CN116662694B - 在网页环境下实现刀具切削加工过程展示的可视化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及可视化技术领域，公开了一种在网页环境下实现刀具切削加工过程展示的可视化方法，包括以下步骤：步骤1，输入基础数据；所述基础数据包括刀具基础参数、切削参数和工件参数；步骤2，利用three.js引擎，创建刀具三维模型和工件三维模型，并创建基础场景；步骤3，将刀具和工件移动至对应的初始切削位置；步骤4，设定仿真步长，并控制刀具和工件进行布尔切割，以展示刀具切削加工过程；在三维模型创建中，采用简化函数构造三维模型；在布尔切割中，采用数组变量预先存储每步的切割运算结果；在展示过程中，调用数组变量进行可视化切割展示。本发明能够实现在线的刀具切削过程展示，且具备较高的实时性、直观性和真实性。
Description
技术领域
本发明涉及可视化技术领域，具体涉及一种在网页环境下实现刀具切削加工过程展示的可视化方法。
背景技术
在机械制造中，刀具的切削加工过程与工件加工质量息息相关。精准、稳定的切削加工有助于达到较高的切削精度。通过观察、研究刀具的切削加工过程，能够观察到刀具及工件在加工过程中的表面变化及相对运动轨迹，能够校验加工参数的设定及刀具的选用是否合理，还可为工艺参数的优化及刀具的改进提供可靠参考。
现今，随着智能制造逐渐成为未来制造业发展的趋势，智能数控加工的应用越来越广泛。在现有的数控软件、以及三维建模软件中大多设定有数控仿真功能，用于模拟刀具的切削加工过程，以便于提前校验切削工艺安排、刀具参数设定等的合理性。但是，由于此类软件需依托于本地计算机，局限性较大，且不便于在线查看，实时性和便利性欠缺。并且，由于切削仿真中涉及到多个实体的多个运动轨迹的构建及实体形态的动态更新，涉及的数据量较大，数据处理负载较重，若想要进行在线仿真，处理难度较大，显示效率较低。
发明内容
本发明意在提供一种在网页环境下实现刀具切削加工过程展示的可视化方法，能够实现在线的刀具切削过程展示，且具备较高的实时性、直观性和真实性。
本发明提供的基础方案为：在网页环境下实现刀具切削加工过程展示的可视化方法，包括以下步骤：
步骤1，输入基础数据；所述基础数据包括刀具基础参数、切削参数和工件参数；
步骤2，利用three.js引擎，创建刀具三维模型和工件三维模型，并创建基础场景；
步骤3，将刀具和工件移动至对应的初始切削位置；
步骤4，设定仿真步长，并控制刀具和工件进行布尔切割，以展示刀具切削加工过程；
在三维模型创建中，采用简化函数构造三维模型；在布尔切割中，采用数组变量预先存储每步的切割运算结果；在展示过程中，调用数组变量进行可视化切割展示；并将刀具与工件的交互部位设为第一显示优先级，其余部位设为第二显示优先级；在交互部位移动时，所述第二显示优先级不参与渲染更新。
本发明的工作原理及优点在于：
本方案提供了一种在网页环境中的刀具切削加工过程的可视化展示方法，能够实现切削加工过程的在线模拟和查看，相较于现有的基于软件的仿真展示方法，本方案利用three.js引擎在线构建三维模型及仿真场景，通过简单的布尔操作构建切削过程，展示效果更佳，便捷性和实时性更高。第二，本方案克服了在线的切削加工过程展示中所存在的数据传输量大、数据处理量大的问题。具体地，本方案首先通过采用简化函数构建三维模型，能够相对精简三维模型体量，减少网页中加载的总数据量。再通过数组变量预存储切割运算结果，能够减少切割展示过程中交互部位移动时网页端的即时处理数据量，能够通过数据量的优先，有效降低网页的数据处理负载。其次，在进行可视化切割展示时，基于交互部位动态调整显示优先级，能够充分展示切削加工过程的同时，尽可能地减少网页的数据处理量和实时运算量，有助于提升在线显示效率，具备较高的实时性。
附图说明
图1为本发明在网页环境下实现刀具切削加工过程展示的可视化方法实施例的方法流程示意图；
图2为本发明在网页环境下实现刀具切削加工过程展示的可视化方法实施例的切削仿真流程示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例基本如附图1和图2所示：在网页环境下实现刀具切削加工过程展示的可视化方法，包括以下步骤：
步骤1，输入基础数据；所述基础数据包括刀具基础参数、切削参数和工件参数。
具体地，所述刀具基础参数包括刀具类型，例如规则刀片、不规则刀片、可更换钻孔刀头、铰孔刀片、整体立铣刀等；刀具基础尺寸，此处以菱形刀片为例，对应的基础尺寸包括刀片夹角、内接圆直径、刀片后角、刀片厚度、刀尖圆半径、孔型等。
所述切削参数包括切削类型，例如车削、铣削、孔加工、螺纹加工等；切削工况，包括稳定切削、一般切削和不稳定切削；切削范围，包括粗加工、半精加工和精加工；切削方向，包括左向、右向和双向；刀具安装形式，包括刀塔安装形式和主轴安装形式；刀片夹紧方式，包括刀片顶面夹紧、刀片顶面及孔内夹紧等。所述工件参数，包括工件的基础尺寸和加工尺寸，以轴段为例，对应加工其外圆面时，其基础尺寸包括圆柱直径，其加工尺寸包括加工长度、径向余量、最大背吃刀量等。
本实施例中，在网页中设定有对应的基础数据填写选项，通过选取、填写对应的基础数据，完成基础数据的输入。并且，在输入基础数据时，在各数值填写选项中均设定有填写阈值，例如刀具外径的填写阈值为0-100，若输入数据超出填写阈值，则生成“填写错误”提醒。这样设置，可有效减少数据误输入现象。
本实施例中，在网页环境下预设有数据库；输入的基础数据存入数据库，且在存入数据库时，还对输入的基础数据进行重复性判定，若数据库中不存在相同数据，则存入数据库；若数据库中存在相同数据，则不存入数据库。这样设置，在网页使用中，新输入的基础数据可实时纳入数据库，扩展数据库数据的同时，避免了数据的重复存储。并且，通过数据库可统一管理各项参数数据，便于在线调用。
本实施例中，在输入基础参数后，还在网页中自动根据刀具基础参数生成刀具简图，根据刀具简图可快速预览所设置的刀具的初始效果，便于核对刀具参数是否输入准确，以及，便于检查是否选择了正确的刀具，给人的使用体验感更好。
步骤2，利用three.js引擎，创建刀具三维模型和工件三维模型，并创建基础场景。
具体地，在创建刀具三维模型和工件三维模型时，采用ThreeBSP.js通过直接布尔操作进行模型创建。其中，而ThreeBSP.js 为three.js的一个扩展库，能够实现对模型的数学布尔运算；采用此方法构建刀具三维模型和工件三维模型，能够精简模型计算流程，有效精简计算量，能够快速完成模型的创建。
所述创建基础场景包括，设置光源及环境光；设置相机及相机对象；设置渲染器对象及执行渲染操作。
在三维模型创建中，采用简化函数构造三维模型。所述简化函数包括立方体简化构造函数BoxGeometry、球体简化构造函数SphereGeometry、圆柱体及圆台体简化构造函数CylinderGeometry、拉伸体简化构造函数ExtrudeGeometry和旋转体简化构造函数LatheGeometry。
具体地，本实施例中，所述立方体简化构造函数为BoxGeometry(width, height,depth, widthSegments, heightSegments, depthSegments)，该构造函数的前三个参数表示立方体的长宽高尺寸，后三个参数表示xyz三个方向上的细分数。所述球体简化构造函数为SphereGeometry（R，Segments，Segments）；其中，R表示球体半径，Segments表示细分数；所述圆柱体及圆台体简化构造函数为CylinderGeometry（Ra，Rb，h，Segments）；其中，Ra和Rb分别表示圆柱或圆台的顶部半径和底部半径，h为高度，Segments为圆周细分数。所述拉伸体简化构造函数为ExtrudeGeometry（shape，options）；其中，shape为拉深体所需的形状对象或者一个包含形状的数组。options为ExtrudeGeometry的选项对象。所述旋转体简化构造函数为LatheGeometry(points, Segments, phiStart, phiLength)；其中，points为旋转体对应的指定样条曲线的点，可根据此样条曲线旋转得到新的图形；Segments为细分数；phiStart为旋转开始角度，phiLength为旋转停止角度，默认为2π。所述细分数即为创建图形时所用的分段数目。
通过上述构造函数，能够有效简化模型构建步骤并减少模型构建时的运算量。相较于常规模型构建方案中采用的三角面片法，采用将模型切分为三角面片，实现模型的简化，但该方法中需要采用复杂的包围盒等算法经过大量的运算处理后才能获得模型的布尔运算结果，运算过程相对复杂且运算量较大。而本方案所采用的构造函数能够直接对三维实体进行布尔操作，大大精简了模型构建时的运算步骤及运算量，能够达到较高的建模效率，保证可视化的实时性。
步骤3，将刀具和工件移动至对应的初始切削位置。本实施例中，初始切削位置定义为i=0。
步骤4，设定仿真步长，并控制刀具和工件进行布尔切割，以展示刀具切削加工过程。
在布尔切割过程中，首先将刀具三维模型和工件三维模型包装为BSP对象，并控制刀具三维模型对工件三维模型进行布尔切割。
并且，在布尔切割中，采用数组变量预先存储每步的切割运算结果。具体地，所述切割运算结果中包括处于i位置的刀具相对于其上一位置,即（i-1）位置的移动量，包括X轴移动量tx、Y轴移动量ty和Z轴移动量tz。单个数组变量中存储有一步切割运算结果。
在展示过程中，调用数组变量进行可视化切割展示；并将刀具与工件的交互部位设为第一显示优先级，其余部位设为第二显示优先级；在交互部位移动时，所述第二显示优先级不参与渲染更新。
所述数组变量还存储至数据库中并与其对应的基础数据建立关联；在输入新的基础数据时，若数据库中存在相同数据，则对应调用该相同数据相关联的数组变量以用于进行可视化切割展示。
在展示过程中，还进行实际切削加工过程模拟；在实际切削加工过程模拟中，对刀具和工件附加偏移变量，所述偏移变量与数组变量叠加生成实际布尔切割量；基于实际布尔切割量进行可视化切割展示。
所述数据库中还预存有附加参数表；所述附加参数表用于为刀具切削加工过程附加干扰特征；如附表1和表2所示（表1与表2相对应），所述附加参数表内设有刀具振动参数、工件振动参数和刀具磨损参数，以及各参数对应的偏移变量。
表1 附加参数表1-1
表2 附加参数表1-2
在实际加工过程中，受到加工环境因素及实际加工操作影响，刀具的切削加工过程往往与理论仿真得到的过程存在区别，本方案通过附加偏移变量，能够等效模拟真实的、处于不同外部因素影响下的刀具切削加工过程，更便于可视化观察刀具在实际加工中的状态，过程展现更为真实。
在展示过程中，当刀具切削加工过程终止后，还可选择继续进行布尔切割或对已完成的切削加工过程进行动画展示。具体地，本实施例中，在网页中设置有intersect选项卡，通过在intersect选项卡可实现继续布尔切割与动画展示操作的切换，其中，intersect—union对应为进行动画展示操作，intersect—subtract对应为继续进行布尔切割操作。
本实施例提供的一种在网页环境下实现刀具切削加工过程展示的可视化方法，能够实现在线的刀具切削过程展示，且具备较高的实时性、直观性和真实性。
特别的是，本方案中，能够同步保有较高的实时性和真实性。相较于现有的可视化方法，现有方法往往无法兼顾在线过程展示的实时性和真实性，例如现有的基于Tri-dexel模型的可视化方法，在可视化显示时网页加载的数据中往往包含有较多的冗余的无需发生仿真变化的数据，以致于可视化效率较低，实时性不佳。并且，对于切削加工过程展示这种工件形状动态变化的应用，若要保证工件动态变化真实，则需要达到较高的模型实时更新效率，数据处理负载较重，效率较低。本方案则对数据量和数据处理负载进行了减量。在构建模型时，采用简化函数构造三维模型，并在执行动态切割时，采用直接布尔操作进行处理，相较于基于三角面片的方法，本方案的操作更为直接，避免了过多的三角面片计算量，数据量得到有效精简，可快速生成布尔切割体，实现快速刀具切削工件的仿真作业，能够达到较高的实时性和真实性。
此外，本方案中还能够进一步还原实际的处于不同工况下的刀具切削加工过程。本方案中还特设有用以进行实际切削加工过程模拟的附加参数表，基于附加参数表为基础切削过程附加偏移变量，即可快速得到不同工况下的刀具切削加工过程的切割运算结果，能够快速模拟得到处于不同实际条件影响下的切削加工过程，能够为切削工艺校验、刀具选用等提供更为可靠的参考。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。
Claims (6)
1.在网页环境下实现刀具切削加工过程展示的可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，输入基础数据；所述基础数据包括刀具基础参数、切削参数和工件参数；
步骤2，利用three.js引擎，创建刀具三维模型和工件三维模型，并创建基础场景；
步骤3，将刀具和工件移动至对应的初始切削位置；
步骤4，设定仿真步长，并控制刀具和工件进行布尔切割，以展示刀具切削加工过程；
在三维模型创建中，采用简化函数构造三维模型；在布尔切割中，采用数组变量预先存储每步的切割运算结果；在展示过程中，调用数组变量进行可视化切割展示；并将刀具与工件的交互部位设为第一显示优先级，其余部位设为第二显示优先级；在交互部位移动时，所述第二显示优先级不参与渲染更新；
在展示过程中，还进行实际切削加工过程模拟；在实际切削加工过程模拟中，对刀具和工件附加偏移变量；所述偏移变量与数组变量叠加生成实际布尔切割量；基于实际布尔切割量进行可视化切割展示；
在网页环境下预设有数据库；输入的基础数据存入数据库，且在存入数据库时，还对输入的基础数据进行重复性判定，若数据库中不存在相同数据，则存入数据库；若数据库中存在相同数据，则不存入数据库；所述数据库中还预存有附加参数表；所述附加参数表用于为刀具切削加工过程附加干扰特征；所述附加参数表内设有刀具振动参数、工件振动参数和刀具磨损参数，以及各参数对应的偏移变量；
当刀具类型为标准刀片、工件类型为圆柱时，刀具振动参数设为圆周振动参数dlttx1=0.001sin(i*PI/4)，dltty1=-0.002cos(i*PI/6)；刀具磨损参数设为VB=0.002，刀具偏移变量为tx、ty；工件振动参数设为圆周振动参数dlttx2=-0.001sin(i*PI/3)，dltty2=-0.002cos(i*PI/5)，工件偏移变量为tx=tx+dlttx1+dlttx2，ty=ty+dltty1+dltty2；
当刀具类型为整体车刀、工件类型为圆柱时，刀具振动参数设为轴向串动参数dlttz1=0.003*sin(i*PI/5)时，刀具磨损参数设为VB=0.001，刀具偏移变量为tz、tx、ty，工件振动参数设为圆周振动参数dlttx1=-0.002cos(i*PI/4)，dltty1=0.001sin(i*PI/5)，工件偏移变量为tx=tx+dlttx1、ty=ty+dltty1、tz=tz+dlttz1；
刀具振动参数设为轴向串动参数dlttz1=0.003*sin(i*PI/5)和圆周振动参数dlttx1=0.001sin(i*PI/4)，dltty1=-0.002cos(i*PI/6)时，刀具磨损参数设为VB=0.001，刀具偏移变量为tz、tx、ty，工件振动参数设为圆周振动参数dlttx2=-0.001sin(i*PI/4)，dltty2=0.0015cos(i*PI/5)，工件偏移变量为tx=tx+dlttx1+dlttx2，ty=ty+dltty1+dltty2，tz=tz+dlttz1；i表示位置。
2.根据权利要求1所述的在网页环境下实现刀具切削加工过程展示的可视化方法，其特征在于，在创建刀具三维模型和工件三维模型时，采用ThreeBSP.js通过直接布尔操作进行模型创建。
3.根据权利要求1所述的在网页环境下实现刀具切削加工过程展示的可视化方法，其特征在于，所述创建基础场景包括，设置光源及环境光；设置相机及相机对象；设置渲染器对象及执行渲染操作。
4.根据权利要求2所述的在网页环境下实现刀具切削加工过程展示的可视化方法，其特征在于，在布尔切割过程中，首先将刀具三维模型和工件三维模型包装为BSP对象，并控制刀具三维模型对工件三维模型进行布尔切割。
5.根据权利要求1所述的在网页环境下实现刀具切削加工过程展示的可视化方法，其特征在于，所述简化函数包括立方体简化构造函数BoxGeometry、球体简化构造函数SphereGeometry、圆柱体及圆台体简化构造函数CylinderGeometry、拉伸体简化构造函数ExtrudeGeometry和旋转体简化构造函数LatheGeometry。
6.根据权利要求1所述的在网页环境下实现刀具切削加工过程展示的可视化方法，其特征在于，所述数组变量还存储至数据库中并与其对应的基础数据建立关联；在输入新的基础数据时，若数据库中存在相同数据，则对应调用该相同数据相关联的数组变量以用于进行可视化切割展示。
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