對(duì)通過(guò)工具對(duì)工件的機(jī)械加工進(jìn)行仿真的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種對(duì)通過(guò)工具對(duì)工件的機(jī)械加工進(jìn)行仿真的方法。所述方法利用一組射線(xiàn)填充表示所述工具關(guān)于所述工件的運(yùn)動(dòng)的掃掠體，并且基于至少一些射線(xiàn)與所述工件的交叉來(lái)確定通過(guò)所述掃掠體從所述工件去除的去除體。基于去除體來(lái)修正所述工件的模型。
【專(zhuān)利說(shuō)明】對(duì)通過(guò)工具對(duì)工件的機(jī)械加工進(jìn)行仿真的方法和系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及分析通過(guò)橫切工件的工具去除的去除體，更具體地講，涉及在對(duì)通過(guò)工具對(duì)工件的機(jī)械加工的仿真期間確定從工件去除的去除體的幾何性質(zhì)。

【背景技術(shù)】
[0002]NC 銑削
[0003]對(duì)數(shù)控(NC)銑削進(jìn)行仿真在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)中有著基礎(chǔ)性的重要地位。在仿真期間，利用NC銑削工具的計(jì)算機(jī)表示和一組NC銑削工具運(yùn)動(dòng)來(lái)編輯工件的計(jì)算機(jī)模型以對(duì)銑削工藝進(jìn)行仿真。
[0004]工件模型和工具表示可在仿真期間被可視化，以檢測(cè)部件(例如，工件和工具夾具)之間的潛在沖突，并且在仿真之后核實(shí)工件的最終形狀。
[0005]工件的最終形狀受工具的選擇和工具運(yùn)動(dòng)的影響。用于控制這些運(yùn)動(dòng)的指令通常利用CAM系統(tǒng)從工件的期望的最終形狀的圖形表示來(lái)生成。運(yùn)動(dòng)通常利用數(shù)控編程語(yǔ)言(也被稱(chēng)作預(yù)備代碼(preparatory code)或G代碼)實(shí)現(xiàn)，參見(jiàn)例如RS274D和DIN66025/IS06983 標(biāo)準(zhǔn)。
[0006]CAM系統(tǒng)所生成的G代碼可能未產(chǎn)生期望的形狀的準(zhǔn)確復(fù)制。另外，NC工具的移動(dòng)由NC銑床的操作部件來(lái)支配，所述操作部件可具有受限制的速度、運(yùn)動(dòng)范圍以及加速和減速能力。因此，實(shí)際工具運(yùn)動(dòng)可能未準(zhǔn)確遵循NC機(jī)器指令。
[0007]工件的最終形狀與工件的期望形狀之間的差異可能非常小。在一些情況下，這些差異可在工件的最終形狀的表面中導(dǎo)致不期望的孔或裂紋，在尺寸上，所述孔或裂紋的深度和寬度大約為幾微米并且長(zhǎng)度為幾十微米。
[0008]通常，在對(duì)期望的部件進(jìn)行銑削之前，通過(guò)對(duì)由較軟、較便宜的材料制成的測(cè)試工件進(jìn)行銑削來(lái)測(cè)試一組NC機(jī)器指令。如果測(cè)試工件的目視檢查定位到測(cè)試工件中的不期望的差異，則可相應(yīng)地修正NC機(jī)器指令。
[0009]這種手動(dòng)測(cè)試耗時(shí)且昂貴。對(duì)單個(gè)測(cè)試工件進(jìn)行機(jī)械加工的時(shí)間可為大約幾個(gè)小時(shí)，并且在獲得合格的一組NC機(jī)器指令之前可能需要多次迭代。因此，期望的是，利用基于計(jì)算機(jī)的仿真和渲染來(lái)針對(duì)這些差異進(jìn)行測(cè)試。然而，為了針對(duì)尺寸可能為大約一米的工件檢測(cè)尺寸為大約幾微米的差異，需要非常精確的計(jì)算機(jī)模型。本發(fā)明的目的是提供一種空間和時(shí)間有效的方法來(lái)為銑削仿真表示并渲染這些高精度模型。
[0010]掃掠體
[0011]在銑削期間，工具根據(jù)規(guī)定的工具動(dòng)作(本文中稱(chēng)作工具路徑)來(lái)相對(duì)于工件移動(dòng)。工具路徑可包含關(guān)于工具相對(duì)于工件的相對(duì)位置、取向以及其它形狀數(shù)據(jù)的信息。
[0012]隨著工具沿著工具路徑移動(dòng)，工具切出“掃掠體”。在銑削期間，隨著工具沿著工具路徑移動(dòng)，由掃掠體橫切的一部分工件被去除。這種材料去除可被計(jì)算建模為構(gòu)造立體幾何(CSG)差分運(yùn)算，其中，利用掃掠體從工件的CSG減法運(yùn)算來(lái)從工件去除一部分工件。
[0013]盡管NC銑削仿真用作示例應(yīng)用，掃掠體適用于科學(xué)、工程、娛樂(lè)和計(jì)算機(jī)圖形的許多領(lǐng)域。一些具體應(yīng)用包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、自由設(shè)計(jì)、基于計(jì)算機(jī)的制圖、動(dòng)畫(huà)、實(shí)體建模、機(jī)器人學(xué)、制造自動(dòng)化和可視化等。以下描述適用于需要或期望掃掠體的準(zhǔn)確表示的所有領(lǐng)域。
[0014]盡管本說(shuō)明書(shū)專(zhuān)注于三維坐標(biāo)系，術(shù)語(yǔ)“掃掠體”可更一般地?cái)U(kuò)展至N維坐標(biāo)系。具體地講，以下描述也適用于沿著二維空間中的路徑移動(dòng)的一維或二維形狀掃掠過(guò)的面積，或者適用于在更高維系統(tǒng)中的路徑或表面上移動(dòng)的形狀掃掠過(guò)的超體積。
[0015]Abdel-Malek、Blackmore 和 Joy 在 “Swept Volumes:Foundat1ns, Perspectives,and Applicat1ns，，(Internat1nal Journal of Shape Modeling, 2006)中提出了掃掠體研究的重要性和挑戰(zhàn)的綜述。他們得出結(jié)論，難以利用軟件實(shí)現(xiàn)掃掠體的復(fù)雜數(shù)學(xué)公式化限制了這一領(lǐng)域的研究，并且計(jì)算掃掠體的邊界仍然是具挑戰(zhàn)性的難題，需要更好的可視化工具和更準(zhǔn)確的方法。
[0016]如美國(guó)專(zhuān)利N0.4，833，617中所描述的，沿著簡(jiǎn)單路徑移動(dòng)的簡(jiǎn)單形狀的掃掠體通?？赏ㄟ^(guò)解析法來(lái)表示。然而，那些方法沒(méi)有推廣至復(fù)雜形狀和復(fù)雜工具路徑。
[0017]多種方法對(duì)多邊形形狀的掃掠體進(jìn)行近似。多邊形形狀的模型可按照空間層次進(jìn)行編碼，以用于像“Interactive CSG”(Proceedings, Technical Sketches, SIGGRAPH,1999，Butcher)中一樣經(jīng)由CSG運(yùn)算進(jìn)行有效編輯，或者像美國(guó)專(zhuān)利N0.6，099，573中一樣用于有效沖突檢測(cè)。對(duì)多邊形物體的掃掠體進(jìn)行近似的方法在“Computing SweptVolumes” (Journal of Visualizat1n and Animat1n, 2000, Abrams 和 Allen)中也有所描述
[0018]美國(guó)專(zhuān)利N0.6，862，560描述了一種利用對(duì)掃掠體的多邊形模型的CSG運(yùn)算來(lái)對(duì)機(jī)械加工進(jìn)行仿真的方法。在該方法中，工件的邊界被裝入一組單元中，其中各個(gè)單元包括橫切單元的掃掠體多邊形的參照。工件與特定單元內(nèi)的掃掠體多邊形之間的交叉部分可根據(jù)要求被處理，以生成小的關(guān)注區(qū)域的銑削表面的高精度渲染。然而，完整模型的高精度可視化極其耗時(shí)。
[0019]美國(guó)專(zhuān)利N0.6，993，461描述了將物體表示為多面體。利用一系列變換按照離散的時(shí)間步長(zhǎng)沿著路徑布置物體。按照各個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)確定在掃掠體的邊界上的多面體表示的邊和面并將其彼此連接，以生成掃掠體的多面體近似。
[0020]那些多邊形方法中的每一種的精度受到物體模型的多邊形表示的限制。為了準(zhǔn)確表示復(fù)雜工具的曲面，特別是如果曲率半徑較小的話(huà)，可能需要數(shù)以?xún)|計(jì)的多邊形。因此，那些方法可能或者具有有限的精度，或者生成掃掠體的高精度模型所需的處理時(shí)間和存儲(chǔ)器要求過(guò)高，或者具有這兩個(gè)問(wèn)題。另外，將掃掠體近似為一系列離散的時(shí)間步長(zhǎng)的方法在離散的時(shí)間步長(zhǎng)之間具有有限的精度，并且經(jīng)受混疊偽影。
[0021]銑削仿真的另一常見(jiàn)表示被稱(chēng)為Z-buffer或Dexel方法。該方法在“Real-timeShaded NC Milling Display,,(Proceedings, SIGGRAPH1986, van Hook)中有所描述。美國(guó)專(zhuān)利N0.7，149，668描述了一種類(lèi)似方法，其中通過(guò)全部在z方向上的直線(xiàn)網(wǎng)格來(lái)對(duì)工件建模，并且通過(guò)在網(wǎng)格上移動(dòng)工具模型并修正表示被工具橫切的工件的線(xiàn)的高度來(lái)執(zhí)行銑削仿真。
[0022]Dexel方法通常受限于有限的分辨率(特別是在不與z軸一致的方向上)，不適合生成掃掠體的高精度模型。Dexel表示與基于體素的(voxel-based)表示有關(guān)。在“VolumeVisualizat1n”(IEEE Computer Society Press, 1991)中，Kaufman 描述了基于體素的表示以及用于渲染并處理基于體素的表示的方法?！癝culpting:an Interactive VolumetricModeling Technique” (Proceedings, SIGGRAPH1991, Galyean 和 Hughes)以及“VolumeSculpting^(Proceedings, SIGGRAPH1995, Wang 和 Kaufman)均利用對(duì)物體的基于體素的表示的CSG運(yùn)算來(lái)對(duì)造型進(jìn)行仿真。
[0023]使用二值體素表示掃掠體的方法在美國(guó)專(zhuān)利N0.6，044，306以及“Method andApparatus for Shaping Geometric Shapes”和“Octree-based Boundary Evaluat1n forGeneral Sweeps”(Proceedings, TMCE, 2008, Erdim 和 Ilies)中有所描述。那些方法的精度受到用于表示掃掠體的最小體素的尺寸的限制。
[0024]距離場(chǎng)
[0025]如美國(guó)專(zhuān)利N0.6，396，492,6, 724，393,6, 826，024 和 7，042，458 中所描述的，距離場(chǎng)是用于渲染和編輯形狀的有效表示。
[0026]距離場(chǎng)是表示物體的隱函數(shù)的形式。距離場(chǎng)是給出從空間中的任何點(diǎn)到物體表面的最短距離的標(biāo)量場(chǎng)。距離場(chǎng)為零的點(diǎn)在物體的表面上。物體表面上的點(diǎn)的集合共同描述物體的邊界(也稱(chēng)作d = O等值面)。通常，物體的距離場(chǎng)對(duì)于物體內(nèi)部的點(diǎn)為正，對(duì)于物體外部的點(diǎn)為負(fù)，但符號(hào)也可反轉(zhuǎn)。
[0027]已使用距離場(chǎng)來(lái)表示和渲染掃掠體?！癝weeping of Three Dimens1nalObjects” (Computer Aided Design, 20 (4), 1990, Martin 和 Stephenson)描述了從隱函數(shù)方面限定掃掠體的包絡(luò)的理論基礎(chǔ)。在“Funct1n Representat1n for Sweeping by aMoving Solid”(Proceedings, Solid Modeling, 1995)中，Sourin 和 Pasko 利用隱表面表示掃掠體。然而，隱表面可能難以渲染，并且任意復(fù)雜工具形狀的合適的隱表示難以定義。
[0028]計(jì)算物體的距離場(chǎng)的程序被稱(chēng)為距離場(chǎng)函數(shù)。對(duì)于諸如平面、球體或圓柱體的非常簡(jiǎn)單的物體，距離場(chǎng)函數(shù)可以是閉合式的解析函數(shù)。對(duì)于更復(fù)雜的物體，解析函數(shù)可能是不可能的。然而，數(shù)值程序仍會(huì)是可能的。例如，美國(guó)專(zhuān)利N0.2010/0298967描述了用于確定掃掠物體(例如掃掠銑削工具)的距離場(chǎng)的數(shù)值程序。
[0029]自適應(yīng)采樣距離場(chǎng)(ADF)使用細(xì)部定向采樣來(lái)提供距離場(chǎng)的比使用規(guī)則采樣的距離場(chǎng)所獲得的在空間和時(shí)間上更加有效的表示。ADF將距離場(chǎng)作為單元的空間層次來(lái)存儲(chǔ)。各個(gè)單元包含距離數(shù)據(jù)以及用于重構(gòu)與該單元關(guān)聯(lián)的那部分距離場(chǎng)的重構(gòu)方法。距離數(shù)據(jù)可包括距離場(chǎng)的值以及距離場(chǎng)的梯度和偏導(dǎo)數(shù)。單元內(nèi)的距離場(chǎng)可根據(jù)需要來(lái)重構(gòu)，以降低存儲(chǔ)器和計(jì)算復(fù)雜度。
[0030]ADF可用于對(duì)使用CSG運(yùn)算的編輯進(jìn)行仿真。待編輯的模型和編輯工具可被表示為距離函數(shù)、規(guī)則采樣的距離場(chǎng)或ADF。編輯處理可(例如)通過(guò)修正模型的ADF來(lái)明確生成所編輯的形狀的ADF。
[0031]另選地，所編輯的形狀可被隱含地表示為復(fù)合ADF (CADF)。生成CADF以表示物體，其中CADF包括按照空間層次布置的一組單元。CADF中的各個(gè)單元包括一組幾何元素距離場(chǎng)函數(shù)的子集以及組合幾何元素距離場(chǎng)函數(shù)的所述子集以重構(gòu)由該單元表示的那部分物體的復(fù)合距離場(chǎng)的重構(gòu)方法。距離場(chǎng)的所述子集中的各個(gè)距離場(chǎng)形成單元內(nèi)的物體的一部分邊界(稱(chēng)為復(fù)合邊界)。
[0032]CADF可按照非常高的精度重構(gòu)銑削的物體的距離場(chǎng)。一組幾何元素的距離場(chǎng)函數(shù)可通過(guò)解析或數(shù)值方法來(lái)進(jìn)行高精度計(jì)算，距離場(chǎng)函數(shù)的值可高精度地組合。結(jié)果表面具有非常詳細(xì)的表面特征(對(duì)于約一立方米的仿真物體，可能小于I微米)。
[0033]去除體的幾何屬性
[0034]在銑削期間，隨著NC銑削工具沿著工具路徑移動(dòng)，工具可與工件接觸。隨著工具相對(duì)于工件移動(dòng)，工具生成掃掠體。與掃掠體交叉的那部分工件被去除，是“去除體”。通過(guò)去除體更新的工件是“加工中工件”。
[0035]銑削的仿真需要對(duì)由于各個(gè)工具移動(dòng)而被銑削工具去除的材料進(jìn)行精確建模。因此，需要確定去除體或者去除體的精確幾何表不。
[0036]目前，生成工具路徑信息的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)/計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)系統(tǒng)采用幾何和體積分析以選擇仿真的參數(shù)。假設(shè)平均銑削力與任何特定瞬間的材料去除率(MRR)成比例。將去除體除以銑削工具的刃通過(guò)頻率，以確定各個(gè)工具移動(dòng)的平均MRR，其中刃通過(guò)頻率是刃與工件接合的頻率，并且是通過(guò)將銑削工具的刃的數(shù)量與主軸速度相乘來(lái)獲得的。
[0037]利用從去除體確定的MRR來(lái)分析平均銑削力，銑削材料所需的電力與MRR成比例。還可使用去除單位體積的材料所消耗的主軸電力和特定能量以便增加機(jī)械加工的性能。除了計(jì)算去除體以外，還可計(jì)算去除體的其它幾何屬性(例如，質(zhì)量、質(zhì)心、表面積、慣性矩、長(zhǎng)度、寬度和厚度)以用于處理分析。去除體的慣性矩用于估計(jì)由銑削工具對(duì)工件施加的應(yīng)力，并且稍后估計(jì)機(jī)械加工表面上留下的殘留應(yīng)力。
[0038]對(duì)于許多幾何應(yīng)用而言立體的體積計(jì)算是基本的。Lee和Requicha在“Algorithms for computing the volume and other integral properties of solids.1.Known methods and open issues”(Communicat1ns of the ACM, 1982)中描述了體積計(jì)算的重要性和挑戰(zhàn)的綜述。由于自由曲面的存在，確定沿著工具路徑的銑削工具去除立體的準(zhǔn)確時(shí)刻和體積非常困難。因此，目前如“ACIS Geometric Modeler:User Guidev20.0”(2009, Spatial Corporat1n)中所描述的，由市售軟件通過(guò)首先評(píng)價(jià)并嵌合(tessellate)表面并計(jì)算所嵌合的物體的體積來(lái)計(jì)算體積。
[0039]用于體積計(jì)算的另一常見(jiàn)方法是利用發(fā)散定理將體積積分轉(zhuǎn)換為面積分。Gonzalez-Ochoa、McCammon 和 Peters 在 “Computing moments of objects enclosed bypiecewise polynomial surfaces，，(Journal ACM Transact1ns on Graphics, 1998)中描述了這種方法。多面體近似指示，經(jīng)由多面體近似的彎曲物體的積分屬性的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)可能需要使用具有大量面的多面體。使用數(shù)值積分技術(shù)來(lái)評(píng)價(jià)給定多面體近似的面積分。然而，一個(gè)主要限制是為了保證結(jié)果的精度的嵌合水平。
[0040]利用規(guī)則或八叉樹(shù)細(xì)分的蜂窩近似與基于體素的表示有關(guān)，這些方法的精度和存儲(chǔ)器受到用于表示去除體的最小體素的尺寸的限制。例如，如Peters和Nasri 在“Computing Volumes of Sol ids Enclosed by Recursive Subdivis1nSurfaces" (EUR0GRAPHICS1997)中描述的，一個(gè)方法使用遞歸細(xì)分表面。該方法通過(guò)估計(jì)異常點(diǎn)附近的局部凸包的體積來(lái)計(jì)算體積。然而，隱形式、顯形式或參數(shù)形式的閉式表示并非總是可用的，特別是在NC銑削的情況下。
[0041]針對(duì)由NURBS(非均勻有理B樣條)表面表示的立體，多種方法利用GPU(圖形處理單元)確定立體的幾何屬性。那些方法包括Kim、Kim、Ko和Terzopoulos在“Fast GPU computat1n of the mass properties of a general shape and itsapplicat1n to buoyancy simulat1n，， (The Visual Computer:1nternat1nal Journalof Computer Graphics, 2006)中描述的方法以及 Krishnamurthy 和 McMains 在“AccurateGPU-accelerated surface integrals for moment computat1n，，(Computer Aided DesignJournal, 2011)中描述的方法。盡管NURBS表面用于具有微分屬性的平滑連續(xù)性的高自由度建模，所使用的布爾運(yùn)算針對(duì)NC銑削仿真系統(tǒng)沒(méi)有提供精確結(jié)果。
[0042]因此，需要一種用于對(duì)通過(guò)工具對(duì)工件的機(jī)械加工進(jìn)行仿真的確定并分析去除體的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0043]本發(fā)明的各種實(shí)施方式的一個(gè)目的是提供一種在對(duì)通過(guò)工具對(duì)工件的機(jī)械加工進(jìn)行仿真期間確定工具去除的去除體的系統(tǒng)和方法。一些實(shí)施方式的另一目的是確定去除體的幾何屬性。一些實(shí)施方式的另一目的是確定適合用于沿著任意工具路徑移動(dòng)的任意工具的去除體。
[0044]—些實(shí)施方式的另一目的是提供一種確定并分析將用在微細(xì)銑削的仿真中的去除體的系統(tǒng)和方法，其成為用于制造微細(xì)機(jī)械部件以及包括寬范圍的材料的微細(xì)特征的組件的建立處理。極需要分析微細(xì)銑削中的切屑形成，因?yàn)殂娤鞯母鞣N條件的變化導(dǎo)致去除切屑的寬度、厚度、長(zhǎng)度和體積的變化。
[0045]本發(fā)明的各種實(shí)施方式基于這樣的認(rèn)識(shí):在機(jī)械加工仿真期間生成的掃掠體對(duì)應(yīng)于最大潛在去除體。因此，為了確定實(shí)際去除體，各種實(shí)施方式測(cè)試限定的空間，例如，掃掠體內(nèi)部的空間。在一些實(shí)施方式中，內(nèi)部空間包括掃掠體的輪廓(silhouette)。例如，本發(fā)明的一些實(shí)施方式將一組射線(xiàn)填充到掃掠體內(nèi)部的空間，并且基于射線(xiàn)與工件的交叉來(lái)確定去除體。
[0046]因此，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式公開(kāi)了一種對(duì)通過(guò)工具對(duì)工件的機(jī)械加工進(jìn)行仿真的方法。該方法包括以下步驟:利用一組射線(xiàn)填充表示所述工具關(guān)于所述工件的運(yùn)動(dòng)的掃掠體；以及基于至少一些射線(xiàn)與所述工件的交叉來(lái)確定通過(guò)所述掃掠體從所述工件去除的去除體?；谌コw修正所述工件的模型。所述方法的步驟由處理器執(zhí)行。
[0047]另一實(shí)施方式公開(kāi)了一種對(duì)通過(guò)工具對(duì)工件的機(jī)械加工進(jìn)行仿真的方法，其中，所述工件由工件距離場(chǎng)表示，所述工具由工具距離場(chǎng)表示，所述工具相對(duì)于所述工件的運(yùn)動(dòng)由掃掠體距離場(chǎng)表示。所述方法包括以下步驟:在所述掃掠體內(nèi)投射一組射線(xiàn)；基于致使所述掃掠體距離場(chǎng)和所述工件距離場(chǎng)的對(duì)應(yīng)零值的至少一些射線(xiàn)上的點(diǎn)來(lái)確定所述射線(xiàn)的內(nèi)部線(xiàn)段；以及將所述內(nèi)部線(xiàn)段組合以確定去除體。所述方法的步驟由處理器執(zhí)行。
[0048]另一實(shí)施方式公開(kāi)了一種對(duì)通過(guò)工具對(duì)工件的機(jī)械加工進(jìn)行仿真的系統(tǒng)，其中，所述工件由工件距離場(chǎng)表示，所述工具由工具距離場(chǎng)表示，所述工具相對(duì)于所述工件的運(yùn)動(dòng)由掃掠體距離場(chǎng)表示。所述系統(tǒng)包括處理器，該處理器在所述掃掠體內(nèi)部的空間中投射一組射線(xiàn)，并基于致使所述掃掠體距離場(chǎng)和所述工件距離場(chǎng)的零值的至少一些射線(xiàn)上的點(diǎn)來(lái)確定去除體。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0049]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的NC銑床以及用于對(duì)NC銑削進(jìn)行仿真的系統(tǒng)和方法的流程圖；
[0050]圖2A是用于銑削的典型工具以及通過(guò)沿著路徑移動(dòng)這些工具而制成的工件中的典型編輯的示圖；
[0051]圖2B是通過(guò)沿著彎曲路徑掃掠2D形狀而確定的掃掠體的示意圖；
[0052]圖3A是工具的直線(xiàn)路徑的示意圖。圖3B是工具的弧形路徑的示圖，其中工具軸線(xiàn)沿著該路徑改變；
[0053]圖3C是工具的彎曲路徑的示意圖；
[0054]圖4A是在連續(xù)工具實(shí)例之間創(chuàng)建掃掠體的示圖；
[0055]圖4B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的在銑削工具與加工中工件之間確定去除體的方法的示圖；
[0056]圖4C是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的對(duì)通過(guò)工具對(duì)工件的機(jī)械加工進(jìn)行仿真的方法的框圖；
[0057]圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的利用一組G代碼或NC機(jī)器指令利用工具形狀對(duì)工件的銑削進(jìn)行仿真的方法的流程圖；
[0058]圖6是在樣本點(diǎn)處重構(gòu)掃掠體的距離場(chǎng)的方法的流程圖；
[0059]圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的確定去除體及其幾何屬性的方法的流程圖；
[0060]圖8A至圖SC是平端銑削工具的路徑片段的示圖以及根據(jù)例示采樣模式填充有射線(xiàn)的掃掠體的俯視圖；
[0061]圖9A是工件以及沿著工具路徑移動(dòng)的平端銑削工具的示圖；
[0062]圖9B是與工具路徑片段對(duì)應(yīng)的掃掠體邊界內(nèi)的采樣射線(xiàn)的示圖；
[0063]圖9C是示出由平端銑削工具執(zhí)行的切削的狀態(tài)的加工中工件和工具實(shí)例的示圖；
[0064]圖9D是與圖9C對(duì)應(yīng)的橫截面的俯視圖；
[0065]圖1OA是射線(xiàn)與工件邊界交叉的二維示意圖；以及
[0066]圖1OB是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的基于與工件交叉的掃掠體的距離場(chǎng)表示來(lái)確定內(nèi)部線(xiàn)段的方法的框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0067]系統(tǒng)和方法概述
[0068]圖1示出NC銑削系統(tǒng)100和數(shù)控(NC)銑削仿真系統(tǒng)150。在NC銑削系統(tǒng)100中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型102被輸入至計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)系統(tǒng)104，該CAM系統(tǒng)104生成用于控制NC銑床的G代碼106。在NC銑削期間，G代碼被輸入至NC銑削輸入接口 108，該NC銑削輸入接口 108處理各個(gè)G代碼以生成對(duì)應(yīng)的一組NC機(jī)器指令110。NC機(jī)器指令被輸入至NC控制器112，該NC控制器112生成一組電機(jī)控制信號(hào)114以使工具116相對(duì)于工件118移動(dòng)以便銑削工件。
[0069]仿真系統(tǒng)150可以由計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)104生成的G代碼106或者由NC控制臺(tái)108生成的NC機(jī)器指令110作為輸入。對(duì)仿真系統(tǒng)的輸入被計(jì)算機(jī)處理器152讀取，該計(jì)算機(jī)處理器152對(duì)工件的機(jī)械加工進(jìn)行仿真并輸出仿真模型154，該仿真模型154可被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器156中。處理器152可渲染所存儲(chǔ)的仿真模型154以生成渲染圖像158，該渲染圖像158可被輸出至顯示裝置160?？稍趫?zhí)行工件的實(shí)際NC銑削之前將顯示的圖像162與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型102進(jìn)行比較，以核實(shí)G代碼106或NC機(jī)器指令110。
[0070]工具
[0071]圖2A示出NC銑削中所使用的一組典型工具形狀202、204、206和208。當(dāng)工具相對(duì)于工件210移動(dòng)時(shí)，工具從工件去除材料。這里，工具202、204、206和208從工件去除與表面212、214、216和218對(duì)應(yīng)的材料。各個(gè)工具所去除的材料的形狀由工具形狀以及工具相對(duì)于工件的路徑來(lái)決定。所去除的材料的形狀是隨著工具沿著路徑移動(dòng)，工件與工具的掃掠體的交叉部分。
[0072]盡管這里專(zhuān)注于NC銑削仿真，但是掃掠體適用于科學(xué)、工程和計(jì)算機(jī)圖形(包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、自由設(shè)計(jì)、實(shí)體建模、機(jī)器人學(xué)、制造自動(dòng)化和可視化)的許多領(lǐng)域。
[0073]掃掠體
[0074]圖2B示出沿著路徑252移動(dòng)的工具的形狀250的掃掠體260。路徑252指定作為時(shí)間的函數(shù)的形狀250的特定點(diǎn)的位置。該路徑可指定作為時(shí)間的函數(shù)的形狀的取向256、257和258。該路徑還可指定作為時(shí)間的函數(shù)的形狀的比例或形狀的任意變換。在圖2B中，形狀250的原始位置、取向和幾何形狀隨著它沿著路徑移動(dòng)而被變換為形狀254的最終位置、取向和幾何形狀。
[0075]工具路徑
[0076]工具相對(duì)于工件的路徑可按照許多形式來(lái)指定。
[0077]圖3A示出工具302沿著直線(xiàn)304移動(dòng)的直線(xiàn)路徑。
[0078]圖3B示出工具302的頂端310沿著圓弧312移動(dòng)的圓弧路徑，工具的原始軸向314變換為路徑的末端處的最終軸向316。
[0079]圖3C示出工具302的頂端310沿著曲線(xiàn)320移動(dòng)的彎曲路徑。
[0080]其它可能的路徑形式包括將工具定位于點(diǎn)，使工具沿著一系列線(xiàn)(稱(chēng)作折線(xiàn))移動(dòng)，使工具沿著螺旋或盤(pán)旋曲線(xiàn)移動(dòng)，使工具沿著諸如二次貝塞爾(Bezier)曲線(xiàn)或三次貝塞爾曲線(xiàn)的多項(xiàng)式曲線(xiàn)或者一系列多項(xiàng)式曲線(xiàn)(稱(chēng)作分段多項(xiàng)式曲線(xiàn))等移動(dòng)?？煽紤]能夠進(jìn)行仿真的任何形式的路徑，包括通過(guò)程序定義的路徑，例如受工件的形狀或材料組成影響的路徑。
[0081]去除體
[0082]圖4A至圖4C示出根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式的在機(jī)械加工仿真期間確定的去除體。
[0083]圖4A示出在仿真期間工具的路徑405。該路徑限定工具與工件之間的相對(duì)移動(dòng)。例如，開(kāi)始時(shí)間tS402處的工具從先前位置401沿著路徑405移動(dòng)至結(jié)束時(shí)間tE404處的下一位置403，從而得到掃掠體406。在各種實(shí)施方式中，路徑405可以是任何類(lèi)型(例如，直線(xiàn)或曲線(xiàn))。另外，工具的先前位置和下一位置可表示在仿真期間工具的整個(gè)路徑或者表示該路徑的片段。
[0084]圖4B示出通過(guò)執(zhí)行工件407和掃掠體406之間的正規(guī)化交叉408或正規(guī)化差運(yùn)算409來(lái)生成加工中工件411和去除體410的示例。正規(guī)化布爾運(yùn)算確保立體對(duì)總是組合以得到立體。
[0085]當(dāng)生成掃掠體406時(shí)，掃掠體與工件407的立體模型交叉，以獲得去除體410。實(shí)際上，還從工件的原始模型減去去除體，以獲得成品工件。
[0086]本發(fā)明的各種實(shí)施方式基于這樣的認(rèn)識(shí):掃掠體對(duì)應(yīng)于最大潛在去除體，因此為了確定實(shí)際去除體，實(shí)施方式測(cè)試限定的空間,例如掃掠體內(nèi)部的空間。例如,本發(fā)明的各種實(shí)施方式將一組射線(xiàn)填充到掃掠體內(nèi)部的空間，并且基于掃掠體內(nèi)部射線(xiàn)與工件的交叉來(lái)確定去除體。利用射線(xiàn)填充體積可利用各種計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)并根據(jù)各種采樣模式來(lái)實(shí)現(xiàn)，如下面更詳細(xì)地描述的。
[0087]圖4C示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的對(duì)通過(guò)工具對(duì)工件的機(jī)械加工進(jìn)行仿真的方法的框圖。該方法生成(430)表示工具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)的掃掠體435?？筛鶕?jù)為機(jī)械加工的仿真確定的路徑的片段420來(lái)對(duì)工具的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真。接下來(lái)，利用一組射線(xiàn)445填充(440)掃掠體。分析(450)射線(xiàn)與工件的交叉以確定工件內(nèi)部的射線(xiàn)線(xiàn)段455?；谥辽僖恍┥渚€(xiàn)與工件的交叉來(lái)確定(460)從工件去除的去除體465。例如，內(nèi)部的射線(xiàn)線(xiàn)段455形成去除體，可基于內(nèi)部線(xiàn)段的數(shù)量、內(nèi)部線(xiàn)段之間的距離以及內(nèi)部線(xiàn)段的對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度和厚度來(lái)確定所述去除體?；谒鲶w積修正(470)工件，從而對(duì)機(jī)械加工進(jìn)行仿真。所述方法的這些步驟由處理器421執(zhí)行。
[0088]隱式表示有利于確定給定點(diǎn)是否落在特定曲線(xiàn)或表面上。這促使使用距離場(chǎng)以及射線(xiàn)-表面交叉來(lái)確定去除體。另外，射線(xiàn)投射的使用允許計(jì)算沿著射線(xiàn)直至射線(xiàn)與表面交叉的各個(gè)點(diǎn)的距離。特別是，距離場(chǎng)通過(guò)其符號(hào)信息來(lái)區(qū)分所述點(diǎn)是否在掃掠體內(nèi)。在一些實(shí)施方式中，體積由沿著工具路徑的連續(xù)幾何表面來(lái)表示。然而，表面的采樣可能困難，特別是當(dāng)體積的橫截面隨著運(yùn)動(dòng)突然改變時(shí)。替代地，使用低維幾何實(shí)體(即，由射線(xiàn)表示的線(xiàn))來(lái)形成去除體，因此避免了表面的采樣。
[0089]盡管本文中使用NC銑削仿真作為示例，但是確定掃掠體和去除體的量發(fā)生在運(yùn)動(dòng)學(xué)、制造、機(jī)器人學(xué)、設(shè)計(jì)和工效學(xué)的各種問(wèn)題中。一些特定實(shí)際應(yīng)用包括計(jì)算去除體的量以便調(diào)節(jié)諸如速度和電壓值的工藝參數(shù)以投入放電加工(EDM)工藝。
[0090]沿著路徑移動(dòng)的工具所掃掠的體積確定形狀的工作空間。該工作空間(也稱(chēng)作可達(dá)空間)對(duì)于機(jī)器人而言很重要，并且限定機(jī)器人可到達(dá)的所有地方。例如，可在機(jī)器人學(xué)、設(shè)計(jì)和工效學(xué)中使用工作空間分析來(lái)計(jì)算潛在沖突和干涉的量。當(dāng)前描述適用于需要或期望掃掠體的準(zhǔn)確表示的所有領(lǐng)域，本發(fā)明的范圍不受銑削應(yīng)用的限制。
[0091]銑削仿真
[0092]圖5示出利用仿真處理器500通過(guò)工具形狀對(duì)工件的銑削進(jìn)行仿真，將銑削的工件的表示存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器540中，并利用渲染處理器560為顯示裝置580渲染銑削的工件的表示的方法。提供銑削的仿真僅是為了示意性目的。各種實(shí)施方式使用各種類(lèi)型的機(jī)械加工仿真，例如鉆孔、銑削等。工件可以是經(jīng)受仿真的任何物體。
[0093]使用工件的形狀以及從一組距離場(chǎng)504重構(gòu)復(fù)合距離場(chǎng)的方法來(lái)生成復(fù)合ADF544，該復(fù)合ADF544可被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器540中。工件形狀由工件幾何形狀502指定，工件幾何形狀502包括一組幾何元素。
[0094]工件幾何形狀的各個(gè)幾何元素被轉(zhuǎn)換為指定一組幾何元素距離場(chǎng)的距離場(chǎng)表示。各個(gè)幾何元素距離場(chǎng)可被表示為解析距離函數(shù)、隱距離函數(shù)、規(guī)則采樣的距離場(chǎng)、ADF、距離函數(shù)的合成或者程序等等中的一個(gè)。
[0095]在一個(gè)實(shí)施方式中，復(fù)合ADF作為八叉樹(shù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，所述八叉樹(shù)是從根單元開(kāi)始以自上而下的方式圍住工件形狀的包圍框而生成的。將工件幾何形狀502中的各個(gè)特定幾何元素的距離場(chǎng)表示添加到距離場(chǎng)受該特定幾何元素影響的復(fù)合ADF的葉單元。在渲染和處理期間，可在采樣點(diǎn)處利用復(fù)合距離場(chǎng)重構(gòu)方法504通過(guò)組合葉單元內(nèi)的距離場(chǎng)來(lái)重構(gòu)特定葉單元的距離場(chǎng)。
[0096]各種組合方法是可能的，并且是本領(lǐng)域中已知的。在一個(gè)實(shí)施方式中，所述組合使用布爾減算子來(lái)對(duì)按照工具所掃掠的體積從工件去除材料進(jìn)行仿真。
[0097]在ADF生成期間，包含指定最大數(shù)量以上的距離場(chǎng)的葉單元被細(xì)分以限制各個(gè)葉單元內(nèi)的距離場(chǎng)的復(fù)雜度。因此，復(fù)合ADF被詳細(xì)定向；較大的單元出現(xiàn)在工件的受較少距離場(chǎng)的影響的區(qū)域中，較小的單元出現(xiàn)在工件的受許多距離場(chǎng)的影響的區(qū)域中。
[0098]銑削仿真方法從工具形狀508限定(510)形狀距離場(chǎng)512，其中形狀距離場(chǎng)512可以是解析距離函數(shù)、隱距離函數(shù)、規(guī)則采樣的距離場(chǎng)、ADF、距離函數(shù)的合成或者程序等等中的一個(gè)。
[0099]使用NC機(jī)器指令514 (或者另選地，G代碼516)來(lái)限定與工具的運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的參數(shù)路徑函數(shù)520。對(duì)于各個(gè)工具運(yùn)動(dòng)，使用形狀距離場(chǎng)512和參數(shù)路徑函數(shù)520來(lái)限定(522)表示與工具運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的工具的掃掠體的掃掠體距離場(chǎng)524。
[0100]利用掃掠體距離場(chǎng)524編輯(526)復(fù)合ADF544，以對(duì)利用工具運(yùn)動(dòng)的工件的銑削進(jìn)行仿真。在編輯期間，將掃掠體距離場(chǎng)添加到被工具的掃掠體橫切的復(fù)合ADF的單元，從而導(dǎo)致橫切的單元內(nèi)的ADF的再生。
[0101]可使用復(fù)合ADF來(lái)生成(562)由渲染模型元素組成的渲染模型564，并且為顯示裝置580渲染(566)所述復(fù)合ADF?？墒褂帽绢I(lǐng)域已知的渲染方法(例如，點(diǎn)渲染、三角渲染和射線(xiàn)跟蹤)來(lái)生成并渲染所述渲染模型564。
[0102]在物理仿真中距離場(chǎng)有眾多優(yōu)點(diǎn)。銑削仿真的另選實(shí)施方式使用距離場(chǎng)來(lái)核實(shí)NC銑削工藝。例如，可將由銑削仿真器500生成的復(fù)合ADF544與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型102的距離場(chǎng)表示進(jìn)行比較。所述比較可利用顯示裝置580通過(guò)視覺(jué)檢查來(lái)進(jìn)行。
[0103]重構(gòu)掃掠體的距離場(chǎng)
[0104]圖6示出利用處理器600在仿真的樣本時(shí)刻重構(gòu)掃掠體的距離場(chǎng)的方法。形狀距離場(chǎng)604和參數(shù)路徑函數(shù)606如上所述指定工具和工具運(yùn)動(dòng)。給定樣本點(diǎn)602，掃掠體重構(gòu)方法610確定該樣本點(diǎn)602處的距離數(shù)據(jù)以重構(gòu)該樣本點(diǎn)處的距離場(chǎng)。該方法可按照“連續(xù)方式”確定(612)工具沿著路徑的最優(yōu)設(shè)置。
[0105]在確定一組最優(yōu)參數(shù)(612)期間，選擇限定工具形狀沿著路徑的初始設(shè)置的一組初始參數(shù)。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)單個(gè)參數(shù)t來(lái)將路徑參數(shù)化(該參數(shù)t對(duì)應(yīng)于工具沿著路徑行進(jìn)的時(shí)間)，并選擇(614) t的初始值。變換(616)形狀距離場(chǎng)以在時(shí)間t沿著路徑設(shè)置工具形狀，并且在樣本點(diǎn)602處重構(gòu)(618)形狀距離場(chǎng)。
[0106]在樣本點(diǎn)處重構(gòu)的距離數(shù)據(jù)可包括從樣本點(diǎn)到變換的形狀的距離、距離場(chǎng)的梯度以及距離場(chǎng)的偏導(dǎo)數(shù)等。
[0107]使用重構(gòu)的距離來(lái)迭代地修正(620)參數(shù)值t，以使形狀沿著路徑移動(dòng)至更靠近采樣點(diǎn)的設(shè)置。所述修正可按照連續(xù)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，即，在改進(jìn)沿著路徑的形狀的位置的方向上按照任意量來(lái)迭代地修正參數(shù)t (而非通過(guò)從一組預(yù)定義的離散值選擇t)。所述修正被迭代，直至確定最優(yōu)t，直至迭代之間t的改變低于t的一些微小改變，或者裝置已進(jìn)行了最大數(shù)量的迭代。一旦確定最優(yōu)t，將形狀變換(630)為對(duì)應(yīng)的最優(yōu)設(shè)置，并且從變換的形狀重構(gòu)(640)距離數(shù)據(jù)以確定(610)樣本點(diǎn)602處的距離數(shù)據(jù)。
[0108]可使用距離場(chǎng)來(lái)測(cè)量通過(guò)各個(gè)工具運(yùn)動(dòng)去除的材料的特定幾何屬性和物理屬性。在本發(fā)明中，對(duì)于特定工具運(yùn)動(dòng)，與沿著工具路徑的特定工具實(shí)例對(duì)應(yīng)地確定接合面(是工具與加工中工件之間的交叉部)。
[0109]去除體的分析
[0110]圖7示出利用基于復(fù)合ADF的銑削仿真來(lái)確定并分析沿著工具路徑移動(dòng)的工具所去除的材料的體積的方法700的流程圖。將工件模型701、工具形狀702和工具路徑710輸入給所述方法。生成(720)復(fù)合ADF以重構(gòu)初始工件。檢查(722)工具路徑索引721以確定當(dāng)前工具實(shí)例是否為工具路徑的最終實(shí)例以完成(719)仿真。否則，利用采樣模式724，利用射線(xiàn)725填充或采樣掃掠體723的子集。
[0111]在一些實(shí)施方式中，工件由包括限定工件的表面的物體距離場(chǎng)的工件模型表示，工具由包括限定工具的表面的工具距離場(chǎng)的工具模型表示，運(yùn)動(dòng)由包括限定掃掠體的表面的掃掠體距離場(chǎng)的至少一個(gè)掃掠體表示,并且路徑由參數(shù)函數(shù)表示。
[0112]通過(guò)掃掠體距離場(chǎng)以連續(xù)方式生成掃掠體。利用一組射線(xiàn)對(duì)與路徑片段對(duì)應(yīng)的當(dāng)前掃掠體進(jìn)行采樣(725)。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)取先前工具實(shí)例與掃掠體的布爾差來(lái)修正掃掠體。
[0113]與工件交叉(726)的射線(xiàn)參與去除體727的形成。具體地講，根據(jù)交叉測(cè)試按照工件來(lái)修剪射線(xiàn)，以確定形成去除體的內(nèi)部線(xiàn)段。射線(xiàn)的內(nèi)部線(xiàn)段具有對(duì)應(yīng)厚度和長(zhǎng)度，并且可被組合以對(duì)去除體進(jìn)行近似。在一些實(shí)施方式中，處理(728)內(nèi)部線(xiàn)段的收集，以確定通過(guò)特定工具運(yùn)動(dòng)去除的材料的各種屬性(例如，其質(zhì)量、體積、質(zhì)心、寬度、厚度、長(zhǎng)度、慣性張量或慣性矩)。這些屬性可通過(guò)確定去除體的邊界來(lái)評(píng)價(jià)。
[0114]對(duì)于一般銑削情況，給定工具路徑片段的各個(gè)去除體可由多個(gè)體積元素組成。例如，可從這些內(nèi)部線(xiàn)段提取去除體的邊界以計(jì)算面積分和慣性矩?？苫趦?nèi)部線(xiàn)段的長(zhǎng)度(例如，基于最大長(zhǎng)度)來(lái)確定去除體的長(zhǎng)度?？苫趦?nèi)部線(xiàn)段的切片的寬度來(lái)確定去除體的寬度。所去除的材料的體積及其寬度、厚度和長(zhǎng)度影響工具磨損，其繼而顯著影響表面粗糙度。
[0115]在確定各個(gè)工具路徑片段的去除體之后，利用掃掠體距離場(chǎng)729編輯(730)復(fù)合ADF720以對(duì)利用工具運(yùn)動(dòng)的工件的銑削進(jìn)行仿真。在編輯期間，通過(guò)掃掠體距離場(chǎng)更新初始工件720以獲得加工中工件730。
[0116]圖8A示出平面中的線(xiàn)性工具路徑803，其中開(kāi)始時(shí)間tS801處的銑削工具800從初始位置移動(dòng)至結(jié)束時(shí)間805處的最終位置804。圖8B示出與平端銑削工具和圖8A中的工具路徑對(duì)應(yīng)的掃掠體的俯視圖。
[0117]通常，通過(guò)工具的剛性運(yùn)動(dòng)掃過(guò)的區(qū)域可被解釋為被先前掃掠實(shí)例和下一掃掠實(shí)例處的工具的邊界以及工具的輪廓邊緣在掃掠方向上掃過(guò)的表面圍住。去除體可被包括在通過(guò)取先前位置的工具的體積與掃掠體的布爾差而獲得的掃掠體的子集中。因此，在一個(gè)實(shí)施方式中，僅通過(guò)射線(xiàn)對(duì)體積的該子集進(jìn)行采樣，從而增加了計(jì)算效率。
[0118]圖8C示出根據(jù)各種實(shí)施方式的用于填充掃掠體的各種采樣模式724。例如，采樣模式可包括笛卡爾坐標(biāo)系中的一組規(guī)則間隔開(kāi)的射線(xiàn)811，其中所述射線(xiàn)在垂直于工具路徑矢量的軸上均等地間隔開(kāi)。所述射線(xiàn)還可沿著工具路徑矢量在工具路徑的長(zhǎng)度上均等地間隔開(kāi)(812)。另選地，所述射線(xiàn)可在柱坐標(biāo)系中描述，其中，射線(xiàn)813等角度地間隔開(kāi)。另一采樣模式814可將射線(xiàn)設(shè)置為源自等角度地設(shè)置的點(diǎn)并指向工具路徑的方向。
[0119]圖9A示出對(duì)在順時(shí)針?lè)较?02上旋轉(zhuǎn)的平端銑削工具901進(jìn)行仿真的實(shí)施方式。工具901沿著直線(xiàn)工具路徑903移動(dòng)，并從工件900移除一些材料。圖9B示出掃掠體以及該體積內(nèi)的采樣的射線(xiàn)905。圖9C示出加工中工件906和工具904的最終實(shí)例。掃掠體內(nèi)的采樣的射線(xiàn)905與加工中工件交叉并按照該加工中工件被修剪。在根據(jù)交叉測(cè)試確定處于工件內(nèi)部的射線(xiàn)的內(nèi)部線(xiàn)段之后，將具有特定厚度和高度的更新的射線(xiàn)線(xiàn)段合計(jì)以構(gòu)成去除體。
[0120]對(duì)于銑削的深度值907和908的給定深度，加工中工件910和920的橫截面分別示出在圖9D中。對(duì)于切削值的給定深度，示出與去除體的切片對(duì)應(yīng)的內(nèi)部線(xiàn)段912和922。盡管針對(duì)該工具和工件的去除體為單片，但是去除體切片922具有斷開(kāi)的片。
[0121]根據(jù)銑削工具和工具路徑的形狀，采樣模式可具有一定脆弱性和強(qiáng)度。例如，笛卡爾坐標(biāo)系(其中射線(xiàn)在工具路徑矢量的長(zhǎng)度上均等地間隔開(kāi))中平端銑削工具的掃掠體的采樣對(duì)靠近掃掠體的末端的區(qū)域欠采樣。一個(gè)實(shí)施方式投射源自沿著工具路徑方向上等角度地設(shè)置的點(diǎn)的射線(xiàn)，以準(zhǔn)確地表示去除體。根據(jù)此實(shí)施方式，射線(xiàn)更均勻地分布。
[0122]本發(fā)明的另選實(shí)施方式利用自交叉來(lái)確定掃掠體。例如，當(dāng)工具半徑大于圓形路徑半徑時(shí)，在掃掠體內(nèi)發(fā)生自交叉。可針對(duì)這些特殊情況修正所述方法，以對(duì)自交叉不規(guī)則掃掠體內(nèi)的射線(xiàn)采樣。
[0123]射線(xiàn)的交叉
[0124]圖1OA示出射線(xiàn)與工件的復(fù)合ADF的單元的邊界交叉的二維(2D)圖示。例如，射線(xiàn)1008源自點(diǎn)1009，在掃掠體的邊界1017內(nèi)沿直線(xiàn)傳播。射線(xiàn)在點(diǎn)1013處到達(dá)掃掠體的邊界并在點(diǎn)1011處與工件的邊界1002交叉。通過(guò)掃掠體的邊界修正工件的邊界，以更新表面1002并形成加工中工件1000。交點(diǎn)之間的射線(xiàn)線(xiàn)段1060是射線(xiàn)的內(nèi)部線(xiàn)段。在一些實(shí)施方式中，基于射線(xiàn)的各種點(diǎn)處的距離場(chǎng)的值來(lái)確定交點(diǎn)。
[0125]射線(xiàn)與掃掠體的邊界的交點(diǎn)通過(guò)致使掃掠體的距離場(chǎng)的零值的值來(lái)標(biāo)識(shí)(即，d(R(s)) =0)。類(lèi)似地，射線(xiàn)與工件的邊界的交點(diǎn)通過(guò)工件的距離場(chǎng)的零值來(lái)標(biāo)識(shí)。交點(diǎn)的確定的問(wèn)題可被公式化為求根問(wèn)題。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式通過(guò)解析方法確定交叉。另一實(shí)施方式使用迭代程序(例如，牛頓法和/或試位法)來(lái)確定射線(xiàn)與掃掠體的邊界或工件的邊界之間的交點(diǎn)。另一實(shí)施方式使用球體投射來(lái)確定交點(diǎn)。
[0126]圖1OB是基于與工件交叉的掃掠體的距離場(chǎng)的表示來(lái)確定內(nèi)部線(xiàn)段的方法的框圖。對(duì)應(yīng)的距離場(chǎng)1051和射線(xiàn)集合1055被輸入給該方法。
[0127]來(lái)自所述射線(xiàn)集合的各個(gè)射線(xiàn)1052通過(guò)原點(diǎn)和傳播方向來(lái)標(biāo)識(shí)。確定(1054)所述射線(xiàn)集合，使得射線(xiàn)在掃掠體的內(nèi)部并且基本上填充掃掠體的整個(gè)空間。在一些實(shí)施方式中，基于采樣模式確定所述射線(xiàn)集合。
[0128]對(duì)于射線(xiàn)集合中的各個(gè)射線(xiàn)1052，實(shí)施方式使用上述解析和/或迭代方法來(lái)確定(1070)射線(xiàn)與邊界1051之間的一組交點(diǎn)1075。所述點(diǎn)可被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器1061中?；谒鼋稽c(diǎn)確定(1080)內(nèi)部線(xiàn)段，并且可利用描述去除體1059的表面的距離場(chǎng)1085來(lái)表示所述內(nèi)部線(xiàn)段。例如，可基于致使掃掠體的距離場(chǎng)和工件的距離場(chǎng)的對(duì)應(yīng)零值的射線(xiàn)的一對(duì)點(diǎn)來(lái)確定內(nèi)部線(xiàn)段。在射線(xiàn)集合中的所有射線(xiàn)均被處理之后，確定去除體。
[0129]操作環(huán)境
[0130]本發(fā)明的各種實(shí)施方式可通過(guò)眾多通用或?qū)Ｓ糜?jì)算系統(tǒng)環(huán)境或配置來(lái)操作。適用于本發(fā)明的熟知的計(jì)算系統(tǒng)、環(huán)境和/或配置的示例包括(但不限于)個(gè)人計(jì)算機(jī)、月艮務(wù)器計(jì)算機(jī)、手持或膝上型裝置、多處理器或多核系統(tǒng)、圖形處理單元(GPU)、專(zhuān)用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)、基于微控制器的系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)PC、大型計(jì)算機(jī)、包括任何上述系統(tǒng)或裝置(即，通常包括處理器)的分布式計(jì)算環(huán)境等。
[0131]例如，實(shí)施方式可利用硬件、軟件或其組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)以軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，軟件代碼可在任何合適的處理器或處理器的集合(無(wú)論是設(shè)置在單個(gè)計(jì)算機(jī)中還是分布在多個(gè)計(jì)算機(jī)之間)上執(zhí)行。這些處理器可被實(shí)現(xiàn)為集成電路，集成電路部件中具有一個(gè)或更多個(gè)處理器。但是，處理器可利用任何合適格式的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。監(jiān)視器或其它類(lèi)型的顯示裝置160連接到任何上述系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的可視化162。
[0132]另外，應(yīng)該理解，計(jì)算機(jī)可按照多種形式中的任一種來(lái)具體實(shí)現(xiàn)，例如機(jī)架式計(jì)算機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)、膝上型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)或平板計(jì)算機(jī)。這些計(jì)算機(jī)可按照任何合適的形式通過(guò)一個(gè)或更多個(gè)網(wǎng)絡(luò)互連，包括局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)(例如，企業(yè)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng))。這些網(wǎng)絡(luò)可基于任何合適的技術(shù)，并可根據(jù)任何合適的協(xié)議來(lái)操作，并且可包括無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)或光纖網(wǎng)絡(luò)。
[0133]另外，本文中概述的各種方法或處理可編碼為軟件，該軟件可在采用各種操作系統(tǒng)或平臺(tái)中的任一個(gè)的一個(gè)或更多個(gè)處理器上執(zhí)行。另外，這種軟件可利用多種合適的編程語(yǔ)言和/或編程或腳本工具中的任一種來(lái)編寫(xiě)，并且還可被編譯為在主機(jī)或虛擬機(jī)上執(zhí)行的可執(zhí)行機(jī)器語(yǔ)言代碼或中間代碼。
[0134]在這一方面，本發(fā)明可具體實(shí)現(xiàn)為非瞬時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，例如計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器、緊湊盤(pán)(CD)、光盤(pán)、數(shù)字視頻盤(pán)(DVD)、磁帶和閃存。本文中在一般意義上使用術(shù)語(yǔ)“程序”或“軟件”來(lái)指代任何類(lèi)型的計(jì)算機(jī)代碼或計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令集，其可被采用以將計(jì)算機(jī)或其它處理器編程為實(shí)現(xiàn)如上所述的本發(fā)明的各個(gè)方面。
[0135]計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令可為許多形式，例如由一個(gè)或更多個(gè)計(jì)算機(jī)或其它裝置執(zhí)行的程序模塊。通常，程序模塊包括執(zhí)行特定任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)特定抽象數(shù)據(jù)類(lèi)型的例程、程序、對(duì)象、組件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通常，在各種實(shí)施方式中，程序模塊的功能可根據(jù)需要組合或分布。
[0136]另外，本發(fā)明的實(shí)施方式可具體實(shí)現(xiàn)為方法，已提供了所述方法的示例。作為方法的一部分執(zhí)行的行為可按照任何合適的方式排序。因此，實(shí)施方式可被構(gòu)造為按照與圖示順序不同的順序來(lái)執(zhí)行行為，這可包括即使一些行為在示意性實(shí)施方式中被示出為順序行為，也同時(shí)執(zhí)行所述行為。
【權(quán)利要求】
1.一種對(duì)通過(guò)工具對(duì)工件的機(jī)械加工進(jìn)行仿真的方法，該方法包括以下步驟: 利用一組射線(xiàn)填充表示所述工具關(guān)于所述工件的運(yùn)動(dòng)的掃掠體； 基于至少一些射線(xiàn)與所述工件的交叉來(lái)確定通過(guò)所述掃掠體從所述工件去除的去除體；以及 基于去除體來(lái)修正所述工件的模型，其中，所述方法的步驟是由處理器執(zhí)行的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括以下步驟: 針對(duì)所述工具的路徑的片段生成所述掃掠體，所述片段限定在仿真期間所述工具從所述工具的先前位置向下一位置的運(yùn)動(dòng)，該方法還包括以下步驟: 迭代地執(zhí)行所述方法的步驟，直至所述工具到達(dá)仿真的最終位置為止。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括以下步驟: 利用所述一組射線(xiàn)填充所述掃掠體內(nèi)部的空間，使得所述射線(xiàn)由所述掃掠體的輪廓約束； 確定至少一些射線(xiàn)與所述工件的交叉； 根據(jù)所述交叉修剪所述射線(xiàn)，以確定所述射線(xiàn)的內(nèi)部線(xiàn)段；以及 基于所述射線(xiàn)的所述內(nèi)部線(xiàn)段確定所述去除體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，該方法還包括以下步驟: 基于所述內(nèi)部線(xiàn)段的數(shù)量、所述內(nèi)部線(xiàn)段之間的距離、所述內(nèi)部線(xiàn)段的長(zhǎng)度以及所述內(nèi)部線(xiàn)段的厚度中的至少一些來(lái)確定所述去除體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括以下步驟: 確定所述去除體的幾何屬性。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括以下步驟: 基于所述去除體來(lái)確定通過(guò)所述運(yùn)動(dòng)去除的材料的屬性，其中，所述屬性包括所述材料的質(zhì)量、所述材料的體積、所述材料的質(zhì)心、所述材料的寬度、厚度、長(zhǎng)度以及所述材料的慣量中的至少一個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括以下步驟: 根據(jù)采樣模式利用所述一組射線(xiàn)填充所述掃掠體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括以下步驟: 在填充之前通過(guò)從所述掃掠體減去先前位置中的所述工具的體積來(lái)更新所述掃掠體。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述采樣模式包括笛卡爾坐標(biāo)系中的所述一組射線(xiàn)，使得所述射線(xiàn)在垂直于工具路徑矢量的軸上均等地間隔開(kāi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述采樣模式包括在柱坐標(biāo)系中等角度地間隔開(kāi)的所述一組射線(xiàn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述采樣模式包括等角度地間隔開(kāi)并指向所述工具的路徑的方向的所述一組射線(xiàn)。
12.—種對(duì)通過(guò)工具對(duì)工件的機(jī)械加工進(jìn)行仿真的方法，其中，所述工件是由工件距離場(chǎng)表示的，所述工具是由工具距離場(chǎng)表示的，并且所述工具相對(duì)于所述工件的運(yùn)動(dòng)是由掃掠體距離場(chǎng)表示的，所述方法包括以下步驟: 在所述掃掠體內(nèi)投射一組射線(xiàn)； 基于致使所述掃掠體距離場(chǎng)和所述工件距離場(chǎng)的對(duì)應(yīng)零值的至少一些射線(xiàn)上的點(diǎn)來(lái)確定所述射線(xiàn)的內(nèi)部線(xiàn)段；以及 將所述內(nèi)部線(xiàn)段組合以確定去除體，其中，所述方法的步驟是由處理器執(zhí)行的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，該方法還包括以下步驟: 確定所述去除體的幾何屬性。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，該方法還包括以下步驟: 基于所述去除體來(lái)確定通過(guò)所述工具的運(yùn)動(dòng)去除的材料的屬性。
15.一種對(duì)通過(guò)工具對(duì)工件的機(jī)械加工進(jìn)行仿真的系統(tǒng)，其中，所述工件是由工件距離場(chǎng)表示的，所述工具是由工具距離場(chǎng)表示的，并且所述工具相對(duì)于所述工件的運(yùn)動(dòng)是由掃掠體距離場(chǎng)表示的，所述系統(tǒng)包括: 處理器，該處理器在所述掃掠體內(nèi)部的空間中投射一組射線(xiàn)，并且基于致使所述掃掠體距離場(chǎng)和所述工件距離場(chǎng)的零值的至少一些射線(xiàn)上的點(diǎn)來(lái)確定去除體。
【文檔編號(hào)】G05B19/4069GK104204978SQ201380017553
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月28日
【發(fā)明者】H·埃爾迪姆, 阿蘭·蘇利文 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社