CN115047825B - 一种数控加工铣削实时显示的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控加工铣削实时显示的方法，涉及数控加工铣削领域，解决了现有的数控加工铣削在建立实体模型时以降低仿真效果和仿真精度为代价来换取实时性，导致建模流畅度降低，以出现卡顿的问题，现提出如下方案，其包括以下步骤：S1：只使用实时八叉树组织毛坯实体；S2：将切削面用三角网格模型来拟合，使用八叉树结构作为索引来快速查询切削区域，根据刀具扫掠体的等值面更新毛坯上表面切削区域内的网格节点坐标；S3：两次三角网格切削面的拟合。本方法具有保证了算法的效率不会随三角面的增加而快速降低，克服了直接用三角网进行运算的缺陷，整体方法可以在较短的时间内，实现数控铣削的仿真效果的特点。

Description

一种数控加工铣削实时显示的方法

技术领域

本发明涉及数控加工铣削领域，尤其涉及一种数控加工铣削实时显示的方法。

背景技术

铣削是以铣刀作为刀具加工物体表面的一种机械加工方法。铣床有卧式铣床，立式铣床，龙门铣床，仿形铣床，万能铣床，杠铣床。

而在铣削的数字化控制中，模型的表示是实现数控仿真系统的基础，实体的切割以及显示都要在模型的基础上进行演示。目前，传统的实体模型表示方式主要是边界表示法B-rep、体素构造法CSG。

体素(空间分割法)的实质就是将几何模型分解为若干三维形体的集合来实现数控验证，八叉树法是Voxel建模法的特殊形式，空间划分的基本三维形体是立方体，将布尔运算降到了极限，但是此种方法对内存需求大，对设备硬件要求高，而且数控仿真的精度受离散尺度的影响很大。为中和内存需求和仿真精度的矛盾，在体素化的基础上将移动立方体算法(Marching Cubes)应用到数控仿真中的加工面显示，最后用一系列的三角面片拟合出体素中的等值面作为切削面，针对MC算法中不同切削面重合部分，则可以根据之前的八叉树作为索引进行快速三角网格的布尔运算，实现高精度切削过程的平滑过渡。

这两种方法虽然可以精确的表示实体模型，但是在切削过程中需要采用布尔运算的方法，布尔运算计算量大，耗时且易出错，很难投入到实际的应用中；为了加速仿真速度，可以将模型使用空间分割法表示，它是物体的一种近似表示方法，实体被分解为多个规则的空间单元，计算机中会存储空间单元的形状、对应平面的信息，以及各单元对应的实体间的位置关系等，常用的空间分割法有深度元素法Dexel、八叉树表示法OCC-tree、和体素法Voxel。空间分割法虽然数据结构相对简单，处理速度快，但是是以降低仿真效果和仿真精度为代价来换取实时性，因此其实际是通过的牺牲建模中的流畅度，所以实体建模需要协调好精度和速度的需求。因此提出一种数控加工铣削实时显示的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数控加工铣削实时显示的方法，解决了现有的数控加工铣削在建立实体模型时以降低仿真效果和仿真精度为代价来换取实时性，导致建模流畅度降低，以出现卡顿的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种数控加工铣削实时显示的方法，包括以下步骤：

S1：只使用实时八叉树组织毛坯实体；

S2：将切削面用三角网格模型来拟合，使用八叉树结构作为索引来快速查询切削区域，根据刀具扫掠体的等值面更新毛坯上表面切削区域内的网格节点坐标，包括：

1)在已经八叉树剖分的基础上，在刀具扫掠体的最小包围盒内以剖分的最小体素边长为步长，以最小包围盒的坐标最小值点为原点，在包围盒范围内的XOY、XOZ、YOZ的三个面内构造三向射起始点；

2)以射线起始点为键值，通过射线法求出射线与刀具扫掠体的交点对坐标值(射线会和刀具扫掠体形成0、1或2个交点)，将这些数据实时保存到哈希表中，用三向射线数据的交点值来表示刀具等值面；

3)遍历八叉树，以满足划分精度条件的叶子节点为单位，分别查询其八个角点值对应的哈希表中xoy、xoz、yoz的射线交点对值，通过坐标值简单的对比，即可判断体素边是否被等值面切割，为其赋值相应的0或1，若其被切割，则为相应索引的切割点赋值交点值；

4)快速的剔除不参与等值面绘制的体素，加速移动立方体绘制等值面的过程；

S3：两次三角网格切削面的拟合：

1)在定义三角面片数据结构时，增加一个索引值，在经过S1、S2过程后，所有生成的三角面片都是基于八叉树索引的；

2)两次不同的刀位点，不参与绘制三角面的立方体体素会根据索引迅速删除，进而快速提取相交三角形；

3)两三角网格的平滑主要是针对相交三角形的平滑，在提取到相交三角形后，根据八叉树索引，对同一立方体内两三角网中不同的三角形利用射线法进行求交；

4)取到交点值后，可以根据交点连接成线，根据交线可以对相交三角形进行再三角化；将两三角网中的三角形进行三角剖分，生成更小的三角形，之后根据交线来判断毛刺部分的删除；

5)将三角网二中所有未删除的三角形均加入到三角网1中，形成平滑的三角网，之后将新的三角网作为网一与新拟合的切削面再次布尔运算，即可完成数控加工切削面的实时仿真。

优选的，所述S2中采用MC算法，且立方体的八个角上的标量值来定义体素，体素中三角面片顶点的具体位置需要根据等值面的值和所在边的两个顶点的值进行线性插值计算得到。

优选的，所述计算公式为：

P＝P1+(value-V1)(P2-P1)/(V2-V1)

其中p1，p2为端点坐标，v1，v2为端点物理量。

优选的，所述S2-3)中将传统的MC算法中的插值逼近等值面修改为三向射线的判断。

优选的，所述S3-3)中三角形每条边构建射线，射线追踪范围t为每条边的长度，将三角形之间的相交转换为射线与三角形的相交，从而快速获取两网格模型交点值。

与相关技术相比较，本发明提供的一种数控加工铣削实时显示的方法具有如下有益效果：

本发明提供一种数控加工铣削实时显示的方法，在前期使用体素快速切削掉大量毛坯，同时为了达到较好的视觉效果和精度，利用三角面片去拟合切削面，而切削面等值面的表示则借鉴了三向Dexel的算法中的三向射线来提高表示精度，同时使用八叉树的索引结构，结合移动立方体算法可以快速的拟合出切削面，最后的三角网格布尔运算中，也使用八叉树索引的方法快速的进行相交网格的提取，并对这些网格进行再三角化运算，形成视觉效果良好的切削面。并且所有的三角面都带有树结构索引，后面的运算都可以控制在小范围的立方体中计算，使得整体计算量控制在树结构的部分叶子节点中，保证了算法的效率不会随三角面的增加而快速降低，克服了直接用三角网进行运算的缺陷。整体方法可以在较短的时间内，实现数控铣削的仿真效果。

附图说明

图1为本发明的一种数控加工铣削实时显示的方法的系统模块图。

图2为本发明的一种数控加工铣削实时显示的方法的八叉树剖分过程示意图。

图3为本发明的一种数控加工铣削实时显示的方法的八叉树编码示意图。

图4为本发明的一种数控加工铣削实时显示的方法的八叉树空间分割法法流程图。

图5为本发明的一种数控加工铣削实时显示的方法的MC算法体素顶点与边的定义的示意图。

图6为本发明的一种数控加工铣削实时显示的方法的Marching cubes算法流程图。

图7为本发明的一种数控加工铣削实时显示的方法的三角网格布尔运算流程图。

图中：1、托板；2、垫片；3、底板；4、调节板；5、滑槽；6、滑块；7、滑轨；8、丝杆；9、滑板；10、转框；11、通孔；12、仿生学橡胶护垫；13、螺栓孔；14、双向螺纹筒；15、螺杆；16、螺栓。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：

①只使用实时八叉树组织毛坯实体：

本文仍采用基于离散模型的加工仿真方法，采用八叉树空间分割法来组织毛坯实体。这种方法将实体分解为立方体的集合。物体放在一个最小的包围立方体内，形成八叉树的根节点，即初始节点，八叉树的每个节点都和一个子立方体相对应。判断立方体是否被物体所占据，被物体完全占据的是黑色节点，不被物体占据的是白色节点，被物体部分占据的是灰色节点，将灰色节点继续分解为八个大小相等的子立方体，直到所有子立方体对应的节点或者是黑色，或者是白色，或者满足预先定义好的精度。物体的实体模型就是由这些黑色节点和最小立方体近似表示的。(与模型的表示相反，毛坯部分的铣削仿真则是要去除毛坯，保留模型实体，所以对应的节点颜色刚好相反)

递归创建的八叉树模型通过将毛坯模型拓扑关系的索引编号放在对应节点上，空间模型中立方体与树节点一一对应，编码表示为：其中，N为八叉树最大剖分深度，Qi为{0，1,2,3,4,5,6,7},Y为不同于0至7的符号。这样，通过Qi可以表示兄弟节点间的序号以及在其父节点区域的空间位置，YN可以完整的表示出八叉树中每个叶子节点到根节点的路径。

八叉树剖分过程示意图如说明书附图2所示。

八叉树编码示意图如说明书附图3所示。

八叉树空间分割法法流程图如说明书附图4所示。

如果单纯的采用此种方法进行仿真切削模拟，在仿真精度较低时加工表面容易出现阶梯形状，而如果提升精度，又会产生仿真过程中数据量大且需要进行大量布尔运算的问题，所以仍然需要解决显示精度与数据量大运算量大的矛盾。

②为解决数据量与划分精度的冲突，可以将切削面用三角网格模型来拟合：

使用八叉树结构作为索引来快速查询切削区域，根据刀具扫掠体的等值面更新毛坯上表面切削区域内的网格节点坐标，实现在八叉树剖分精度较低的情况下拥有较高的仿真精度，并且也可以提高数控铣削的仿真效率。

为此，引入移动立方体算法(Marching Cubes)，MC算法是基于一个规则的三维标量场来进行的“等值面提取”算法，因为其同样是基于规则的三维标量场，因此可以和上面的八叉树空间分割很好的契合。算法的主要思想是在三维离散的数据场中通过线性插值来逼近等值面，常规算法中通过一个阈值来确定这个等值面。通过立方体的八个角上的标量值来定义体素(立方体)。则体素中的顶点值有三种情况：高于或等于等值面的值表示在表面的内部，低于等值面表示在表面的外部；这样，体素中的一个顶点就有两种可能的情况，则一个体素(八个顶点)就一共有256中状态，其中每一种状态都含有若干的三角面，体素中三角面片顶点的具体位置需要根据等值面的值和所在边的两个顶点的值进行线性插值计算得到。相交点P的计算公式为P＝P1+(value-V1)(P2-P1)/(V2-V1)，其中p1，p2为端点坐标，v1，v2为端点物理量。通过对256种状态制作一个查找表，便可以在重建时应用，之后通过遍历所有的体元，找出其中的三角面片并将他们组合起来就可以构成最后的三角网格表面数据。

基于八叉树索引的改进MC算法：此方法沿用了MC算法中对三维规则数据场进行构建的相关原理，可以在八叉树与刀具干涉划分的基础上对数据场的每个最深叶子节点体素逐一处理，算法首先将在刀具等值面面上的点映射到相应的边。构建8bit的索引，其中每个bit对应一个顶点。Index＝v7，v6，v5，v4，v3，v2，v1，v0。之后对edge表进行查找将会返回一个12bit的数字，每个bit对应一条边，0表示这条边没有等值面切割，1表示这条边被等值面切割。如果没有一条边被切割，那么table将返回0。通过返回的Index值可以在立方体中的256种交点情况中选择对应的情况。而对于等值面的插值，由于刀具扫掠体随刀具的变化而变化，此处采用三向射线的方法来记录刀具扫掠体的等值面：

具体步骤如下：

在已经八叉树剖分的基础上，在刀具扫掠体的最小包围盒内以剖分的最小体素边长为步长，以最小包围盒的坐标最小值点为原点，在包围盒范围内的XOY、XOZ、YOZ的三个面内构造三向射起始点。

以射线起始点为键值，通过射线法求出射线与刀具扫掠体的交点对坐标值(射线会和刀具扫掠体形成0、1或2个交点)，将这些数据实时保存到哈希表中便于查找，用三向射线数据的交点值来表示刀具等值面。

遍历八叉树，以满足划分精度条件的叶子节点为单位，分别查询其八个角点值对应的哈希表中xoy、xoz、yoz的射线交点对值，通过坐标值简单的对比，即可判断体素边是否被等值面切割，为其赋值相应的0或1，若其被切割，则为相应索引的切割点赋值交点值。此处将传统的MC算法中的插值逼近等值面修改为三向射线的判断，可以很好的将MC算法运用到数控加工的切削面拟合中。

因为此处的MC算法体素均是八叉树中的叶子节点，所以可以快速的剔除不参与等值面绘制的体素，加从而加速了移动立方体绘制等值面的过程，节约了运算时间。

MC算法体素顶点与边的定义如说明书附图5所示。

Marching cubes算法流程图如说明书附图6所示。

③两次三角网格切削面的拟合：

在不同刀位点，生成的切削面之间需要平滑的过渡，而通过①②结合的方式生成的三角网格相对独立，要想实现毛坯实时的变化，需要相邻两次的三角网格进行布尔运算。

三角网格的布尔运算步骤如下：

在定义三角面片数据结构时，增加一个索引值，在经过①②过程后，所有生成的三角面片都是基于八叉树索引的。

两次不同的刀位点，不参与绘制三角面的立方体体素会根据索引迅速删除，因此可以根据索引，不重合部分的三角形通过八叉树索引可以轻易判断去留，同时也可以根索引值快速提取相交三角形。

两三角网格的平滑主要是针对相交三角形的平滑，在提取到相交三角形后，根据八叉树索引，对同一立方体内两三角网中不同的三角形利用射线法进行求交，为三角形每条边构建射线，射线追踪范围t为每条边的长度，将三角形之间的相交转换为射线与三角形的相交，从而快速获取两网格模型交点值。

取到交点值后，可以根据交点连接成线，根据交线可以对相交三角形进行再三角化：将两三角网中的三角形进行三角剖分，生成更小的三角形，之后根据交线来判断毛刺部分的删除。

将三角网二中所有未删除的三角形均加入到三角网1中，形成平滑的三角网，之后将新的三角网作为网一与新拟合的切削面再次布尔运算，即可完成数控加工切削面的实时仿真。

三角网格布尔运算流程图如说明书附图7所示。

目前构造实体几何模型CSG和界表示法B-rep虽然能够精确的表示一个物体，但是数控仿真中的布尔运算次数往往为数千至上万，所以很难保证实时性的要求。所以目前数控仿真的体模型建模方法主要有体素模型、Dexel模型、或者纯三角网格模型。

①单纯的使用体素模型：基于体素的加工仿真中，材料的去除通过体素的去除来实现，精度越高，体素数量越多，占用的内存资源，对设备的硬件需求越高，并且使用此种方法很难达到良好的视觉效果，并不适合高精度的切削仿真。

②使用深度元素模型(Dexel)：分为单向Dexel和三向Dexel，Dexel模型是在一个平面上构造等间隔的二维网格，然后从每个二维网格点发出沿平面发现方向的一组平行且等距的光线，记录光线在实体中的部分。Dexel模型的仿真精度是光线之间的间隔，模型沿光线发射方向有无穷的精度，但是在其他方向会受仿真精度的限制，三向Dexel模型是单向Dexel模型的扩展，它在三个方向都有较高的精度。Dexel模型虽然简化了布尔运算，相比于体素模型在速度上和存储空间上占有优势，但是其仿真精度与仿真速度的矛仍然不能解决，并且三向Dexel方法由于三组单向Dexel模型之间的歧义，性不能用很好的方式进行显示，表面重构时需要使用更加复杂的算法，这样使得深度元素法也很难满足数控仿真在高精度下的实时性。

③完全使用三角网格模型进行布尔运算：直接对三角网格进行布尔运算，其输出结果也是一个网格模型，而且基于此种方法进行的布尔运算可以获得较高的精度和良好的视觉效果，但在模型三角数量众多的情况下，直接进行相交测试往往耗时漫长且无法接受，因此单此种方法同样不适用与数控加工的实时显示。

④本文方法的优势：通过分析现在常用三种方法的优缺点，我们将其中的长处结合起来，在前期使用体素快速切削掉大量毛坯，同时为了达到较好的视觉效果和精度，利用三角面片去拟合切削面，而切削面等值面的表示则借鉴了三向Dexel的算法中的三向射线来提高表示精度，同时使用八叉树的索引结构，结合移动立方体算法可以快速的拟合出切削面，最后的三角网格布尔运算中，也使用八叉树索引的方法快速的进行相交网格的提取，并对这些网格进行再三角化运算，形成视觉效果良好的切削面。并且所有的三角面都带有树结构索引，后面的运算都可以控制在小范围的立方体中计算，使得整体计算量控制在树结构的部分叶子节点中，保证了算法的效率不会随三角面的增加而快速降低，克服了直接用三角网进行运算的缺陷。整体方法可以在较短的时间内，实现数控铣削的仿真效果。

Claims (5)

1.一种数控加工铣削实时显示的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：只使用实时八叉树组织毛坯实体；

S2：将切削面用三角网格模型来拟合，使用八叉树结构作为索引来快速查询切削区域，根据刀具扫掠体的等值面更新毛坯上表面切削区域内的网格节点坐标，包括：

1)在已经八叉树剖分的基础上，在刀具扫掠体的最小包围盒内以剖分的最小体素边长为步长，以最小包围盒的坐标最小值点为原点，在包围盒范围内的XOY、XOZ、YOZ的三个面内构造三向射起始点；

2)以射线起始点为键值，通过射线法求出射线与刀具扫掠体的交点对坐标值，即射线会和刀具扫掠体形成0、1或2个交点，将这些数据实时保存到哈希表中，用三向射线数据的交点值来表示刀具等值面；

3)遍历八叉树，以满足划分精度条件的叶子节点为单位，分别查询其八个角点值对应的哈希表中xoy、xoz、yoz的射线交点对值，通过坐标值简单的对比，即可判断体素边是否被等值面切割，为其赋值相应的0或1，若其被切割，则为相应索引的切割点赋值交点值；

4)快速的剔除不参与等值面绘制的体素，加速移动立方体绘制等值面的过程；

S3：两次三角网格切削面的拟合：

1)在定义三角面片数据结构时，增加一个索引值，在经过S1、S2过程后，所有生成的三角面片都是基于八叉树索引的；

2)两次不同的刀位点，不参与绘制三角面的立方体体素会根据索引迅速删除，进而快速提取相交三角形；

3)两三角网格的平滑是针对相交三角形的平滑，在提取到相交三角形后，根据八叉树索引，对同一立方体内两三角网中不同的三角形利用射线法进行求交；

4)取到交点值后，根据交点连接成线，根据交线对相交三角形进行再三角化；将两三角网中的三角形进行三角剖分，生成更小的三角形，之后根据交线来判断毛刺部分的删除；

5)将三角网二中所有未删除的三角形均加入到三角网1中，形成平滑的三角网，之后将新的三角网作为网一与新拟合的切削面再次布尔运算，即可完成数控加工切削面的实时仿真。

2.根据权利要求1所述的一种数控加工铣削实时显示的方法，其特征在于，所述S2中采用MC算法，且立方体的八个角上的标量值来定义体素，体素中三角面片顶点的具体位置需要根据等值面的值和所在边的两个顶点的值进行线性插值计算得到。

3.根据权利要求2所述的一种数控加工铣削实时显示的方法，其特征在于，相交点P的计算公式为：

P＝P1+(value-V1)(P2-P1)/(V2-V1)

其中p1，p2为端点坐标，v1，v2为端点物理量。

4.根据权利要求2所述的一种数控加工铣削实时显示的方法，其特征在于，将传统的所述MC算法中的插值逼近等值面修改为三向射线的判断。

5.根据权利要求2所述的一种数控加工铣削实时显示的方法，其特征在于，所述S3的3)中三角形每条边构建射线，射线追踪范围t为每条边的长度，将三角形之间的相交转换为射线与三角形的相交，从而快速获取两网格模型交点值。