專(zhuān)利名稱：基于壓縮體素模型的錐形刀空間掃描體構(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錐形刀空間掃描體構(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(lèi)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錐形刀空間掃描體構(gòu)造方法，可在三維空間進(jìn)行錐形刀的五坐標(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(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種基于壓縮體素模型的錐形刀空間掃描體構(gòu)造方法，包括下述步驟(1)輸入五坐標(biāo)NC加工軌跡和錐形刀幾何尺寸，確定相應(yīng)球體和圓錐體尺寸，同時(shí)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)處的錐形刀壓縮體素模型；(3)根據(jù)以下公式計(jì)算圓錐體表面在第k和k+1刀位點(diǎn)之間的臨界曲線θ=tg-1((D-F)(E-L)F2-DF-E2+EL)]]>式中D=(-b·(u)b2(u)|B→·|-b(u)|A→|R→·e→2-b(u)u|A|2|B→·|)]]>E=-b(u)|A→|R→··e→3]]>F=b·(u)b(u)R→··e→1]]>L=E2+D2-F2]]>b(u)=a+u|A→|tgφ]]>θ是u(0≤u≤1)的一個(gè)連續(xù)函數(shù)，在0≤θ≤2π范圍內(nèi)圓錐體表面上可以得到兩組掃描體臨界曲線；再計(jì)算運(yùn)動(dòng)球體表面在第k和k+1刀位點(diǎn)之間的臨界曲線；(4)分別構(gòu)造球體和圓錐體在第k和k+1刀位點(diǎn)之間的掃描體表面模型；(5)利用Ray Casting方法分別將球體和圓錐體空間掃描體表面模型進(jìn)行離散，將其分別轉(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)處的錐形刀壓縮體素模型和第k和k+1刀位點(diǎn)之間的球體、圓錐體掃描體壓縮體素模型進(jìn)行簡(jiǎn)化布爾加操作，得到錐形刀在第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錐形刀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錐形刀空間掃描體模型，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)造錐形刀掃描體和數(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)行錐形刀五坐標(biāo)數(shù)控加工仿真；由于在三維空間進(jìn)行錐形刀五坐標(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(shuō)明。


圖1是沿NC刀位軌跡運(yùn)動(dòng)的球體圖中 為NC刀位軌跡，0≤t≤1；a為球體半徑；θ0≤θ≤2π；φ0≤φ≤2π。
圖2是沿NC刀位軌跡運(yùn)動(dòng)的圓錐體圖中 為NC刀位軌跡，0≤t≤1；u0≤u≤l；θ圓錐角；a為圓錐體底面半徑。
圖3是本發(fā)明的流程圖具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1、圖2，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(guò)程中工件模型和錐形刀空間掃描體模型，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(guò)程；根據(jù)錐形刀幾何尺寸和數(shù)控加工刀位軌跡，分別計(jì)算運(yùn)動(dòng)球體和運(yùn)動(dòng)圓錐體表面的臨界曲線。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(lèi)，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)球體表面臨界曲線計(jì)算公式如下θ=tg-1-e→1cosφe→2+sinφe→3···(1)]]>運(yùn)動(dòng)圓錐體表面臨界曲線計(jì)算公式如下θ=tg-1((D-F)(E-L)F2-DF-E2+EL)···(2)]]>式中
D=(-b·(u)b2(u)|B→·|-b(u)|A→|R→·e→2-b(u)u|A|2|B→·|)]]>E=-b(u)|A→|R→··e→3]]>F=b·(u)b(u)R→··e→1]]>L=E2+D2-F2]]>b(u)=a+u|A→|tgφ]]>在(1)式和(2)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)(1)式和(2)中計(jì)算的臨界曲線分別構(gòu)造球體和圓錐體空間掃描體表面模型；利用Ray Casting方法分別將球體和圓錐體空間掃描體表面模型進(jìn)行離散，將其分別轉(zhuǎn)化為壓縮體素模型；球體和圓錐體空間掃描體的壓縮體素模型通過(guò)簡(jiǎn)化布爾加運(yùn)算生成基于壓縮體素模型的錐形刀空間掃描體；基于壓縮體素模型的錐形刀空間掃描體和數(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)施例錐形刀(半徑4mm，錐度1.5°)空間掃描體壓縮體素模型構(gòu)造及在某型壓氣機(jī)葉輪五坐標(biāo)數(shù)控加工仿真中的應(yīng)用。
該實(shí)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(yǔ)言編寫(xiě)，并使用OpenGL、Inventor圖形功能，用戶界面由Viewkit生成。該系統(tǒng)安裝于HP xw6000系統(tǒng)。
錐形刀(半徑4mm，錐度1.5°)空間掃描體壓縮體素模型構(gòu)造過(guò)程如下(1)仿真工件模型構(gòu)造根據(jù)某型壓氣機(jī)葉輪五坐標(biāo)數(shù)控加工要求，確定數(shù)控仿真誤差為0.05mm，由此得到壓縮體素模型體素大小為0.5mm×0.5mm×0.5mm；根據(jù)該葉輪外形尺寸，構(gòu)造數(shù)控加工仿真工件模型(壓縮體素模型)；(2)輸入NC刀具軌跡和刀具參數(shù)根據(jù)該葉輪加工要求，仿真過(guò)程中應(yīng)用錐刀(半徑4mm，錐度1.5°)，讀入兩個(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)處的錐形刀壓縮體素模型；(4)計(jì)算球體(Φ8)和圓錐體在兩個(gè)刀位點(diǎn)之間的臨界曲線；(5)構(gòu)造球體(Φ8)和圓錐體在兩個(gè)刀位點(diǎn)之間的空間掃描體表面模型；(6)球體(Φ8)和圓錐體空間掃描體表面模型離散，生成各自的壓縮體素模型；(7)以上各個(gè)壓縮體素模型進(jìn)行布爾和運(yùn)算，生成錐形刀在兩個(gè)刀位點(diǎn)之間的空間掃描體；(8)仿真工件模型和錐形刀掃描體進(jìn)行布爾減運(yùn)算，進(jìn)行五坐標(biāo)數(shù)控加工仿真；(9)重復(fù)步驟(2)至(8)，完成該葉輪葉片的五坐標(biāo)數(shù)控加工仿真。
權(quán)利要求
1.一種基于壓縮體素模型的錐形刀空間掃描體構(gòu)造方法，包括下述步驟(1)輸入五坐標(biāo)NC加工軌跡和錐形刀幾何尺寸，確定相應(yīng)球體和圓錐體尺寸，同時(shí)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)處的錐形刀壓縮體素模型；(3)根據(jù)以下公式計(jì)算圓錐體表面在第k和k+1刀位點(diǎn)之間的臨界曲線θ=tg-1((D-F)(E-L)F2-DF-E2+EL)]]>式中D=(-b·(u)b2(u)|B→·|-b(u)|A→|R→·e→2-b(u)u|A|2|B→·|)]]>E=-b(u)|A→|R→··e→3]]>F=b·(u)b(u)R→··e→1]]>L=E2+D2-F2]]>b(u)=a+u|A→|tgφ]]>θ是u(0≤u≤1)的一個(gè)連續(xù)函數(shù)，在0≤θ≤2π范圍內(nèi)圓錐體表面上可以得到兩組掃描體臨界曲線；再計(jì)算運(yùn)動(dòng)球體表面在第k和k+1刀位點(diǎn)之間的臨界曲線；(4)分別構(gòu)造球體和圓錐體在第k和k+1刀位點(diǎn)之間的掃描體表面模型；(5)利用Ray Casting方法分別將球體和圓錐體空間掃描體表面模型進(jìn)行離散，將其分別轉(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)處的錐形刀壓縮體素模型和第k和k+1刀位點(diǎn)之間的球體、圓錐體掃描體壓縮體素模型進(jìn)行簡(jiǎn)化布爾加操作，得到錐形刀在第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錐形刀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)明提出了一種基于壓縮體素模型的錐形刀空間掃描體構(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。包括以下步驟首先提出了錐形刀空間掃描體數(shù)學(xué)表達(dá)式，構(gòu)造出錐形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(guò)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)G05B19/4097GK1752878SQ200510096279
公開(kāi)日2006年3月29日 申請(qǐng)日期2005年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月1日
發(fā)明者侯增選 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)