，从而得到连续轮廓段的连续偏置线；

通过找到Voronoi图中边上所有内点，在一个单调(偏置连通)域内构造一个螺旋型的加工路径；

得到平面图形的Vorinoi图和单调区域所有的内点，从而生成偏置线(环),迭代减少偏置量的大小，最终生成整个区域的螺旋加工路径。

优选地，所述利用Voronoi图的边参数方程对轮廓段的原始偏置线行裁剪，从而得到连续轮廓段的连续偏置线的步骤包括：

提出第一个新的概念，关联初始平分线：初始交点集合I中的数据项中的两个初始平分线。这两个初始平分线相交，交点是有效的候选交点；

提出第二个新的概念，非关联初始平分线：初始平分线中没有与其他初始平分线相交形成有效候选交点的初始平分线；

Voronoi图中的Voronoi边参数方程采用Voronoi边到轮廓边界的欧几里德距离t作为参数，轮廓段的原始偏置线方程也以t作为参数，从而求得原始偏置线方程与Voronoi图中的Voronoi边的交点，用这些交点裁剪原始偏置线，得到连续轮廓段的连续偏置线；

应用Voronoi边的平分线特性，避免对几何图形退化情况进行处理，进而直接得到首尾相连的有效偏置曲线。

优选地，所述通过找到Voronoi图中边上所有内点，在一个单调(偏置连通)域内构造一个螺旋型的加工路径的步骤包括：

提出第一个新的定理：与初始交点相关联的初始平分线到达内点循环次数往往比非关联的初始平分线要多；

提出第二个新的定理：当遍历不能得到所有内点时，内点必然是关联初始平分线的终点；

设非关联初始平分线双向链表集合为K、初始交点集合I中关联初始平分线集合为I’,初始平分线集合J为总集，由以上两个定理为依据来查找内点；

步骤1)如果K>0，取出链头并删除原数据，查找以该数据项终点为起点的Voronoi边，若有Voronoi边，则跳转到步骤2，无Voronoi边，存储终点，跳转到步骤1；

步骤2)判断Voronoi边起点、中点、终点的t值。若三点都单调增加，则跳转到步骤3。三点单调减少，结束本次计算，存储交点，跳转到步骤1。三点不单调，结束本次计算，存储该Voronoi边，跳转到步骤1；

步骤3)以该Voronoi边为新的起点查找相关的Voronoi边。若有Voronoi边，跳转到步骤2，无Voronoi边，存储终点，跳转到步骤1；

结束算法执行过程，至少有一个交点被保存。对被存储的交点进行后续处理：删除坐标相同的点，得到平面图形的内点。