專利名稱：基于壓縮體素模型的棒刀空間掃描體構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于壓縮體素模型的棒刀空間掃描體構(gòu)造方法，主要應(yīng)用于五坐標(biāo)數(shù)控加工仿真和虛擬制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
刀具掃描體構(gòu)造是數(shù)控加工仿真技術(shù)的基礎(chǔ)。兩個(gè)刀位點(diǎn)之間的刀具空間掃描體由起、終點(diǎn)位置刀具和中間掃描體布爾并組成，中間掃描體是刀具空間掃描體構(gòu)造的關(guān)鍵。一般情況下，文獻(xiàn)中提到的刀具空間掃描體構(gòu)造方法均為刀具中間掃描體構(gòu)造方法。刀具空間掃描體按構(gòu)造方式可劃分為三類Blackmore的微分掃描體構(gòu)造，K.K.Wang的多邊形面構(gòu)造和面向三軸數(shù)控仿真的特征線構(gòu)造。
文獻(xiàn)“Blackmore D，Leu M C，Wang L P.The sweep-envelope differential equationalgorithm and its application to NC machining verification.Computer-Aided Design，1997，29(9)629-637”介紹了一種微分構(gòu)造方法，這種基于刀具表面絕對(duì)速度矢量和刀具表面法矢量方向的點(diǎn)積為0的規(guī)則(這里所指的刀具表面的絕對(duì)速度是忽略刀具繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的其它各速度的合成量)，凡符合該規(guī)則的點(diǎn)均落在刀具掃描體表面上。微分構(gòu)造從數(shù)學(xué)推導(dǎo)出發(fā)，可以精確地表示刀具空間掃描體，但是微分方程的求解較復(fù)雜并需要大量的計(jì)算。
文獻(xiàn)“Wang W P，Wang K K.Geometric modeling and swept volume of moving solids.IEEE Computer Graphics Applic，1986，6(2)8-17”介紹了一種采用多邊形面對(duì)刀具空間掃描體表面進(jìn)行逼近，從而構(gòu)造出刀具的掃描體。該方法不僅改善了計(jì)算機(jī)的執(zhí)行效率，而且能進(jìn)行五軸數(shù)控加工刀具空間掃描體的構(gòu)造，但該方法將刀具空間掃描體和數(shù)控仿真工件轉(zhuǎn)化為Z-Buffer表示形式，在圖像空間進(jìn)行NC仿真，觀察方向變化時(shí)必須重新計(jì)算顯示數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果的三維信息計(jì)算困難。
文獻(xiàn)“Seung R M，Nakhoon B，Sung Y S，Byoung K C.A Z-map update method for linelytools.Computer-Aided Design，2003，35(11)995-1009”介紹了單參數(shù)刀具掃描體的構(gòu)造方法。該方法基于起點(diǎn)處刀具底面與以移動(dòng)方向?yàn)榉ㄊ噶康钠矫娴慕痪€(稱特征線)為計(jì)算基線，按照與起點(diǎn)處的距離，計(jì)算出掃描體面上的高度，該方法雖未在三維空間構(gòu)造出掃描體，但有助于改善計(jì)算效率。
目前市場(chǎng)上的商品化數(shù)控加工仿真軟件如Vericut、Hypermill和WorkNC等具有一個(gè)共同點(diǎn)，由于其工件模型的計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示形式的限制只能對(duì)工件模型在2.5D空間進(jìn)行顯示，觀察方向變化后必須重新計(jì)算顯示數(shù)據(jù)，不能滿足復(fù)雜零件的五坐標(biāo)數(shù)控加工仿真要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)計(jì)算量大、計(jì)算困難，只能對(duì)工件模型在2.5D空間進(jìn)行顯示的不足，本發(fā)明提供一種基于壓縮體素模型的棒刀空間掃描體構(gòu)造方法，可在三維空間進(jìn)行棒刀的五坐標(biāo)數(shù)控加工仿真，仿真結(jié)果三維信息完備；NC編程人員可從任意方向觀察、驗(yàn)證仿真結(jié)果。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基于壓縮體素模型的棒刀空間掃描體構(gòu)造方法，包括下述步驟(1)輸入五坐標(biāo)NC加工軌跡和棒刀幾何尺寸，確定數(shù)控加工仿真工件模型尺寸，建立基于壓縮體素模型的數(shù)控加工仿真工件模型；(2)構(gòu)造第k個(gè)刀位點(diǎn)和第k+1個(gè)刀位點(diǎn)處的棒刀壓縮體素模型；(3)計(jì)算棒刀在第k和k+1刀位點(diǎn)之間的臨界曲線；(4)構(gòu)造棒刀在第k和k+1刀位點(diǎn)之間的掃描體表面模型；(5)利用Ray Casting方法將棒刀空間掃描體表面模型進(jìn)行離散，將其轉(zhuǎn)化為壓縮體素模型；(6)將第k個(gè)刀位點(diǎn)和第k+1個(gè)刀位點(diǎn)處的棒刀壓縮體素模型和第k和k+1刀位點(diǎn)之間的棒刀掃描體壓縮體素模型進(jìn)行簡(jiǎn)化布爾加操作，得到棒刀在第k和k+1刀位點(diǎn)之間的空間掃描體壓縮體素模型；(7)在數(shù)控加工仿真工件壓縮體素模型和棒刀空間掃描體壓縮體素模型之間進(jìn)行布爾減運(yùn)算，進(jìn)行NC數(shù)控加工仿真。
本發(fā)明的有益效果是由于采用壓縮形式的體素模型表示數(shù)控加工仿真工件模型和棒刀空間掃描體模型，和體素模型相比，模型存儲(chǔ)量小，布爾操作簡(jiǎn)單，并支持任意復(fù)雜零件的五坐標(biāo)數(shù)控加工仿真；由于在三維空間構(gòu)造棒刀掃描體和數(shù)控加工仿真工件模型的三維壓縮體素模型，可在三維空間進(jìn)行棒刀五坐標(biāo)數(shù)控加工仿真；由于在三維空間進(jìn)行棒刀五坐標(biāo)數(shù)控加工仿真，仿真結(jié)果三維信息完備，NC編程人員可從任意方向觀察、驗(yàn)證仿真結(jié)果；由于利用Marching-Cubes方法生成仿真工件壓縮體素模型的表面三角網(wǎng)格并進(jìn)行顯示，提高了仿真模型顯示質(zhì)量和系統(tǒng)顯示速度。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。


圖1是沿NC刀位軌跡運(yùn)動(dòng)的圓柱體圖2是本發(fā)明的流程圖
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1，本發(fā)明建立壓縮體素模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于表示五坐標(biāo)數(shù)控加工仿真過程中工件模型和棒刀空間掃描體模型，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)存貯量較小，可將三維物體之間的布爾運(yùn)算轉(zhuǎn)化為三個(gè)方向的一維布爾運(yùn)算，簡(jiǎn)化仿真過程；根據(jù)棒刀幾何尺寸和數(shù)控加工刀位軌跡，計(jì)算運(yùn)動(dòng)圓柱體表面的臨界曲線。若M(t)代表在某一時(shí)刻的刀具表面，則M(t)上的點(diǎn)可分為三類，即其絕對(duì)速度指向刀具體內(nèi)的點(diǎn)M_(t)，絕對(duì)速度指向刀具體外的點(diǎn)M+(t)和絕對(duì)速度與刀具表面相切的點(diǎn)M0(t)，對(duì)某一時(shí)刻ti，M0(ti)構(gòu)成的曲線稱之為臨界曲線。運(yùn)動(dòng)圓柱體表面臨界曲線計(jì)算公式如下θ(u,t)=tg-1(-e→2·R→(t)+u|A→|e→3·R→(t))---(1)]]>圖中 為NC刀位軌跡，0≤t≤1；l為刀具長(zhǎng)度；u0≤u≤l；θ0≤θ≤2π；a為圓柱體半徑。
在(1)式中運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)架 定義如下e→1=A→]]>e→2=A→·|A→·|]]>e→3=e→1×e→2]]> 為刀軸單位矢量，由相鄰兩個(gè)刀位點(diǎn)的刀軸矢量 和 按角度線性插值確定。刀軸單位矢量 的計(jì)算公式如下A→=(cos(θρ*t)A→1A→1·A→2+sin(θρ*t)P→P→·P→)A→1·A→2]]>式中t為時(shí)間變量(0≤t≤1)，θρ=cos-1(A→1·A→2),]]>P→=(A→1×A→2)×A→1]]>根據(jù)上述計(jì)算的臨界曲線構(gòu)造棒刀空間掃描體表面模型；利用Ray Casting方法將棒刀空間掃描體表面模型進(jìn)行離散，將其轉(zhuǎn)化為壓縮體素模型；基于壓縮體素模型的棒刀空間掃描體和數(shù)控加工仿真工件模型(壓縮體素模型)進(jìn)行簡(jiǎn)化布爾減運(yùn)算，完成五坐標(biāo)數(shù)控加工仿真；利用Marching-Cubes方法生成五坐標(biāo)數(shù)控加工仿真工件模型的表面三角網(wǎng)格并進(jìn)行顯示，提高仿真模型顯示質(zhì)量和系統(tǒng)顯示速度，編程人員可從空間任意方向觀察和驗(yàn)證仿真結(jié)果，利用該方法可進(jìn)行虛擬加工。
應(yīng)用實(shí)施例Ф8棒刀空間掃描體壓縮體素模型構(gòu)造。
該實(shí)施例在基于壓縮體素模型的五坐標(biāo)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)中完成。系統(tǒng)由C++語言編寫，并使用OpenGL、Inventor圖形功能，用戶界面由Viewkit生成。該系統(tǒng)安裝于HPxw6000系統(tǒng)。
Ф8棒刀空間掃描體壓縮體素模型構(gòu)造過程如下(1)確定壓縮體素模型體素大小假定數(shù)控仿真誤差為0.05mm，根據(jù)棒刀幾何尺寸得到壓縮體素模型體素大小為0.5mm×0.5mm×0.5mm；(2)輸入NC刀具軌跡和刀具參數(shù)讀入棒刀直徑(Ф8)，輸入兩個(gè)連續(xù)的五坐標(biāo)數(shù)控加工刀位軌跡；(3)計(jì)算在兩個(gè)刀位點(diǎn)處的棒刀壓縮體素模型；(4)計(jì)算棒刀(Ф8)在兩個(gè)刀位點(diǎn)之間的臨界曲線；(5)構(gòu)造棒刀(Ф8)在兩個(gè)刀位點(diǎn)之間的空間掃描體表面模型；(6)棒刀(Ф8)空間掃描體表面模型離散，生成其壓縮體素模型；(7)以上各個(gè)壓縮體素模型進(jìn)行布爾和運(yùn)算，生成棒刀(Ф8)在兩個(gè)刀位點(diǎn)之間的空間掃描體壓縮體素模型；(8)重復(fù)步驟(2)至(7)，構(gòu)造另外兩個(gè)刀位點(diǎn)之間的棒刀空間掃描體的壓縮體素模型。
權(quán)利要求
1.一種基于壓縮體素模型的棒刀空間掃描體構(gòu)造方法，包括下述步驟(1)輸入五坐標(biāo)NC加工軌跡和棒刀幾何尺寸，確定數(shù)控加工仿真工件模型尺寸，建立基于壓縮體素模型的數(shù)控加工仿真工件模型；(2)構(gòu)造第k個(gè)刀位點(diǎn)和第k+1個(gè)刀位點(diǎn)處的棒刀壓縮體素模型；(3)計(jì)算棒刀在第k和k+1刀位點(diǎn)之間的臨界曲線；(4)構(gòu)造棒刀在第k和k+1刀位點(diǎn)之間的掃描體表面模型；(5)利用Ray Casting方法將棒刀空間掃描體表面模型進(jìn)行離散，將其轉(zhuǎn)化為壓縮體素模型；(6)將第k個(gè)刀位點(diǎn)和第k+1個(gè)刀位點(diǎn)處的棒刀壓縮體素模型和第k和k+1刀位點(diǎn)之間的棒刀掃描體壓縮體素模型進(jìn)行簡(jiǎn)化布爾加操作，得到棒刀在第k和k+1刀位點(diǎn)之間的空間掃描體壓縮體素模型；(7)在數(shù)控加工仿真工件壓縮體素模型和棒刀空間掃描體壓縮體素模型之間進(jìn)行布爾減運(yùn)算，進(jìn)行NC數(shù)控加工仿真。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于壓縮體素模型的棒刀空間掃描體構(gòu)造方法，應(yīng)用于五坐標(biāo)數(shù)控加工仿真和虛擬制造領(lǐng)域。包括以下步驟首先根據(jù)圓柱體空間掃描體數(shù)學(xué)表達(dá)式，構(gòu)造出棒刀空間掃描體的表面模型，并離散為壓縮體素模型，利用該模型可對(duì)數(shù)控加工仿真工件進(jìn)行“加工”更新。和體素模型方法相比，其數(shù)據(jù)存貯量較小，將三維布爾運(yùn)算轉(zhuǎn)化為三個(gè)方向的一維布爾運(yùn)算，簡(jiǎn)化了數(shù)控加工仿真過程；和Dexel方法相比，該方法可滿足對(duì)復(fù)雜零件的五坐標(biāo)數(shù)控加工仿真要求；采用該方法進(jìn)行五坐標(biāo)數(shù)控加工仿真，仿真結(jié)果三維信息完備，NC編程人員可以從任意方向觀察、驗(yàn)證仿真結(jié)果。
文檔編號(hào)G05B19/4097GK1758164SQ200510096260
公開日2006年4月12日 申請(qǐng)日期2005年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月28日
發(fā)明者侯增選 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)