专利名称：基于压缩体素模型的环形刀空间扫描体构造方法
技术领域：
本发明涉及一种基于压缩体素模型的环形刀空间扫描体构造方法，主要应用于五坐标数控加工仿真和虚拟制造领域。
背景技术：
刀具扫描体构造是数控加工仿真技术的基础。两个刀位点之间的刀具空间扫描体由起、终点位置刀具和中间扫描体布尔并组成，中间扫描体是刀具空间扫描体构造的关键。一般情况下，文献中提到的刀具空间扫描体构造方法均为刀具中间扫描体构造方法。刀具空间扫描体按构造方式可划分为三类Blackmore的微分扫描体构造，K.K.Wang的多边形面构造和面向三轴数控仿真的特征线构造。
文献“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”介绍了一种微分构造方法，这种基于刀具表面绝对速度矢量和刀具表面法矢量方向的点积为0的规则(这里所指的刀具表面的绝对速度是忽略刀具绕主轴转动的其它各速度的合成量)，凡符合该规则的点均落在刀具扫描体表面上。微分构造从数学推导出发，可以精确地表示刀具空间扫描体，但是微分方程的求解较复杂并需要大量的计算。
文献“Wang W P，Wang K K.Geometric modeling and swept volume of moving solids.IEEE Computer Graphics Applic，1986，6(2)8-17”介绍了一种采用多边形面对刀具空间扫描体表面进行逼近，从而构造出刀具的扫描体。该方法不仅改善了计算机的执行效率，而且能进行五轴数控加工刀具空间扫描体的构造，但该方法将刀具空间扫描体和数控仿真工件转化为Z-Buffer表示形式，在图像空间进行NC仿真，观察方向变化时必须重新计算显示数据，仿真结果的三维信息计算困难。
文献“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”介绍了单参数刀具扫描体的构造方法。该方法基于起点处刀具底面与以移动方向为法矢量的平面的交线(称特征线)为计算基线，按照与起点处的距离，计算出扫描体面上的高度，该方法虽未在三维空间构造出扫描体，但有助于改善计算效率。
目前市场上的商品化数控加工仿真软件如Vericut、Hypermill和WorkNC等具有一个共同点，由于其工件模型的计算机内部表示形式的限制只能对工件模型在2.5D空间进行显示，观察方向变化后必须重新计算显示数据，不能满足复杂零件的五坐标数控加工仿真要求。
发明内容
为了克服现有技术计算量大、计算困难，只能对工件模型在2.5D空间进行显示的不足，本发明提供一种基于压缩体素模型的环形刀空间扫描体构造方法，可在三维空间进行环形刀的五坐标数控加工仿真，仿真结果三维信息完备；NC编程人员可从任意方向观察、验证仿真结果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于压缩体素模型的环形刀空间扫描体构造方法，包括下述步骤(1)输入五坐标NC加工轨迹和环形刀几何尺寸，确定相应圆环体和圆柱体尺寸，同时确定数控加工仿真工件模型尺寸，建立基于压缩体素模型的数控加工仿真工件模型；(2)构造第k个刀位点和第k+1个刀位点处的环形刀压缩体素模型；(3)根据以下公式计算圆环体表面在第k和k+1刀位点之间的临界曲线θ=tg-1(cosαe→2·R→·+sinαe→3·R→·rcosα|A→|-e→1·R→·)]]>θ是α(0≤α≤2π)的一个连续函数，在0≤θ≤2π范围内圆环体表面上可以得到两组扫描体临界曲线；对于圆环体空间扫描体的外表面有-π/2＜θ＜π/2，对于圆环体空间扫描体的内表面有π/2＜θ＜3π/2；再计算运动圆柱体表面在第k和k+1刀位点之间的临界曲线；(4)分别构造圆环体和圆柱体在第k和k+1刀位点之间的扫描体表面模型；(5)利用Ray Casting方法分别将圆环体和圆柱体空间扫描体表面模型进行离散，将其分别转化为压缩体素模型；(6)将第k个刀位点和第k+1个刀位点处的环形刀压缩体素模型和第k和k+1刀位点之间的圆环体、圆柱体扫描体压缩体素模型进行简化布尔加操作，得到环形刀在第k和k+1刀位点之间的空间扫描体压缩体素模型；(7)在数控加工仿真工件压缩体素模型和环形刀扫描体压缩体素模型之间进行布尔运算，进行NC数控加工仿真。
本发明的有益效果是由于采用压缩形式的体素模型表示数控加工仿真工件模型和环形刀空间扫描体模型，和体素模型相比，模型存储量小，布尔操作简单，并支持任意复杂零件的五坐标数控加工仿真；由于在三维空间构造环形刀扫描体和数控加工仿真工件模型的三维压缩体素模型，可在三维空间进行环形刀五坐标数控加工仿真；
由于在三维空间进行环形刀五坐标数控加工仿真，仿真结果三维信息完备，NC编程人员可从任意方向观察、验证仿真结果；由于利用Marching-Cubes方法生成仿真工件压缩体素模型的表面三角网格并进行显示，提高了仿真模型显示质量和系统显示速度。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是沿NC刀位轨迹运动的圆环体图中 为NC加工轨迹，0≤t≤1；a圆环体第二个半径；b为圆环体第一个半径；α0≤α≤2π；θ0≤θ≤2π图2是沿NC刀位轨迹运动的圆柱体图中 为NC刀位轨迹，0≤t≤1；l为刀具长度；u0≤u≤l；θ0≤θ≤2π；a为圆柱体半径。
图3是本发明的流程图具体实施方式
参照图1，本发明建立压缩体素模型数据结构，用于表示五坐标数控加工仿真过程中工件模型和环形刀空间扫描体模型，其数据结构简单，数据存贮量较小，可将三维物体之间的布尔运算转化为三个方向的一维布尔运算，简化仿真过程；根据环形刀几何尺寸和数控加工刀位轨迹，分别计算运动圆环体和计算运动圆柱体表面的临界曲线。若M(t)代表在某一时刻的刀具表面，则M(t)上的点可分为三类，即其绝对速度指向刀具体内的点M-(t)，绝对速度指向刀具体外的点M+(t)和绝对速度与刀具表面相切的点M0(t)，对某一时刻ti，M0(ti)构成的曲线称之为临界曲线。
运动圆环体表面临界曲线计算公式如下θ=tg-1(cosαe→2·R→·+sinαe→3·R→·rcosα|A→|-e→1·R→·)···(1)]]>运动圆柱体表面临界曲线计算公式如下θ(u,t)=tg-1(-e→2·R→(t)+u|A→|e→3·R→(t))···(2)]]>在(1)式和(2)式中运动坐标架 定义如下
e→1=A→]]>e→2=A→·|A→·|]]>e→3=e→1×e→2]]> 为刀轴单位矢量，由相邻两个刀位点的刀轴矢量 和 按角度线性插值确定。刀轴单位矢量 的计算公式如下A→=(cos(θρ*t)A→1A→1·A→2+sin(θρ*t)P→P→·P→)A→1·A→2]]>式中t为时间变量(0≤t≤1)， 根据(1)式和(2)中计算的临界曲线分别构造圆环体和圆柱体空间扫描体表面模型；利用Ray Casting方法分别将圆环体和圆柱体空间扫描体表面模型进行离散，将其转化为压缩体素模型；基于压缩体素模型的环形刀空间扫描体和数控加工仿真工件模型(压缩体素模型)进行简化布尔减运算，完成五坐标数控加工仿真；利用Marching-Cubes方法生成五坐标数控加工仿真工件模型的表面三角网格并进行显示，提高仿真模型显示质量和系统显示速度，编程人员可从空间任意方向观察和验证仿真结果，利用该方法可进行虚拟加工。
应用实施例环形刀(R1＝4，R2＝1)空间扫描体压缩体素模型构造及在某型压气机叶轮五坐标数控加工仿真中的应用。
该实施例在基于压缩体素模型的五坐标数控加工仿真系统中完成。系统由C++语言编写，并使用OpenGL、Inventor图形功能，用户界面由Viewkit生成。该系统安装于HP xw6000系统。
环形刀(R1＝4，R2＝1)空间扫描体压缩体素模型构造及应用过程如下(1)仿真工件模型构造根据某型压气机叶轮五坐标数控加工要求，确定仿真误差为0.05mm，由此得到压缩体素模型体素大小为0.25mm×0.25mm×0.25mm；根据该叶轮外形尺寸，构造数控加工仿真工件模型(压缩体素模型)；(2)输入NC刀具轨迹和刀具参数根据该叶轮加工要求，仿真过程中应用环形刀(R1＝4，R2＝1)，读入两个连续的五坐标数控加工刀位轨迹；(3)计算在两个刀位点处的环形刀压缩体素模型；(4)计算圆环体(R1＝3，R2＝1)和圆柱体(R＝4)在两个刀位点之间的临界曲线；
(5)构造圆环体(R1＝3，R2＝1)和圆柱体(R＝4)在两个刀位点之间的空间扫描体表面模型；(6)圆环体(R1＝3，R2＝1)和圆柱体(R＝4)空间扫描体表面模型离散，生成各自的压缩体素模型；(7)以上各个压缩体素模型进行布尔和运算，生成环形刀(R1＝4，R2＝1)在两个刀位点之间的空间扫描体压缩体素模型；(8)仿真工件模型和环形刀扫描体进行布尔减运算，进行五坐标数控加工仿真；(9)重复步骤(2)至(8)，完成该叶轮轮毂部分的五坐标数控加工仿真。
权利要求
1.一种基于压缩体素模型的环形刀空间扫描体构造方法，包括下述步骤(1)输入五坐标NC加工轨迹和环形刀几何尺寸，确定相应圆环体和圆柱体尺寸，同时确定数控加工仿真工件模型尺寸，建立基于压缩体素模型的数控加工仿真工件模型；(2)构造第k个刀位点和第k+1个刀位点处的环形刀压缩体素模型；(3)根据以下公式计算圆环体表面在第k和k+1刀位点之间的临界曲线θ=tg-1(cosαe→2·R→·+sinαe→3·R→·rcosα|A→|-e→1·R→·)]]>θ是α(0≤α≤2π)的一个连续函数，在0≤θ≤2π范围内圆环体表面上可以得到两组扫描体临界曲线；对于圆环体空间扫描体的外表面有-π/2＜θ＜π/2，对于圆环体空间扫描体的内表面有π/2＜θ＜3π/2；再计算运动圆柱体表面在第k和k+1刀位点之间的临界曲线；(4)分别构造圆环体和圆柱体在第k和k+1刀位点之间的扫描体表面模型；(5)利用Ray Casting方法分别将圆环体和圆柱体空间扫描体表面模型进行离散，将其分别转化为压缩体素模型；(6)将第k个刀位点和第k+1个刀位点处的环形刀压缩体素模型和第k和k+1刀位点之间的圆环体、圆柱体扫描体压缩体素模型进行简化布尔加操作，得到环形刀在第k和k+1刀位点之间的空间扫描体压缩体素模型；(7)在数控加工仿真工件压缩体素模型和环形刀扫描体压缩体素模型之间进行布尔运算，进行NC数控加工仿真。
全文摘要
本发明提出了一种基于压缩体素模型的环形刀空间扫描体构造方法。应用于五坐标数控加工仿真和虚拟制造领域。包括以下步骤首先根据圆环体和圆柱体空间扫描体数学表达式，构造出环形刀空间扫描体的表面模型，并离散为压缩体素模型，利用该模型可对数控加工仿真工件进行“加工”更新。和体素模型方法相比，其数据存贮量较小，将三维布尔运算转化为三个方向的一维布尔运算，简化了数控加工仿真过程；和Dexel方法相比，该方法可满足对复杂零件的五坐标数控加工仿真要求；采用该方法进行五坐标数控加工仿真，仿真结果三维信息完备，NC编程人员可以从任意方向观察、验证仿真结果。
文档编号G05B19/4097GK1752875SQ20051009627
公开日2006年3月29日 申请日期2005年11月1日 优先权日2005年11月1日
发明者侯增选 申请人:西北工业大学