CN113359608A - 一种面向机床加工过程仿真的体素干涉检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向机床加工过程仿真的体素干涉检测方法和系统，属于计算机辅助制造领域，其中方法包括：将毛坯建立为由多个体素节点组成的体素模型，遍历体素模型中的体素节点，将与目标工件内部干涉的体素节点删除，得到待切削模型；将待切削模型中的体素节点与刀具进行碰撞检测，确定与刀具发生干涉的目标节点。使用体素建模时，体素模型的缺点是随着仿真精度的提高，体素的节点数量将大大增加。本发明将与目标工件内部干涉的体素节点删除，得到待切削模型，仅需要对毛坯中的待切削部分的体素节点与刀具进行干涉检测，从而减少参与干涉检测的体素节点数，加快仿真的计算速度。

Description

一种面向机床加工过程仿真的体素干涉检测方法和系统

技术领域

本发明属于计算机辅助制造领域，更具体地，涉及一种面向机床加工过程仿真的体素干涉检测方法和系统。

背景技术

虚拟加工技术基于计算机图形技术和计算机建模技术，在计算机上生成仿真的3D机床模型实体，将机床的各个主要部件通过计算及图形技术显示出来，将现实中的加工环境在计算机中模拟出来。然后通过使用计算机建模技术对机床运动以及刀具加工工件的过程的仿真模拟，使得用户能从输出设备观察到整个加工流程的模拟加工过程。以此种方法来代替传统方案进行数控程序的校验，不仅可以减少整个校验过程的周期与成本，同时能够使操作者更直观的观察整个校验过程。整个虚拟加工过程中，不但能够校验加工精度以及是否会发生机床干涉现象，还能对整个加工过程的其他部分进行监控，如：监控加工过程中机床主轴速度、加速度，刀具运动相对速度、加速度等。通过对这些数据的监控可以对数控程序进行优化设计以实现加工精度、稳定度和效率的提升。与传统方法相比，它还具有节能降耗、真实性、交互性、全面性、安全性、高效性、远程操作性等优点。

随着汽车、电子等行业的飞速发展，待加工零件加工的复杂程度和精度要求不断提高。以五轴数控机床为代表的高精加工设备越来越多地被投入到生产中。在航空航天等精度要求较高的领域中，零件加工时间长，加工成本高，若不对加工过程进行及时的仿真，将无法及时发现加工中存在的过切、欠切等缺陷，从而耗费巨大的时间和经济成本。

由此可见，现有技术存在建模过程内存占用大、加工仿真干涉检测计算量大的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种面向机床加工过程仿真的体素(Voxel)干涉检测方法和系统，由此解决现有技术存在建模过程内存占用大、加工仿真干涉检测计算量大的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种面向机床加工过程仿真的体素干涉检测方法，包括如下步骤：

(1)将毛坯建立为由多个体素节点组成的体素模型，遍历体素模型中的体素节点，将与目标工件内部干涉的体素节点删除，得到待切削模型；

(2)将待切削模型中的体素节点与刀具进行碰撞检测，确定与刀具发生干涉的目标节点。

所述面向机床加工过程的切削仿真在开始切削加工前目标成型工件的标准模型是已知的。

进一步地，所述步骤(1)包括：

将毛坯建立为由多个体素节点组成的体素模型，遍历体素模型中的体素节点，以体素节点的顶点为端点，选取任意一个方向做射线，当射线与目标工件的三角面片碰撞时，记录交点坐标，方向不变，以交点为端点继续做射线，直至没有新的交点；

计算产生交点的次数，如果次数为奇数，则该体素节点的中心坐标位于目标工件的内部，判定该体素节点与目标工件干涉；如果交点为偶数，则该体素节点的中心坐标位于目标工件的外部，判定该体素节点与工件模型未干涉；

将体素模型中，与目标工件内部干涉的体素节点删除，得到待切削模型。

进一步地，所述体素模型的建立包括：

使用正方体包围盒将毛坯包围，此时，最小包围盒对应的正方体为根节点，将根节点平均分为多个正方体，这多个正方体为第二层的节点，将第二层中每个正方体均分为多个小正方体，这些小正方体为第三层的节点，后续，将第N层中的每个正方体均分为多个小正方体，分割至最后一层，作为叶子层，叶子层的叶子节点为体素节点，将毛坯建立为由多个体素节点组成的体素模型。

进一步地，所述步骤(2)包括：

依据体素模型的包围盒从跟节点层至叶子层，一层一层的往下遍历，每一层都与刀具通过分离轴方法进行碰撞检测，若碰撞则继续往下与下一层的节点进行检测，在此过程中会逐步向下遍历到体素节点，最后找到所有发生干涉的目标节点。

进一步地，所述步骤(2)还包括：

判断由正方体组成的体素节点的顶点与刀具端之间的高度关系，若是体素节点顶点的高度低于刀具端的高度，则该体素节点的顶点落在刀具外部，该体素节点与刀具不发干涉。

进一步地，所述步骤(2)还包括：

判断由正方体组成的体素节点的顶点落在刀具内外的关系，若是当前判断的体素节点的顶点与前一个判断的体素节点的顶点，一个落在刀具内，一个落在刀具外，则当前判断的体素节点与刀具产生局部干涉。

按照本发明的另一方面，提供了一种面向机床加工过程仿真的体素干涉检测系统包括：

待切削模型建立模块，用于将毛坯建立为由多个体素节点组成的体素模型，遍历体素模型中的体素节点，将与目标工件内部干涉的体素节点删除，得到待切削模型；

干涉检测模块，用于将待切削模型中的体素节点与刀具进行碰撞检测，确定与刀具发生干涉的目标节点。

进一步地，所述待切削模型建立模块包括：

体素模型建立模块，用于使用正方体包围盒将毛坯包围，此时，最小包围盒对应的正方体为根节点，将根节点平均分为多个正方体，这多个正方体为第二层的节点，将第二层中每个正方体均分为多个小正方体，这些小正方体为第三层的节点，后续，将第N层中的每个正方体均分为多个小正方体，分割至最后一层，作为叶子层，叶子层的叶子节点为体素节点，将毛坯建立为由多个体素节点组成的体素模型；

分割模块，用于遍历体素模型中的体素节点，以体素节点的顶点为端点，选取任意一个方向做射线，当射线与目标工件的三角面片碰撞时，记录交点坐标，方向不变，以交点为端点继续做射线，直至没有新的交点；计算产生交点的次数，如果次数为奇数，则该体素节点的中心坐标位于目标工件的内部，判定该体素节点与目标工件干涉；如果交点为偶数，则该体素节点的中心坐标位于目标工件的外部，判定该体素节点与工件模型未干涉；将体素模型中，与目标工件内部干涉的体素节点删除，得到待切削模型。

进一步地，所述干涉检测模块包括：

粗检模块，用于依据体素模型的包围盒从跟节点层至叶子层，一层一层的往下遍历，每一层都与刀具通过分离轴方法进行碰撞检测，若碰撞则继续往下与下一层的节点进行检测，在此过程中会逐步向下遍历到体素节点，最后找到所有发生干涉的目标节点；

精检模块，用于判断由正方体组成的体素节点的顶点与刀具端之间的高度关系，若是体素节点顶点的高度低于刀具端的高度，则该体素节点的顶点落在刀具外部，该体素节点与刀具不发干涉，判断由正方体组成的体素节点的顶点落在刀具内外的关系，若是当前判断的体素节点的顶点与前一个判断的体素节点的顶点，一个落在刀具内，一个落在刀具外，则当前判断的体素节点与刀具产生局部干涉。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)使用体素建模时，体素模型的缺点是随着仿真精度的提高，单个体素体积的减小，体素的节点数量将以O(N³)的速度增加。一般来说面向加工过程的切削仿真在开始切削加工前目标成型工件的标准模型是已知的。从机床将毛坯加工为成型工件的过程来看，毛坯可以分解为：毛坯＝成型工件+待切削部分，刀具只切除了毛坯的待切削部分，在正常加工情况下，整个切削过程中刀具只会与待切削部分(包括工件表面)的体素节点发生碰撞，并不会与工件部分发生任何碰撞，因此无需在切削过程中的每个时刻都将工件部分与刀具进行碰撞检测，仅需要对毛坯中的待切削部分(包括工件表面)的体素节点进行与刀具的干涉检测，从而减少参与干涉检测的体素节点数，加快仿真的计算速度。

(2)在判断Voxel是否与工件干涉时，由于成型工件的外形往往并不规则，因此，不能通过给工件添加包围盒的形式进行干涉检测。本发明通过做射线，将射线与目标工件的三角面片碰撞进行干涉检测，检测结果准确，只需要统计交点总数的奇偶就能判断干涉情况，检测速度快。

(3)确定了可能与刀具发生干涉的叶子节点后，为了增加仿真精度，还需进行精确检测即判断体素与刀具的具体干涉关系。发生干涉的体素可能整个区域都处在刀具模型内部，属于完全干涉，也可能只有部分区域在刀具模型内部，属于局部干涉。若是对一个体素的八个顶点都做判断，会增加计算的时间而影响切削仿真的效率。本发明提出了一种快速判断干涉的方法，判断Voxel顶点与刀具端之间的高度关系，若是方块顶点的高度低于刀具端的高度，则不用在往下做顶点与刀具轴心的距离，以及相对应高度的半径的计算，因为这个顶点一定会落在刀具外。判断方块顶点落在刀具内外的关系，若是目前判断的顶点与前一个判断完的顶点，一个落在刀具内，一个落在刀具外，则停止此Voxel与刀具的干涉判断，因为已经可以确定其与刀具产生局部干涉。本发明通过粗检测加精测的两步干涉检测方法，降低在机床加工过程仿真中的计算量，提高仿真流畅性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种面向机床加工过程仿真的Voxel干涉检测方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的提取待切削节点的原理图；

图3是本发明实施例提供的提取待切削节点的流程图；

图4是本发明实施例提供的判断Voxel节点与工件模型是否干涉的流程图；

图5是本发明实施例提供的两步干涉检测法流程图；

图6(a)是本发明实施例提供的根节点检测示意图；

图6(b)是本发明实施例提供的第二层节点检测示意图；

图6(c)是本发明实施例提供的叶子层的上一层节点检测示意图；

图6(d)是本发明实施例提供的叶子层的检测示意图；

图7(a)是本发明实施例提供的顶点与刀具的第一种位置关系示意图；

图7(b)是本发明实施例提供的顶点与刀具的第二种位置关系示意图；

图8是本发明实施例提供的精确检测流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

数控系统是数字控制系统的简称，英文名称为(Numerical Control System)，根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。

计算机数控仿真是应用计算机技术对数控加工操作过程进行模拟仿真的一门新技术。该技术面向实际生产过程的机床仿真操作，加工过程三维动态的逼真再现。

针对Voxel建模方式存在内存占用大和传统加工仿真干涉检测计算量大的问题，本发明基于机床加工过程中工件模型已知的特点，通过提取的待加工节点的方式，减少需要保存的Voxel节点数量，从而减少内存占用，并结合提出的粗检测加精测的两步干涉检测方法，降低在机床加工过程仿真中的计算量，提高仿真流畅性。

一种面向机床加工过程仿真的Voxel干涉检测方法，包括：提取待切削Voxel节点的毛坯建模和两步干涉检测法。

使用Voxel模型建模时，基于八叉树的空间分割方法生成Voxel节点。Voxel模型的缺点是随着仿真精度的提高，单个Voxel体积的减小，Voxel的节点数量将以O(N³)的速度增加。一般来说面向加工过程的切削仿真在开始切削加工前目标成型工件的标准模型是已知的。从机床将毛坯加工为成型工件的过程来看，毛坯可以分解为：毛坯＝成型工件+待切削部分

刀具只切除了毛坯的待切削部分，在正常加工情况下，整个切削过程中刀具只会与待切削部分(包括工件表面)的Voxel节点发生碰撞，并不会与工件部分发生任何碰撞，因此无需在切削过程中的每个时刻都将工件部分与刀具进行碰撞检测，仅需要对毛坯中的待切削部分(包括工件表面)的Voxel节点进行与刀具的干涉检测，从而减少参与干涉检测的Voxel节点数，加快仿真的计算速度。

如图2所示，按照八叉树空间分割法提取待切削节点。使用正方体包围盒将毛坯包围，此时，最小包围盒对应的正方体为根节点，将根节点平均分为8个正方体，这8个正方体为第二层的节点，将第二层中每个正方体均分为8个小正方体，这些小正方体为第三层的节点，后续，将第N层中的每个正方体均分为8个小正方体，分割至最后一层，作为叶子层。对叶子层中的每个正方体进行标记，若该节点与工件不干涉，标记为带切削部分，需要在后续的切削中与刀具进行干涉检测。若该节点位于工件模型内部，无需与刀具进行干涉检测，从八叉树中删除该节点，当所有叶子层的父节点在叶子层中对应的8个节点均位于工件模型内部时，该父节点位于工件模型内部。若该节点与工件表面干涉，标记为工件表面节点，需要在后续的切削中与刀具进行干涉检测。

具体地，如图3所示，提取待切削节点的方法如下：

Step1对毛坯进行Voxel建模并对所有Voxel节点建立八叉树数据结构用于索引；

Step2读取成型工件模型，遍历所有Voxel叶子节点，判断叶子节点是否与成型工件干涉，将不干涉的节点标记为待切削节点；

Step3确认Voxel叶子节点是否全部位于工件模型内部即完全干涉，若完全干涉则不进行与刀具的干涉检测，从八叉树上删除该节点；若与工件表面相交即局部干涉，则保留并标记为工件表面节点。

在判断Voxel是否与工件干涉时，由于成型工件的外形往往并不规则，因此，不能通过给工件添加包围盒的形式进行干涉检测。如图4所示，本发明使用的具体判断步骤如下：

Step1以Voxel的顶点为端点，选取任意一个方向做射线；

Step2当射线与目标工件的三角面片碰撞时，记录交点坐标，方向不变，以交点为端点继续做射线，直至没有新的交点；

Step3计算产生交点的次数，如果次数为奇数，则该Voxel的中心坐标位于目标工件模型的内部，判定Voxel与工件模型干涉；如果交点为偶数，则该Voxel的中心坐标位于目标工件模型的外部，判定Voxel与工件模型未干涉。

根据刀具的几何仿真模型和工件的Voxel改进模型进行切削过程仿真。分粗检测和精检两个流程，如图5所示：

粗检包括：从八叉树根节点开始进行包围盒碰撞检测，判断叶子节点Voxel与刀具的包围盒是否碰撞。

精检包括：当叶子节点Voxel与刀具的包围盒碰撞后，开始判断叶子节点Voxel是否与刀具模型发生干涉，确认叶子节点Voxel与刀具模型干涉。

如图6(a)-6(d)所示，粗检过程为：依据毛坯八叉树模型的包围盒一层一层的往下遍历，每一层都与刀具通过分离轴方法进行碰撞检测，若碰撞则继续往下与8个子节点进行检测，在此过程中会逐步向下遍历到最小单位的八叉树节点，最后找到所有发生干涉的目标Voxel节点，粗检完成。

如图7(a)所示，顶点在刀具端的下方，顶点不会落在刀具内，故结束此顶点的判断，往下一个顶点做判断。如图7(b)所示，已找出在刀具内与刀具外的顶点，Voxel与刀具已产生干涉的情形，故结束此节点的干涉判断，往下一个节点作判断。

如图8所示，精检包括：确定了可能与刀具发生干涉的Voxel叶子节点后，为了增加仿真精度，还需进行精确检测即判断Voxel与刀具的具体干涉关系。发生干涉的Voxel可能整个区域都处在刀具模型内部，属于完全干涉，也可能只有部分区域在刀具模型内部，属于局部干涉。若是对一个Voxel的八个顶点都做判断，会增加计算的时间而影响切削仿真的效率。因此，本发明提出了一种快速判断干涉的方法，具体步骤如下：

Step1判断Voxel顶点与刀具端之间的高度关系，若是方块顶点的高度低于刀具端的高度，则不用在往下做顶点与刀具轴心的距离，以及相对应高度的半径的计算，因为这个顶点一定会落在刀具外。

Step2判断方块顶点落在刀具内外的关系，若是目前判断的顶点与前一个判断完的顶点，一个落在刀具内，一个落在刀具外，则停止此Voxel与刀具的干涉判断，因为已经可以确定其与刀具产生局部干涉。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种面向机床加工过程仿真的体素干涉检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将毛坯建立为由多个体素节点组成的体素模型，遍历体素模型中的体素节点，将与目标工件内部干涉的体素节点删除，得到待切削模型；

(2)将待切削模型中的体素节点与刀具进行碰撞检测，确定与刀具发生干涉的目标节点。

2.如权利要求1所述的一种面向机床加工过程仿真的体素干涉检测方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：

将毛坯建立为由多个体素节点组成的体素模型，遍历体素模型中的体素节点，以体素节点的顶点为端点，选取任意一个方向做射线，当射线与目标工件的三角面片碰撞时，记录交点坐标，方向不变，以交点为端点继续做射线，直至没有新的交点；

计算产生交点的次数，如果次数为奇数，则该体素节点的中心坐标位于目标工件的内部，判定该体素节点与目标工件干涉；如果交点为偶数，则该体素节点的中心坐标位于目标工件的外部，判定该体素节点与工件模型未干涉；

将体素模型中，与目标工件内部干涉的体素节点删除，得到待切削模型。

3.如权利要求1或2所述的一种面向机床加工过程仿真的体素干涉检测方法，其特征在于，所述体素模型的建立包括：

使用正方体包围盒将毛坯包围，此时，最小包围盒对应的正方体为根节点，将根节点平均分为多个正方体，这多个正方体为第二层的节点，将第二层中每个正方体均分为多个小正方体，这些小正方体为第三层的节点，后续，将第N层中的每个正方体均分为多个小正方体，分割至最后一层，作为叶子层，叶子层的叶子节点为体素节点，将毛坯建立为由多个体素节点组成的体素模型。

4.如权利要求3所述的一种面向机床加工过程仿真的体素干涉检测方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：

依据体素模型的包围盒从跟节点层至叶子层，一层一层的往下遍历，每一层都与刀具通过分离轴方法进行碰撞检测，若碰撞则继续往下与下一层的节点进行检测，在此过程中会逐步向下遍历到体素节点，最后找到所有发生干涉的目标节点。

5.如权利要求4所述的一种面向机床加工过程仿真的体素干涉检测方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括：

判断由正方体组成的体素节点的顶点与刀具端之间的高度关系，若是体素节点顶点的高度低于刀具端的高度，则该体素节点的顶点落在刀具外部，该体素节点与刀具不发干涉。

6.如权利要求5所述的一种面向机床加工过程仿真的体素干涉检测方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括：

判断由正方体组成的体素节点的顶点落在刀具内外的关系，若是当前判断的体素节点的顶点与前一个判断的体素节点的顶点，一个落在刀具内，一个落在刀具外，则当前判断的体素节点与刀具产生局部干涉。

7.一种面向机床加工过程仿真的体素干涉检测系统，其特征在于，包括：

待切削模型建立模块，用于将毛坯建立为由多个体素节点组成的体素模型，遍历体素模型中的体素节点，将与目标工件内部干涉的体素节点删除，得到待切削模型；

干涉检测模块，用于将待切削模型中的体素节点与刀具进行碰撞检测，确定与刀具发生干涉的目标节点。

8.如权利要求7所述的一种面向机床加工过程仿真的体素干涉检测系统，其特征在于，所述待切削模型建立模块包括：

体素模型建立模块，用于使用正方体包围盒将毛坯包围，此时，最小包围盒对应的正方体为根节点，将根节点平均分为多个正方体，这多个正方体为第二层的节点，将第二层中每个正方体均分为多个小正方体，这些小正方体为第三层的节点，后续，将第N层中的每个正方体均分为多个小正方体，分割至最后一层，作为叶子层，叶子层的叶子节点为体素节点，将毛坯建立为由多个体素节点组成的体素模型；

分割模块，用于遍历体素模型中的体素节点，以体素节点的顶点为端点，选取任意一个方向做射线，当射线与目标工件的三角面片碰撞时，记录交点坐标，方向不变，以交点为端点继续做射线，直至没有新的交点；计算产生交点的次数，如果次数为奇数，则该体素节点的中心坐标位于目标工件的内部，判定该体素节点与目标工件干涉；如果交点为偶数，则该体素节点的中心坐标位于目标工件的外部，判定该体素节点与工件模型未干涉；将体素模型中，与目标工件内部干涉的体素节点删除，得到待切削模型。

9.如权利要求8所述的一种面向机床加工过程仿真的体素干涉检测系统，其特征在于，所述干涉检测模块包括：

粗检模块，用于依据体素模型的包围盒从跟节点层至叶子层，一层一层的往下遍历，每一层都与刀具通过分离轴方法进行碰撞检测，若碰撞则继续往下与下一层的节点进行检测，在此过程中会逐步向下遍历到体素节点，最后找到所有发生干涉的目标节点；

精检模块，用于判断由正方体组成的体素节点的顶点与刀具端之间的高度关系，若是体素节点顶点的高度低于刀具端的高度，则该体素节点的顶点落在刀具外部，该体素节点与刀具不发干涉，判断由正方体组成的体素节点的顶点落在刀具内外的关系，若是当前判断的体素节点的顶点与前一个判断的体素节点的顶点，一个落在刀具内，一个落在刀具外，则当前判断的体素节点与刀具产生局部干涉。

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