CN114169108B - 一种基于数字孪生的减材加工实时仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，包括以下步骤：构建工件模型；生成刀具模型和输入刀具的移动路径；根据工件模型生成初始高度图，其中，以高度图通道数据表示该位置(x,z)对应的工件在(x,z)的高度值y，采用多通道表示高度值y，y是一个浮点类型；碰撞计算；更新后的高度图数据传输至顶点着色器，生成实时渲染效果图；判断加工是否完成，若未完成则更新刀具位置，重复碰撞计算步骤并更新实时渲染效果图；根据更新后的高度图还原工件模型。本发明的实时仿真方法解决减材加工仿真中的实时加工、实时渲染和精度要求问题。

Description

一种基于数字孪生的减材加工实时仿真方法

技术领域

本发明涉及智能加工技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的减材加工实时仿真方法。

背景技术

数字孪生技术的高速发展，推动现代制造业由过去简单的自动化向信息化、数字化、智能化方向转变。减材制造是现代制造业的关键技术之一，故也是数字孪生技术必备的关键底层技术之一，可以减少产品设计到制造的时间并降低生产成本。然而当前主流数字孪生系统呈现数字孪生体模型行为时，仅仅停留在机构动作呈现，而无法呈现减材、增材加工过程的效果。

常规的仿真方案有：

(1)采用构造实体几何法(CSG)或者边界表示法(B-rep)。根据刀具安照刨削轨迹形成刀具扫描体，对刀具扫描体实体建模，在加工过程中刀具和刀具扫描体进行实时布尔差运算，并更新工件模型。然而由于几何实体构造法或者边界表示法包含模型大量体数据，随着产品共建越来越复杂，计算量呈指数次增长，难以达到实时仿真效果。

(2)采用体素构造法(voxel)，将模型离散为简单体素如正方体、线段等，可以将布尔运算量复杂度降至O(n)，模型求交算法简单而且效率高，但是在表面重建却没有简单快速的方法，构造出来的表面易产生不连续现象，且精度方面很难达到要求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，解决减材加工仿真中的实时加工、实时渲染和精度要求问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，包括以下步骤：

构建工件模型；

生成刀具模型和输入刀具的移动路径；

根据工件模型生成初始高度图，其中，以高度图通道数据表示该位置(x,z)对应的工件在(x,z)的高度值y，采用多通道表示高度值y，y是一个浮点类型；

碰撞计算：定位刀具在工件的投影区域，判断工件与刀具是否发生碰撞，若工件与刀具发生碰撞，则工件模型与刀具模型进行布尔减运算，根据运算结果更新高度图；

更新后的高度图数据传输至顶点着色器，生成实时渲染效果图；

判断加工是否完成，若未完成则更新刀具位置，重复碰撞计算步骤并更新实时渲染效果图；

根据更新后的高度图还原工件模型。

进一步的，所述构建工件模型方法为：所述工件模型为任意单方向的图形拉伸体，根据输入的分辨划分图形拉伸体的精度，得到顶点数据，以顶点数据生成工件模型数据。

进一步的，当所述图形拉伸体为正方体时，构建工件模型的步骤为：

输入分辨率为ResolutionX，ResolutionZ；

生成[ResolutionX*ResolutionZ+(ResolutionX+ResolutionZ)*2]个顶点数据，伪代码如下：

根据顶点数据，连接顶点成三角形，生成索引数据，即构成工件模型数据，生成索引数据的伪代码如下：

最后再连接侧边的三角形索引即可。

进一步的，所述根据工件模型生成初始高度图的方法为：

R通道用来存储高度值的整数且大小限制在99以下，R＝(int)y，If(R>99)R＝99；

G通道数据则用来存储高度值的小数点后两位，G＝((int)(y*100))％100；

B通道数据则是用来存储高度值的小数点后第三、四位，B＝((int)(y*10000))％100。

进一步的，所述碰撞计算的步骤为：

根据刀具位置(x,y,z)、刀具半径R和工件包围体定位刀具在工件上的投影区域(Xmin,Zmin)(Xmax,Zmax)，伪代码如下：

Xmin＝x-R>Bound.min.x？x-R:Bound.min.x

Zmin＝z-R>Bound.min.z？z-R:Bound.min.z

Xmax＝x+R<Bound.max.x？x+R:Bound.max.x

Zmax＝z+R<Bound.max.z？z+R:Bound.max.z；

遍历工件模型的投影区域上的点(x,z)，若工件的高度值y1大于刀具在该位置(x,y2,z)的高度值y2，则将y1更新为y2，若y1小于y2则不更新；

将遍历结束后的高度值更新至高度图。

进一步的，所述刀具有两种类型，一种是圆柱，一种是胶囊体；当所述刀具的类型为圆柱形时，刀具的高度每一处均一样，为y1；

当所述刀具的类型是胶囊体时，刀具头表面上每一点(a,b,c)的高度b与刀具位置(x,y2,z)的关系是：

其中R为胶囊体半径。

进一步的，所述生成实时渲染效果图的步骤为：

根据输入的高度图数据定位高度图的像素位置；

将对应的像素通道数据还原至具体高度值；

根据该点的具体高度值重新计算点的位置，并输出至渲染管线；

渲染管线完成渲染更新，生成实时渲染效果图；

上述步骤的伪代码为：

inputPosition,outPosition,heightTexture

Pexel＝Texture(inputPosition.x,inputPosition.z)

Height＝Pexel.r+Pexel.g/100+Pexel.b/10000

outPosition＝inputPosition*(width,length,depth)+(0,Height,0)。

进一步的，所述更新刀具位置的步骤为：

计算上一路径顶点至当前路径顶点的距离：Length＝length(lastPoint-currentPoint)；

计算采样数：Num＝Length*20，Num＝Num>1？(int)Num:1；

更新刀具位置：重复Num次后输出刀具，计算方式为Position＝lastPoint+(currentPoint-lastPoint)*i/Num；

进行当前路径位置与上移位置更新。

进一步的，所述根据更新后的高度图还原工件模型的步骤为：

获取更新后的高度图数据；

根据高度图数据更新顶点数据；

更新工件模型索引数据；

所述顶点数据和索引数据即可表示一个模型，该模型为加工后的工件模型。

本发明实施例的有益效果为：

本发明采取实时更新高度图解决模型布尔运算量大的难点，并以图片数据作为载体传输数据。本发明的方法基于ME三维引擎开发环境，用GPU算力，重新计算模型顶点位置解决实时渲染问题。由于高度图像素值大小(0-255)的限制，采用多通道传输数据解决精度问题，传输数据精度可达到0.1毫米级别，保证了模型初始化精度以及刨削加工精度。

附图说明

图1是本发明一个实施例的仿真方法的流程示意图；

图2是胶囊体类型的刀具头高度示意图；

图3是本发明一个实施例的仿真方法的高度图更新的流程示意图；

图4是本发明一个实施例的仿真方法的渲染效果图；

图5是本发明一个实施例的仿真方法的索引数据构建示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1至图5，描述本发明实施例的一种基于数字孪生的减材加工实时仿真方法。

本实施例的一种基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，包括以下步骤：

构建工件模型；

生成刀具模型和输入刀具的移动路径；

根据工件模型生成初始高度图，其中，以高度图通道数据表示该位置(x,z)对应的工件在(x,z)的高度值y，采用多通道表示高度值y，y是一个浮点类型；

碰撞计算：定位刀具在工件的投影区域，判断工件与刀具是否发生碰撞，若工件与刀具发生碰撞，则工件模型与刀具模型进行布尔减运算，根据运算结果更新高度图；

更新后的高度图数据传输至顶点着色器，生成实时渲染效果图；

判断加工是否完成，若未完成则更新刀具位置，重复碰撞计算步骤并更新实时渲染效果图；

根据更新后的高度图还原工件模型。

本发明的减材加工实时仿真方法设计基于JME三维引擎开发环境，用GPU算力，重新计算模型顶点位置解决实时渲染问题。运行本发明的仿真方法要求电脑配置达到一般仿真水平，具体的，运行本发明的仿真方法的测试电脑配置可以为：处理器：英特尔i5-10400FCPU@2.90GHz，显卡：GTX1660(6GB/华硕)，系统：Window10，或更高配置。

本发明以通道数据表示高度图，基于高度图像素值大小(0-255)的限制，采用多通道传输数据解决精度问题，传输数据精度可达到0.1毫米级别。

下述为本发明的仿真方法各步骤的具体描述。

A、构建工件模型步骤：所述工件模型为任意单方向的图形拉伸体，根据输入的分辨划分图形拉伸体的精度，得到顶点数据，以顶点数据生成工件模型数据。需要说明的是，顶点数量越多后面的减材加工精度越高，呈现效果越精细。

工件模型可以是立方体、圆柱等，当所述图形拉伸体为正方体时，构建工件模型的步骤为：

输入分辨率为ResolutionX，ResolutionZ；

A1生成顶点数据：

生成[ResolutionX*ResolutionZ+(ResolutionX+ResolutionZ)*2]个顶点数据，伪代码如下：

A2根据顶点数据，连接顶点成三角形，生成索引数据，即构成工件模型数据(如图4所示)，生成索引数据的伪代码如下：

最后再连接侧边的三角形索引即可。

B、生成刀具模型：刀具的具体形状为圆柱体模型或者胶囊体模型。该刀具由JME自带的网格生成器生成，胶囊体的刀具是圆柱和球的组合体。刀具模型的径向方向需要与工件的拉伸方向一致。

C、输入刀具的移动路径：刀具的移动路径由三维顶点和其对应的顶点类型组成的集合，其中，顶点类型包括移动类型和刨削类型。

移动类型表示上一顶点至当前顶点只移动，不刨削，即不发生任何碰撞修改检测。刨削类型表示上一顶点至当前顶点移动过程进行碰撞检测，并根据检测结果更新工件的形状。移动路径可以根据读取路径文件获取，也可以线条采样获得，具体的，路径文件：包含点位信息的文件，可根据Java自带的IO流包读取文件信息，即可获得移动路径信息。线条采样：根据定义的线条表达式，分段采样获取。比如获取一个圆的移动路径，线条表达式为X＝R*cos(θ),Y＝R*sin(θ),Z＝1，其中R为圆半径。采样数为50，则输入θ＝i*2π/50,i为0-49，即可获取圆的移动路径序列。

D、生成初始高度图：根据构建工件模型时输入的分辨率(ResolutionX，ResolutionZ)定义高度图大小，并初始化高度图。高度图通道数据表示该位置(x,z)对应的工件在(x,z)的高度值y。由于通道数据的限制(0-255)且为了提高模型精度及刨削精度，采用多(RGB)通道表示模型高度值y，y是一个浮点类型。

D1、由于工业加工模型高度值一般是不会大于99，故发明人把R通道用来存储高度值的整数位且大小限制在99以下。在另一实施方式中限制值也可以是255，但不能超过255。

即R通道用来存储高度值的整数且大小限制在99以下，R＝(int)y，If(R>99)R＝99；

D2、G通道数据则用来存储高度值的小数点后两位，G＝((int)(y*100))％100；

D3、B通道数据则是用来存储高度值的小数点后第三、四位，B＝((int)(y*10000))％100。

通过上述步骤D1-D3可以保证传输数据精度在0.1毫米级别，即保证了模型初始化精度以及刨削加工精度。

E碰撞计算：定位刀具在工件的投影区域，判断工件与刀具是否发生碰撞，若工件与刀具发生碰撞，则工件模型与刀具模型进行布尔减运算，根据运算结果更新高度图(如图3所示)。判断工件与刀具是否发生碰撞即如果刀具在当前路径位置类型是刨削类型，则进行该运算，如果是移动类型则不进行碰撞运算。

E1根据刀具位置(x,y,z)、刀具半径R和工件包围体定位刀具在工件上的投影区域(Xmin,Zmin)(Xmax,Zmax)，伪代码如下：

Xmin＝x-R>Bound.min.x？x-R:Bound.min.x

Zmin＝z-R>Bound.min.z？z-R:Bound.min.z

Xmax＝x+R<Bound.max.x？x+R:Bound.max.x

Zmax＝z+R<Bound.max.z？z+R:Bound.max.z；

E2遍历工件模型的投影区域上的点(x,z)，若工件的高度值y1大于刀具在该位置(x,y2,z)的高度值y2，则将y1更新为y2，若y1小于y2则不更新。工件的高度值y1可从高度图定位获取，而刀具的高度值则需要分情况。

刀具有两种类型，一种是圆柱，一种是胶囊体；当所述刀具的类型为圆柱形时，刀具的高度每一处均一样，为y1；当所述刀具的类型是胶囊体时，刀具头表面上每一点(a,b,c)的高度b与刀具位置(x,y2,z)的关系(如图2所示)是：

其中R为胶囊体半径。

E3将遍历结束后的高度值更新至高度图。

F：更新后的高度图数据传输至顶点着色器。将高度图赋予工件模型材质的贴图属性。模型大小(width,length,depth)和高度图HeightTexture传输至渲染管线的顶点着色器。

G：顶点计算，生成实时渲染效果图。在顶点着色器中结合高度图数据重新计算顶点。顶点着色器中的计算是有GPU来完成，故可以很好利用GPU的算力来提升实时渲染性能。

G1根据输入的高度图数据定位高度图的像素位置；

G2将对应的像素通道数据还原至具体高度值；

G3根据该点的具体高度值重新计算点的位置，并输出至渲染管线；

G4渲染管线完成渲染更新，生成实时渲染效果图。

运行本发明的仿真方法时，观察FPS达到200以上，可知是实时渲染状态。

上述步骤的伪代码为：

inputPosition,outPosition,heightTexture

Pexel＝Texture(inputPosition.x,inputPosition.z)

Height＝Pexel.r+Pexel.g/100+Pexel.b/10000

outPosition＝inputPosition*(width,length,depth)+(0,Height,0)。

H：更新刀具位置。在更新高度图后，判断加工是否完成，更新刀具位置后重新进行E步骤、F步骤和G步骤。

H1计算上一路径顶点至当前路径顶点的距离：Length＝length(lastPoint-currentPoint)；

H2计算采样数：Num＝Length*20，Num＝Num>1？(int)Num:1，其中，20是自定义的采样值，即长度为1时，采样数为20，在其他实施方式中可为其他数值；

H3更新刀具位置：重复Num次输出刀具位姿，计算方式为Position＝lastPoint+(currentPoint-lastPoint)*i/Num，其中整数i为1至Num；

H4进行当前路径位置与上移位置更新。

I：模型对象导出即根据更新后的高度图还原工件模型。由于之前顶点更新是在顶点着色器，利用GPU计算能够获得实时渲染效果，但是加工后的模型顶点数据仍未发生变化。加工后的模型，仍需要通过高度图在CPU计算顶点数据导出，该模型导出步骤可是加工过程中每间隔一段时间导出一次，在其他实施方式中是待加工完成后，再对高度图还原工件模型。具体步骤如下：

I1获取更新后的高度图数据；

I2根据高度图数据更新顶点数据；

I3更新工件模型索引数据；

I4所述顶点数据和索引数据即可表示一个模型，该模型为加工后的工件模型。

根据本发明实施例的一种基于数字孪生的减材加工实时仿真方法的其他构成等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建工件模型；

生成刀具模型和输入刀具的移动路径；

根据工件模型生成初始高度图，其中，以高度图通道数据表示位置(x,z)对应的工件在(x,z)的高度值y，采用多通道表示高度值y，y是一个浮点类型；

碰撞计算：定位刀具在工件的投影区域，判断工件与刀具是否发生碰撞，若工件与刀具发生碰撞，则工件模型与刀具模型进行布尔减运算，根据运算结果更新高度图；

更新后的高度图数据传输至顶点着色器，生成实时渲染效果图；

判断加工是否完成，若未完成则更新刀具位置，重复碰撞计算步骤并更新实时渲染效果图；

根据更新后的高度图还原工件模型；

遍历工件模型的投影区域上的点(x,z)，若工件的高度值y1大于刀具在该位置(x,y2,z)的高度值y2，则将y1更新为y2，若y1小于y2则不更新；

将遍历结束后的高度值更新至高度图；

所述更新刀具位置的步骤为：

计算上一路径顶点至当前路径顶点的距离：Length＝length(lastPoint-currentPoint)；

计算采样数：Num＝Length*20，Num＝Num>1？(int)Num:1；

更新刀具位置：重复Num次输出刀具位置，计算方式为Position＝lastPoint+(currentPoint-lastPoint)*i/Num，其中整数i为1至Num；

进行当前路径位置与上移位置更新。

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，其特征在于，所述构建工件模型方法为：所述工件模型为任意单方向的图形拉伸体，根据输入的分辨划分图形拉伸体的精度，得到顶点数据，以顶点数据生成工件模型数据。

3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，其特征在于，当所述图形拉伸体为正方体时，构建工件模型的步骤为：

输入分辨率为ResolutionX，ResolutionZ；

生成[ResolutionX*ResolutionZ+(ResolutionX+ResolutionZ)*2]个顶点数据，伪代码如下：

根据顶点数据，连接顶点成三角形，生成索引数据，即构成工件模型数据，生成索引数据的伪代码如下：

最后再连接侧边的三角形索引即可。

4.根据权利要求2所述的基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，其特征在于，所述根据工件模型生成初始高度图的方法为：

R通道用来存储高度值的整数且大小限制在99以下，R＝(int)y，If(R>99)R＝99；

G通道数据则用来存储高度值的小数点后两位，G＝((int)(y*100))％100；

B通道数据则是用来存储高度值的小数点后第三、四位，B＝((int)(y*10000))％100。

5.根据权利要求2所述的基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，其特征在于，所述碰撞计算的步骤为：

根据刀具位置(x,y,z)、刀具半径R和工件包围体定位刀具在工件上的投影区域(Xmin,Zmin)(Xmax,Zmax)，伪代码如下：

Xmin＝x-R>Bound.min.x？x-R:Bound.min.x

Zmin＝z-R>Bound.min.z？z-R:Bound.min.z

Xmax＝x+R<Bound.max.x？x+R:Bound.max.x

Zmax＝z+R<Bound.max.z？z+R:Bound.max.z；

遍历工件模型的投影区域上的点(x,z)，若工件的高度值y1大于刀具在该位置(x,y2,z)的高度值y2，则将y1更新为y2，若y1小于y2则不更新；

将遍历结束后的高度值更新至高度图。

6.根据权利要求5所述的基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，其特征在于，所述刀具有两种类型，一种是圆柱，一种是胶囊体；当所述刀具的类型为圆柱形时，刀具的高度每一处均一样，为y1；

当所述刀具的类型是胶囊体时，刀具头表面上每一点(a,b,c)的高度b与刀具位置(x,y2,z)的关系是：

其中R为胶囊体半径。

7.根据权利要求4所述的基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，其特征在于，所述生成实时渲染效果图的步骤为：

根据输入的高度图数据定位高度图的像素位置；

将对应的像素通道数据还原至具体高度值；

根据该点的具体高度值重新计算点的位置，并输出至渲染管线；

渲染管线完成渲染更新，生成实时渲染效果图；

上述步骤的伪代码为：

inputPosition,outPosition,heightTexture

Pexel＝Texture(inputPosition.x,inputPosition.z)

Height＝Pexel.r+Pexel.g/100+Pexel.b/10000

outPosition＝inputPosition*(width,length,depth)+(0,Height,0)。

8.根据权利要求3所述的基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，其特征在于，所述根据更新后的高度图还原工件模型的步骤为：

获取更新后的高度图数据；

根据高度图数据更新顶点数据；

更新工件模型索引数据；

所述顶点数据和索引数据即可表示一个模型，该模型为加工后的工件模型。

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