CN103733223B - 用于确定对象模型的表面缺陷的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式公开了一种确定通过机械加工工艺的仿真从初始对象的模型生成的对象的模型的表面的缺陷的方法。所述方法基于所述表面的法向矢量来确定所述表面的取向和该取向的变化率，并且基于所述变化率和阈值来识别所述表面的所述缺陷。基于所述机械加工工艺来确定所述阈值。

Description

用于确定对象模型的表面缺陷的方法和系统

技术领域

本发明总体上涉及机械加工工艺的仿真，并且更具体地说，涉及从仿真期间渲染的对象模型识别对象的表面缺陷。

背景技术

数控机械加工

数控（NC）机械加工工艺的仿真在计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）中有着基础性的重要地位。在仿真期间，工件的计算机模型利用NC机械加工工具的计算机表示和一组NC机械加工工具运动来编辑以模拟机械加工工艺。工件模型和工具表示在仿真期间可以是可视的，以检测部件（诸如工件和工具夹具）之间的潜在碰撞，并且核实工件在仿真之后的最终形状。

工件的最终形状受工具的选择和工具运动的影响。用于控制这些运动的指令通常利用计算机辅助制造（CAM）系统从工件的期望的最终形状的图形表示生成。运动通常利用数控编程语言（也被称作预备代码（preparatory code）或G代码）实现，见以下标准RS274D和DIN66025/ISO6983。

CAM系统所生成的G代码可不产生期望的形状的准确复制。另外，NC工具的运动由NC机械加工系统的马达来支配，所述马达具有有限的速度、运动范围和加速和减速的能力，使得实际工具运动可不准确遵循NC机械加工指令。

工件的实际最终形状与工件的期望的最终形状之间的差异可非常小，并且难以觉察。在一些情况下，这些差异在工件的最终形状的表面中导致不期望的孔或裂纹，在尺寸上，所述孔或裂纹的深度和宽度大约为几微米并且长度为几十微米。

通常，在对期望的部件进行机械加工之前，通过对由较软、较便宜的材料制成的测试工件进行机械加工来测试一组NC机械加工指令。如果测试工件的目视检查定位到测试工件中的不期望的差异，则对应地修改NC机械加工指令。

然而，这种手工测试是耗时和昂贵的。对单个测试工件进行机械加工的时间可为大约几个小时，并且在获得合格的一组NC机械加工指令之前可能需要多次迭代。因此，期望的是，利用基于计算机的仿真和渲染来针对这些差异进行测试。基于计算机的仿真的示例在通过引用并入本文的美国专利申请No.12/495,588和No.12/468,607中有所描述。

NC机械加工的一项尤其重要的应用是制造模子和模具。模子和模具通过NC机械加工以相对低的数量制造，用于以后的大量制造中。因此，模子和模具中的缺陷可不期望地转移至制成的部件。模子和模具常常用于形成具有平滑的、变化缓慢的“自由形式”表面（具有高质量的空气动力的、触觉的或美观的光泽度）的部件。例如，现代牙刷是利用模子由塑料浇注的，并具有提供美观和触觉优点这二者的复杂的自由形式形状。类似地，用于冲压汽车车体面板的模具具有平滑的自由形式形状，所述平滑的自由形式形状可极大地影响气动阻力（aerodynamic drag）进而影响燃料效率，以及吸引消费者的车辆的美观外表。

用于冲压具有自由形式形状的大部件的模具的制造可非常耗时，这是因为其尺寸（几千毫米）和因为利用相对小的工具（大约几毫米）铣制自由形式表面，这需要大量（通常数百万条）机械加工指令。对于针对塑料部件的注射模子也存在同样的问题。模子通常较大，需要同时制造许多部件以改进制造效率。

NC机械加工仿真器能够在例如几千毫米的非常大的仿真部件中再现例如几十至几百微米的非常小的缺陷。找出这些小缺陷的问题非常具有挑战性。例如，人类操作员必须以非常精细的尺度辛苦地检查整个仿真的模子，这是耗时的并且容易出错。

一种方法通过分析机械加工工具路径来确定NC机械加工缺陷。具体地说，针对路径上的一点计算矢量，该矢量垂直于包含分别将所述点连接至前一点和后一点的两个矢量的平面。通过所述路径的曲率符号来确定相对于所述平面的一侧的法向矢量的取向。针对平滑表面，从连续点的法向矢量应该几乎平行于相同的曲率符号。然而，该方法仅限于工具路径中的局部变化所导致的缺陷，因为该方法仅考虑了机械加工路径上的连续点之间的关系，而未考虑由机械加工工具的相邻路径和/或表面上的相邻区域所导致的缺陷。

因此，需要从在NC机械加工工艺的仿真期间渲染的对象模型识别对象的表面缺陷。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种用于从对象模型识别对象的表面缺陷的方法。

本发明的另一目的在于提供将缺陷突出显示给用户的这样一种方法。

本发明的另一目的在于提供突出显示机械加工工艺仿真期间渲染的对象模型的表面缺陷的这样一种方法。

本发明的另一目的在于提供生成仿真表面上的可能缺陷区域的列表并将该列表呈现给用户的这样一种方法。

本发明的另一目的在于提供在不损害缺陷识别的质量的情况下减小存储器需求的这样一种方法。

本发明的实施方式基于对在对象和/或仿真期间渲染的对象模型的表面取向中反映出尖部角度与切削深度的相关性的认识。因此，表面取向，并且具体地说，取向的变化率，可用于确定对象模型的缺陷。例如，可识别出并且突出显示仿真表面的较不平滑的区域。

本发明的实施方式基于取向和表面取向的变化率来确定对象的表面缺陷。在各个实施方式中，基于表面的法向矢量来确定变化率，并且基于变化率和阈值来识别表面缺陷。

例如，一个实施方式公开了一种用于确定对象的表面由于施加于对象的机械加工工艺而导致的缺陷的方法，其中，通过机械加工工艺的仿真来从对象模型生成所述表面，所述方法包括以下步骤：确定表面的模型的各个像素处的表面的取向；针对表面的模型的各个像素确定表面取向的变化率；以及将变化率与至少一个阈值进行比较以识别表面缺陷。基于机械加工工艺确定所述阈值。

另一实施方式公开了一种用于确定对象的表面由于施加于对象的机械加工工艺而导致的缺陷的方法，其中，通过机械加工工艺的仿真从对象模型生成所述表面，所述方法包括以下步骤：确定表面的各个像素处的法向矢量；基于像素处的法向矢量与邻近像素处的法向矢量之间的差，来针对表面的各个像素确定表面取向的变化率，其中，表面缺陷通过变化率的值来识别；以及在显示器上突出显示所述缺陷。

另一实施方式公开了一种用于确定对象模型的表面缺陷的系统，该系统包括：通过机械加工工艺的仿真生成表面的单元；基于像素处的法向矢量在表面模型的各个像素处确定表面取向的单元；针对表面的模型的各个像素确定表面的取向的变化率的单元；以及将变化率与至少一个阈值进行比较以识别表面缺陷的单元。基于机械加工工艺确定所述阈值。

附图说明

图1A示出了用于在数控（NC）机械加工期间制造自由形式表面的球头铣刀；

图1B示出了由图1A的球头铣刀铣制的对象；

图2是由球头铣刀铣制的对象的侧视图；

图3是尖部角度与切削深度的相关性的曲线图；

图4是根据本发明的实施方式的用于确定对象的表面缺陷的方法的框图；

图5是根据本发明的实施方式的用于在渲染对象的表面的同时突出显示表面缺陷的方法的框图；

图6是根据本发明的实施方式的确定表面的取向的变化率的示例的框图；

图7是在具有缺陷的表面上具有高亮部分的对象模型的示例的等距视图；以及

图8是本发明的实施方式的示例的框图。

具体实施方式

图1A示出了通常用于在数控（NC）机械加工期间制造自由形式表面的球头铣刀100。具体地说，刀具100的平滑半球形底部101能够对平滑表面进行机械加工。

图1B示出了由球头铣刀100的三次直线切削103、104和105（从而产生半圆柱形表面）铣制的对象102。在各次切削之间，存在通过各对切削的交叉部分形成的三角形尖部。例如，在切削103和104之间存在尖部106。

图2是通过球头铣刀的四次切削202-205铣制的对象201的侧视图。切削202、203和205具有相同的深度（由虚线206指示）。然而，切削204比切削202、203和205深。各对切削在尖部处相遇。例如，切削202和切削203在尖部207处相遇，并且切削203和切削204在尖部208处相遇。因为切削204比相邻的切削深，所以尖部208的角度220大于尖部207的角度222。相邻的切削之间的距离是切削间距230，通常由CAM系统的操作员在生成机械加工指令期间确定。

图3示出了尖部角度与切削深度的相关性。在该示例中，利用直径为4mm的球头铣削工具，在两次切削之间间隔0.2mm（即，工具以0.2mm的递增步距运动）确定尖部角度。该角度随着切削深度的增加而增加。

本发明的实施方式是基于对尖部角度与切削深度的相关性取决于对象和/或仿真期间渲染的对象模型的表面的取向的认识的。因此，表面的取向，并且具体地说，取向的变化率，可用于确定对象模型的缺陷。例如，可识别出并且突出显示仿真的表面的粗糙区域。

图4示出了用于确定对象模型的表面缺陷的方法400的框图。在本发明的各个实施方式中，表面是对象的整个表面、对象的整个表面的一部分、从特定观看点的可视表面、对象的缺陷高发区域和/或它们的组合。在一个实施方式中，基于一组机械加工指令从初始对象的模型产生对象模型。由处理器401执行所述方法的步骤，如本领域中已知的那样。

通过基于对象的表面的基础表示410渲染模块420来对对象模型的表面425进行仿真。表面取向模块430在表面的各个像素处确定表面的取向435。

取向比较模块440确定表面的取向的变化率446并将其与一个或更多个阈值445进行比较以确定表面缺陷。一个实施方式将变化率与最小阈值进行比较，即，识别出表面的与值大于最小阈值的表面取向的变化率对应的那些部分。另外地或另选地，另一实施方式将变化率与最大阈值进行比较，即，识别出表面的与值小于最大阈值的表面取向的变化率对应的那些部分。

在各个实施方式中，基于初始表面的形状、工具的尺寸、机械加工指令和/或期望的精度来确定最小阈值和/或最大阈值。

最小阈值有利于在仿真的对象模型的多数表面上的平滑区域的尖部与表面的实际缺陷之间的通常不常出现的区别。如图3所示，尖部的角度是工具的尺寸（例如，直径）和切削间距的函数。例如，在一个实施方式中，基于工具的直径和期望的表面平滑度（即，尖部的高度）来选择切削间距。因此，在机械加工工艺之前已知期望的尖部角度。

机械加工工艺包括（但不限于）车削、铣削和钻孔操作。根据操作，机械加工工艺还包括以下操作：选择机械加工工具，例如工具的类型（诸如单点工具或多刃工具）、工具的形状、材料和尺寸；确定工具的运动方向、工具的切削间距；以及确定用于操作的机械加工指令。进而，机械加工指令包括操作的顺序和工具的路径。

机械加工工艺控制期望的表面精度。例如，粗切削的切削间距可大于精切削的切削间距。然而，切削间距的值仅是通过机械加工工艺控制表面的平滑度的一个示例。因此，本发明的多个实施方式基于生成对象的表面的机械加工工艺来确定最小阈值和/或最大阈值。相似地，一些实施方式基于生成对象模型的表面的机械加工工艺的仿真来确定阈值。

例如，一个实施方式基于尖部的期望角度值来确定最小阈值。该实施方式的一个变形形式通过将尖部的期望角度值增加取决于尖部角度的容许变化量的裕量来确定最小阈值。

另外地和另选地，可基于表面缺陷相对很少的事实来确定最小阈值。例如，一个实施方式确定了像素的数量相对于法向矢量的变化率的直方图，如下所述，并且选择最小阈值，使得多数像素具有小于阈值的变化率。

通过输出模块450来处理方法的输出455。例如，输出模块将具有缺陷的表面的识别出的部分存储在存储器（未示出）中。另外地或另选地，输出模块将对象模型显示在显示装置上，并且突出显示具有缺陷的表面的部分701，如图7所示。

法向矢量

本发明的一些实施方式基于法向矢量来确定表面的取向。如本文所述，像素处的法向矢量的长度等于一，并且在对应于像素的位置处垂直于所述表面。例如，参照图2，矢量209是与邻近尖部208的切削203关联的法向矢量，并且矢量210是与邻近尖部208的切削204关联的法向矢量。随后通过计算尖部的各个边缘上的表面的法向矢量的矢量点积来确定尖部角度。点积是尖部角度的余弦。

线上处理

图5示出了用于在渲染对象的表面的同时突出显示对象模型的表面缺陷的方法。对象的仿真表面的渲染502取决于表面501的基础表示。例如，表面可通过表示初始表面的距离场与表示切割期间机械加工工具的扫掠体的距离场之间的布尔差来表示。

在一个实施方式中，通过常规射线投射法渲染所述表面，在常规射线投射法中，与各个像素关联的数学射线从观看方向投射到仿真表面上。与所述表面交叉的各条射线的颜色和亮度由交叉点处的表面颜色和法向矢量来确定。

表面501的另一表达是诸如三角形的网格几何图元。在一个实施方式中，利用诸如OpenGL的图形应用程序接口（API）来渲染三角形网格。通常，颜色和法向矢量在通过根据观看条件的三角形扩展的像素上的通过图形实现插值的三角形的各个顶点处限定。

法向矢量用于计算像素的亮度，仿佛表面被布置在表面上方位置处的光照亮。作为示例，一个常规的计算机照明技术确定像素的亮度为独立于法向矢量的环境光、与法向矢量和从表面至光位置的矢量之间的矢量点积成比例的漫射成分以及与表面法向矢量和观看方向与光照方向之间的半矢量之间的点积成比例的镜面成分之和乘以由表面的光泽度确定的幂。

在常规的渲染中，在表面图像中针对各个像素的法向矢量用于计算像素的亮度，然后丢弃。所得的像素值存储在称为色彩帧缓冲区（color framebuffer）的存储器中，并且最终被显示、存储或发送。

然而，本发明的一个实施方式，作为丢弃确定为计算像素的亮度的法向矢量的替代，重新使用用于识别和/或突出显示表面缺陷的法向矢量。在该实施方式中，作为利用法向矢量立即计算像素亮度的替代，在表面图像中针对每个像素的法向矢量503被存储在法向帧缓冲区（normal framebuffer）中504。在存储了所有法向矢量之后，处理法向矢量以识别和/或突出显示缺陷。

在一个实施方式中，基于法向矢量之间的中心差来确定法向矢量的变化率446。具体地说，像素处的表面的取向的变化率被确定为像素处的法向矢量与相邻像素处的法向矢量（例如，邻近所述像素的像素处的法向矢量）之间的差。

图6示出了基于像素602处的法向矢量与邻近像素602-610处的法向矢量之间的中心差来确定像素602（例如，窗口601中的中心像素602）处的表面取向的变化率的示例。窗口601在表面的模型的所有像素上竖直地620和/或水平地630运动以针对各个像素确定变化率。

窗口601覆盖选自法向帧缓冲区的3x3格法向矢量。如本文所定义的，像素602处的法向矢量为：N₀=（N_0x，N_0y，N_0z），并且八个最靠近的邻近像素603-610的法向矢量为：N_i=（N_ix，N_iy，N_iz），其中，i是窗口范围内的法向矢量的索引，例如，从1至8，并且x、y和z识别出法向矢量沿着轴线x、y和z的三维（3D）分量。因此，像素位置602的法向矢量分量的变化率R₀通过下式确定：

$R_{0j}=\left(\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{\mathrm{ij}}\right)-8N_{0j},$

其中j表示矢量的分量，即，x、y或z。法向矢量的变化率为例如分量R_0j的平方之和的平方根。

本发明的各个实施方式使用不同的阈值来识别表面缺陷。变化率值低于最小阈值507的表面的区域对应于平滑表面和/或具有无缺陷切割之间的尖部的表面。变化率值大于最大阈值508的表面的区域对应于对象的边缘和/或与表面的非自由形式区域关联的深切削。因此，在一个实施方式中，仅对应于缺陷范围内（即，最小阈值和最大阈值之间）的变化率值的像素被识别为表面的可能缺陷区域。

例如，一个实施方式改变509对应于缺陷范围内的变化率值的（例如，红色）像素的颜色，而利用存储在法向帧缓冲区中的值在法向上计算506其它像素的颜色。另一实施方式利用查找表基于变化率来设置像素的颜色。例如，变化率小于最小阈值的像素的颜色为蓝色，变化率在缺陷范围内的像素的颜色为红色，并且变化率大于最大阈值的像素的颜色为绿色。然而，熟练技术人员可容易地认识到，可应用许多其它方法和/或查找表来增强缺陷的视觉识别。在确定了与变化率在缺陷范围内的区域对应的像素之后，像素被存储在存储器511中，并且这些像素的颜色被存储在色彩帧缓冲区510中。

离线处理

一些实施方式在与渲染和/或确定像素的亮度的工艺独立的工艺中识别表面缺陷。这些实施方式说明了一个事实，即，在一些应用中，除非在渲染期间扩大表面，否则像素的密度不足以检测小的缺陷。类似地，像素的不足够的密度可导致因为表面的采样不足而错过缺陷。

另外地或另选地，在经渲染的模型中，一些表面缺陷从观看方向不可见。在一个实施方式中，通过以密集的标度在大的角度范围上观察仿真表面来克服该限制。

然而，另一实施方式在完成仿真之后并且独立于仿真结果的观看识别出表面缺陷。实施方式以足以确保可识别出大于最小尺寸的缺陷的高分辨率将表面的一些部分渲染在画面外法向缓冲区中。另外地或另选地，实施方式从一定范围的视点（例如，沿着+x、-x、+y、-y、+z和-z轴线的每一个）检查仿真表面。另选地，一个实施方式粗略地渲染表面的一部分以确定表面的该部分的主导取向，并从所述主导取向渲染所述表面。

在一些实施方式中，并非所有表面取向的变化率在最小阈值和最大阈值之间的像素都对应于表面缺陷。在渲染处理中，一些像素可对应于缺陷，使得不正确地确定像素的表面法线。因此，本发明的一个实施方式初始粗略地渲染表面的一部分，并执行低分辨率缺陷检测。以低分辨率识别出缺陷的表面区域随后以高分辨率被局部重新渲染，以改进通过沿着机械加工切削的边缘的一行像素识别出的缺陷的检测。

另外，一个实施方式使用法向帧缓冲区来保持关于表面的高分辨率渲染的信息。另选的实施方式将表面分割成交叠的或相邻的贴片以在不降低缺陷识别的质量的情况下减小存储器需求。

在另一实施方式中，生成仿真表面上的可能缺陷区域的列表，并将该列表输出至用户。例如，列表可呈现为叠加在低分辨率图像上并包围可能缺陷区域的矩形盒。用户可随后较近距离地观看这些区域，以最终确定存在实际缺陷。另外地或另选地，缺陷列表按照用于描述可能缺陷的位置和特征的文本格式呈现。有利的是，使用用户界面，使得用户可选择缺陷列表中的入口，以使得仿真图像重新取向，使缺陷区域居中并放大。

图8示出了本发明的另一实施方式的示例。将一组机械加工指令801作为文件从CD或DVD通过网络或者通过本领域已知的其它装置提供至NC机械加工控制器802。控制器802包括处理器803、存储器804和用于显示机器的操作的显示器805。处理器执行机械加工仿真并执行根据本发明的实施方式的方法（例如，方法400），以在显示器505上产生用于识别机械加工仿真的缺陷的图像507。

虽然已经通过优选实施方式的示例描述了本发明，但是应该理解，在本发明的精神和范围内可进行各种其它调整和修改。因此，所附的权利要求的目的是覆盖落入本发明的真实精神和范围内的所有这些改变和修改形式。

Claims (10)

1.一种确定对象的模型由于施加于所述对象的机械加工工艺而导致的表面的缺陷的方法，其中，通过所述机械加工工艺的仿真来从所述对象的模型生成所述表面，所述方法包括以下步骤：

渲染所述对象的所述模型的所述表面；

在所述表面的经渲染的模型的各个像素处确定该像素处的法向矢量以及所述表面的基于所述法向矢量的取向；

针对各个像素，基于该像素处的法向矢量与紧邻该像素的邻近像素处的法向矢量之间的差来确定所述表面的所述取向的变化率；以及

将所述变化率与至少一个阈值进行比较以识别所述表面的所述缺陷，其中，基于所述机械加工工艺来确定所述阈值，并且其中，

所述比较的步骤还包括以下步骤：

将所述变化率与最小阈值进行比较，其中，与值大于所述最小阈值的所述变化率对应的像素被识别出，以及

基于尖部的角度的值来确定所述最小阈值，其中，所述尖部是在所述机械加工工艺的仿真期间通过机械加工工具的切削而形成的、相邻切削之间的尖部，并且其中，

由处理器执行所述方法的步骤，

确定所述表面的所述取向的步骤包括以下步骤：

根据N₀＝(N_0x，N_0y，N_0z)来确定法向矢量N₀，其中，N_0x、N_0y、N_0z是法向矢量沿着x轴、y轴和z轴的分量；

根据N_i＝(N_ix，N_iy，N_iz)来确定法向矢量N_i，其中，i是法向矢量的索引；并且

确定所述变化率的步骤包括以下步骤：

根据来确定所述变化率的分量R_0j，其中，j是x、y或z；以及

基于所述变化率的分量来确定所述变化率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述变化率的步骤还包括以下步骤：

将所述变化率确定为分量R_0j的平方之和的平方根。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述比较的步骤还包括以下步骤：

将所述变化率与最小阈值进行比较；以及

将所述变化率与最大阈值进行比较，其中，与值大于所述最小阈值并小于所述最大阈值的所述变化率对应的像素被识别出。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述渲染的步骤包括以下步骤：

以低分辨率渲染所述对象的所述模型的所述表面；

确定通过所述缺陷识别出的所述表面的区域；以及

以高分辨率渲染所述表面的所述区域，以确定通过沿着机械加工切削的边缘的一行像素识别出的所述区域中的所述表面的所述缺陷。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对象是通过铣刀的切削形成的。

6.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：

将所述法向矢量存储在法向帧缓冲区中。

7.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：

突出显示对应于所述缺陷的像素。

8.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：

修改对应于所述缺陷的各个像素的颜色；以及

在显示器上渲染所述对象的所述模型。

9.一种确定对象的模型由于施加于所述对象的机械加工工艺导致的表面的缺陷的系统，该系统包括：

通过所述机械加工工艺的仿真生成经渲染的所述表面的单元；

在所述表面的经渲染的模型的各个像素处确定该像素处的法向矢量以及所述表面的基于所述法向矢量的取向的单元；

针对各个像素基于该像素处的法向矢量与紧邻该像素的邻近像素处的法向矢量之间的差来确定所述表面的所述取向的变化率的单元；以及

将所述变化率与至少一个阈值进行比较以识别所述表面的所述缺陷的单元，其中，基于所述机械加工工艺来确定所述阈值，并且其中，

用于进行比较的单元将所述变化率与最小阈值进行比较，识别出与值大于所述最小阈值的所述变化率对应的像素，并且基于尖部的角度的值来确定所述最小阈值，其中，所述尖部是在所述机械加工工艺的仿真期间通过机械加工工具的切削而形成的、相邻切削之间的尖部，

确定所述表面的所述取向的单元根据N₀＝(N_0x，N_0y，N_0z)来确定法向矢量N₀，其中，N_0x、N_0y、N_0z是法向矢量沿着x轴、y轴和z轴的分量；以及根据N_i＝(N_ix，N_iy，N_iz)来确定法向矢量N_i，其中，i是法向矢量的索引；并且

确定所述变化率的单元根据来确定所述变化率的分量R_0j，其中，j是x、y或z；以及基于所述变化率的分量来确定所述变化率。

10.根据权利要求9所述的系统，该系统还包括：

用于突出显示对应于所述缺陷的所述像素的单元。