CN117608205A - 一种激光切割数控系统的三维实体仿真构造的实现装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光切割数控系统的三维实体仿真构造的实现装置，包括：毛坯模型建立单元，用于根据VOXEL模型的构造方法和已知毛坯的长宽高信息，建立用于数控系统三维实体仿真的毛坯模型；中间体模型获取单元，用于根据有效面绘制方式，绘制所述毛坯模型的外表面和有效切削面，得到中间体模型；三维实体仿真构造获取单元，用于根据激光切割数控系统的刀具运动模式，获取所述中间体模型的切割包围体信息，将具有切割包围体信息的模型作为实现的三维实体仿真构造。上述方法解决了现有技术中图形可视性差，缺乏立体感，容易产生一些误解的问题，并且难于向非专业技术人员展示，影响用户对加工运行动作的理解，影响生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及计算机技术，尤其涉及一种激光切割数控系统的三维实体仿真构造的实现装置。
背景技术
目前，激光数控系统中普遍采用二维图形显示空间的运动轨迹，其存在的问题在于：图形可视性差，缺乏立体感，容易产生一些误解，并且难于向非专业技术人员展示，影响用户对加工运行动作的理解，从而影响生产效率。综上所述针对激光数控系统三维实体仿真，缺乏一种好的三维实体仿真构造方法，解决三维实体仿真构造和显示效率的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种激光切割数控系统的三维实体仿真构造的实现装置。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明实施例提供一种激光切割数控系统的三维实体仿真构造的实现方法，包括：
毛坯模型建立单元，用于根据VOXEL模型的构造方法和已知毛坯的长宽高信息，建立用于数控系统三维实体仿真的毛坯模型；
中间体模型获取单元，用于根据有效面绘制方式，绘制所述毛坯模型的外表面和有效切削面，得到中间体模型；
三维实体仿真构造获取单元，用于根据激光切割数控系统的刀具运动模式，获取所述中间体模型的切割包围体信息，将具有切割包围体信息的模型作为实现的三维实体仿真构造。
可选地，所述毛坯模型建立单元，具体用于，
根据VOXEL模型的构造方法将已知毛坯的长、宽、高分别以固定的显示精度在X轴、Y轴和Z轴上进行离散；nx、ny、nz分别为X轴、Y轴以及Z轴上以固定显示精度而离散的单元立方体个数；建立用于数控系统三维实体仿真的毛坯模型；n为大于等于0的整数；
毛坯模型的结构信息包括：作为最小单位元素的单元立方体、单元立方体的索引值Key、上、下、前、后、左、右六个面的显示标志位、单元立方体是否发生切削的标志位。
可选地，中间体模型获取单元，具体用于，
初始化所述毛坯模型，获得所述毛坯模型用于显示的最外层的外表面；
根据毛坯模型的结构信息，判断每一个单元立方体是否发生切削；
针对当前单元立方体，若发生切削，则根据该当前单元立方体的索引值反算出与该当前单元立方体相邻的六个单元立方体；
根据毛坯模型的结构信息中反算出的六个单元立方体是否发生切削的信息，确定当前单元立方体的有效绘制面，
获得每一个单元立方体的有效绘制面作为有效切削面。
可选地，三维实体仿真构造获取单元，包括：
分别过刀尖点O2和刀轴顶点O1作垂直于XOY面的垂线，垂足分别为O”和O’，并连接两垂足；
过垂点O”作平行于X轴的平行线，同时过O’作垂直于O”O’的垂线，并与过O”点平行于X轴的平行线相交于点N；
过点O’做垂线垂直于O”N，垂足为M；
由已知参数刀尖点O2(x2,y2,z2)和刀轴矢量对刀轴顶点进行求解，可得到刀轴的顶点坐标为O1(x2+h·i,y2+h·j,z2+h·k)；h为刀轴长度；
根据O1和O2的坐标分别可以直接得出O’和O”的坐标，即O'(x2+h·i,y2+h·j,z')，O”(x2,y2,z”)，因为O’和O”在同一平面上，所以z'＝z”，O’M和O”M的计算表达式：
在平面O’O”N上，由O’M和O”M的值求出直线O”O’和直线O”N之间的夹角，该夹角的计算公式：
θ＝arctan(j/i) (1.3)
在直角三角形O’O”N中，θ＝θ'，MN＝tanθ'·O'M则点N的坐标为：N(x2+h·i+tanθ·h·j,y2,z')；
计算N点坐标的目的在于需要求出垂直于平面O1O2O”O'的向量即该向量垂直于刀具包围体的左右侧表面；然后继续求解垂直于向量/>和/>相交所形成的平面的向量，即垂直于刀具包围体前后侧表面的向量；
设垂直于刀具包围体前后侧表面的向量为向量/>的计算公式：
R为刀轴矢量的半径；
得到垂直于刀具包围体的前后、左右侧表面向量后，进行单位化，然后再对刀具包围体的八个顶点进行计算。
第二方面，本发明实施例还提供一种激光切割数控系统的三维实体仿真构造的实现方法，包括：
S10、根据VOXEL模型的构造方法和已知毛坯的长宽高信息，建立用于数控系统三维实体仿真的毛坯模型；
S20、根据有效面绘制方式，绘制所述毛坯模型的外表面和有效切削面，得到中间体模型；
S30、根据激光切割数控系统的刀具运动模式，获取所述中间体模型的切割包围体信息，将具有切割包围体信息的模型作为实现的三维实体仿真构造。
可选地，所述S10包括：
根据VOXEL模型的构造方法将已知毛坯的长、宽、高分别以固定的显示精度在X轴、Y轴和Z轴上进行离散；nx、ny、nz分别为X轴、Y轴以及Z轴上以固定显示精度而离散的单元立方体个数；建立用于数控系统三维实体仿真的毛坯模型；n为大于等于0的整数；
毛坯模型的结构信息包括：作为最小单位元素的单元立方体、单元立方体的索引值Key、上、下、前、后、左、右六个面的显示标志位、单元立方体是否发生切削的标志位。
可选地，所述S20包括：
S21、初始化所述毛坯模型，获得所述毛坯模型用于显示的最外层的外表面；
S22、根据毛坯模型的结构信息，判断每一个单元立方体是否发生切削；
S23、针对当前单元立方体，若发生切削，则根据该当前单元立方体的索引值反算出与该当前单元立方体相邻的六个单元立方体；
S24、根据毛坯模型的结构信息中反算出的六个单元立方体是否发生切削的信息，确定当前单元立方体的有效绘制面，
S25、获得每一个单元立方体的有效绘制面作为有效切削面。
可选地，所述S23包括：
根据当前单元立方体的索引值，计算出该当前单元立方体关联的8个顶点，根据8个顶点中不同的顶点组合查找出相邻的每个具体的单元立方体表面。
可选地，所述S23包括：
假设任意一个单元立方体的索引值为voxel[k1+1][j1+1][i1+1]，通过相邻查找算法搜索出该单元立方体关联的7个顶点的数组下标值；
当前单元立方体上表面的顶点组合为Voxel[k1+1][j1+1][i1+1]，Voxel[k1+1][j1+1][i1]，Voxel[k1+1][j1][i1]，Voxel[k1+1][j1][i1+1]，绘制上表面的顶点组合结构；
当前单元立方体右表面的顶点组合为Voxel[k1+1][j1+1][i1+1]，Voxel[k1+1][j1][i1+1]，Voxel[k1][j1][i1+1]，Voxel[k1][j1+1][i1+1]，绘制右表面的顶点组合结构；
当前单元立方体下表面的顶点组合为Voxel[k1][j1+1][i1]，Voxel[k1][j1][i1]，Voxel[k1][j1][i1+1]，Voxel[k1][j1+1][i1+1]，绘制下表面的顶点组合结构；
当前单元立方体左表面的顶点组合为Voxel[k1+1][j1+1][i1]，Voxel[k1+1][j1][i1]，Voxel[k1][j1][i1]，Voxel[k1][j1+1][i1]，绘制左表面的顶点组合结构；
当前单元立方体前表面的顶点组合为Voxel[k1+1][j1][i1]，Voxel[k1+1][j1][i1+1]，Voxel[k1][j1][i1]，Voxel[k1][j1][i1+1]，绘制前表面的顶点组合结构；
当前单元立方体后表面的顶点组合为Voxel[k1+1][j1+1][i1]，Voxel[k1+1][j1+1][i1+1]，Voxel[k1][j1+1][i1]，Voxel[k1][j1+1][i1+1]，绘制后表面的顶点组合结构；
和/或，所述S24包括：
在确定当前单元立方体的各个面对应的顶点组合结构时，通过顶点组合结构所属单元立方体中各个面中是否发生切削的标志位确定是否发生切削的信息，进而实现当前单元立方体的有效绘制面。
可选地，所述S30包括：
S31、分别过刀尖点O2和刀轴顶点O1作垂直于XOY面的垂线，垂足分别为O”和O’，并连接两垂足；
S32、过垂点O”作平行于X轴的平行线，同时过O’作垂直于O”O’的垂线，并与过O”点平行于X轴的平行线相交于点N；
S33、过点O’做垂线垂直于O”N，垂足为M；
S34、由已知参数刀尖点O2(x2,y2,z2)和刀轴矢量对刀轴顶点进行求解，可得到刀轴的顶点坐标为O1(x2+h·i,y2+h·j,z2+h·k)；h为刀轴的长度；
S35、根据O1和O2的坐标分别可以直接得出O’和O”的坐标，即O'(x2+h·i,y2+h·j,z')，O”(x2,y2,z”)，因为O’和O”在同一平面上，所以z'＝z”，O’M和O”M的计算表达式：
S36、在平面O’O”N上，由O’M和O”M的值求出直线O”O’和直线O”N之间的夹角，该夹角的计算公式：
θ＝arctan(j/i) (1.3)
S37、在直角三角形O’O”N中，θ＝θ'，MN＝tanθ'·O'M则点N的坐标为：N(x2+h·i+tanθ·h·j,y2,z')；
S38、计算N点坐标的目的在于需要求出垂直于平面O1O2O”O'的向量即该向量垂直于刀具包围体的左右侧表面；然后继续求解垂直于向量/>和/>相交所形成的平面的向量，即垂直于刀具包围体前后侧表面的向量；
S39、设垂直于刀具包围体前后侧表面的向量为向量/>的计算公式：
S310、得到垂直于刀具包围体的前后、左右侧表面向量后，进行单位化，然后再对刀具包围体的八个顶点进行计算。
第三方面，本发明实施例还提供一种激光切割数控系统，包括：存储器和处理器，所述存储器存储计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序，并执行上述第二方面任一所述的一种激光切割数控系统的三维实体仿真构造的实现方法的步骤。
(三)有益效果
采用本发明的方法在激光数控系统中实现了切割动作的实体仿真，解决了二维图形显示空间轨迹的可视性差、立体感缺乏、向非技术人员展示困难，用户理解困难及生产效率受影响等问题，提升了激光切割数控系统的使用体验和加工生产效率。
附图说明
图1为本申请一个实施例中的激光数控系统三维实体仿真的构造方法流程示意图
图2为本申请一个实施例中的实体模型建立和离散显示原理示意图
图3为本申请一个实施例中的相邻单元体反算示意图
图4为本申请一个实施例中的Dexel体模型的链表数据结构示意图
图5为本申请一个实施例中的Dexel体模型单元分解示意图
图6为本申请一个实施例中的刀路轮廓与Dexel单元之间的求交运算示意图；
图7为刀具运动在一般情况下的包围体计算法分析图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
三维实体仿真构造的方法是利用OpenGL(开放图形库)图形显示系统的支持，提出一种新的将Dexe l数据转化为一系列平面轮廓的生成算法。该方法使用分组原则将相邻的Dexe l分为不同的组，同一组中的Dexe l点按一定规则形成边界；同一层中所有的Dexe l点连接完成后，创建一个连接表，并按逆时针方向为每一轮廓确定需要连接的点集；将所有层上的Dexe l连接起来最终形成三维物体的表面轮廓，实现三维实体的构造。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种激光切割数控系统的三维实体仿真构造的实现方法，本实施例的方法可借助于激光切割数控系统实现，本实施例的方法包括：
S10、根据VOXEL模型的构造方法和已知毛坯的长宽高信息，建立用于数控系统三维实体仿真的毛坯模型；
S20、根据有效面绘制方式，绘制所述毛坯模型的外表面和有效切削面，得到中间体模型；
S30、根据激光切割数控系统的刀具运动模式，获取所述中间体模型的切割包围体信息，将具有切割包围体信息的模型作为实现的三维实体仿真构造。
采用本实施例的本申请提出的激光数控系统三维实体仿真构造的实现方法，通过本方法能彻底解决图形可视性差，缺乏立体感，容易产生一些误解的问题，并且解决难于向非专业技术人员展示，影响用户对加工运行动作的理解，影响生产效率的问题。
实施例二
本实施例的方法可具体说明如下：
步骤1：实体模型构造，是根据切割矢量在空间进行自由运动的特征、切割矢量与毛坯进行切削的各种复杂情况，以及毛坯的切削显示计算，采用基于VOXEL模型的构造原理来设计和建立应用于数控三维实体仿真的毛坯模型是一种高效而简洁的方法。即利用一些方法在三维空间构造出毛坯模型的外部轮廓。
步骤2：实体模型绘制，采用一种基于有效面绘制的计算方法，即只对实体模型的外表面和有效切削面进行绘制，不对实体内部的无用面进行绘制，避免多余面、冗余面以及错误面的绘制，这样可以提高实体在动态切削过程中的更新显示速度。其说明以面的概念构造轮廓，以说明切削面的获取过程。
步骤3：切割包围体计算，刀具运动情况主要分为两种，一种为垂直运动，另一种为旋转运动。其中垂直运动为三维实体仿真中的特殊情况，而旋转运动为三维实体仿真中的一般情况。通过分析，可以对两种基本的运动类型设计出相应的切割包围体的计算方法。
所述步骤1中，实体模型构造采用在功能和结构上简化的CAD图形模块和其基本几何工具模块，更适合应用于数控系统的三维实体仿真建模。
所述步骤1中，实体模型构造使用的三维构造基础库主要由COpenGL类、几何基础模块及其它几何图形类组成，输出一系列用于OpenGL三维图形绘制的C++类的数据结构。三维构造基础库和系统的其它功能模块一起，驱动三维模型构造的实现。
具体是将毛坯的已知长、宽、高分别以固定的显示精度在X轴、Y轴和Z轴上进行离散，nx、ny、nz分别为X轴、Y轴以及Z轴上以固定显示精度而离散的单元立方体个数，每一单元立方体都含有6个面的信息；n为大于等于0的正整数；
如图2所示，若将每一个单元立方体作为构造毛坯模型的最小单位元素，则每一个单元立方体的关键信息元素为：单元体的索引值(Key，即该顶点的数组下标值)、上、下、前、后、左、右六个面的显示标志位以及单元体是否发生切削的标志位是其结构信息的组成。基于VOXEL模型的实体构造方法能够存储丰富的三维信息元素，且能表示复杂的模型结构。
所述步骤2中，实体模型绘制采用一种基于有效面绘制的计算方法，具体为初始化实体模型的时候，只需要显示实体模型的最外层面。由于所取单元体的索引值为该单元体的八个顶点中相对位置值最大的一个，所以在绘制初始化实体模型的时候，对其有效面的绘制判断均按照这样进行。
在确定有效面绘制的基础上，下一步需要进行研究和实现的就是根据不同的特殊情况，对每个单元体的六个面进行有效绘制或消除，根据每个单元体所存储的三维信息元素以及该单元体的索引值定位，可以间接计算出与其六个面相邻的六个单元体的索引值，以及这六个相邻单元体的面绘制信息。图3为本申请一个实施例中的相邻单元体反算示意图，如图3所示，如果单元体发生切削，则根据该单元体的索引值反算出其他六个与其各个面相邻的单元，Voxe l[k1+1][j1+1][i 1+1]所标识的索引值为当前进行判断切削的单元体，周为6个加黑点所标识的索引值为反算出的六个相邻单元体。对反算出的六个相邻单元体进行是否发生切削的标志位判断；若位于上表面的单元体已发生切削(即不存在，标志位为FALSE)，那么只对正在发生切削的单元体的切削标志位进行设置(即设置为FALSE)；若位于上表面的单元体未发生切削，则只绘制该单元体的下表面。
该步骤的主要流程具体为：
步骤2.1，判断该单元体是否发生切削。
步骤2.2，如果该单元体发生切削，则根据该单元体的索引值反算出其他六个与其各个面相邻的单元体。即根据当前所定位单元立方体(简称单元体)的索引值反算出其他顶点及相邻单元体的顶点，进而判断是否属于毛坯模型的结构信息中的内容。
步骤2.3，对反算出的六个相邻单元体进行是否发生切削的标志位判断。
步骤2.4，若位于上表面的单元体已发生切削(即不存在，标志位为FALSE),那么只对正在发生切削的单元体的切削标志位进行设置(即设置为FALSE)；若位于上表面的单元体未发生切削，则只绘制该单元体的下表面。同理，可以推算出其他各个相邻单元体的具体面绘制方法，判断逻辑如下所示：
如果左面显示的标志位有效，则绘制相邻左边单元体的右表面，否则当前标志位设置为0；
如果右面显示的标志位有效，则绘制相邻右边单元体的左表面，否则当前标志位设置为0；
如果前面显示的标志位有效，则绘制相邻前边单元体的后表面，否则当前标志位设置为0；
如果后面显示的标示位有效，则绘制相邻后边单元体的前表面，否则当前标志位设置为0。
根据当前所定位的单元体索引值，可以计算出该单元体的其他8个顶点，然后根据不同的顶点组合可以绘制出每个具体的单元体的外表面，假设任意一个单元体的索引值为Voxe l[k1+1][j1+1][i 1+1]，通过相邻查找算法可以搜索出该单元体的其他7个顶点的数组下标值。索引值/Voxe l可理解为当前显示面上的一个顶点。
通过对这8个顶点进行组合，可以得到任意单元体的每个面的绘制方法，其中绘制单元体上表面的顶点组合为Voxe l[k1+1][j1+1][i 1+1]，Voxe l[k1+1][j 1+1][i 1]，Voxe l[k1+1][j 1][i 1]，Voxe l[k1+1][j 1][i 1+1]，绘制上表面的顶点组合结构；绘制单元体右表面的顶点组合为Voxe l[k1+1][j 1+1][i 1+1]，Voxe l[k1+1][j 1][i 1+1]，Voxe l[k1][j 1][i 1+1]，Voxe l[k1][j1+1][i 1+1]，绘制右表面的顶点组合结构；绘制单元体下表面的顶点组合为Voxe l[k1][j 1+1][i 1]，Voxel[k1][j1][i1]，Voxel[k1][j1][i1+1]，Voxel[k1][j1+1][i1+1]，绘制下表面的顶点组合结构；绘制单元体左表面的顶点组合为Voxel[k1+1][j1+1][i1]，Voxel[k1+1][j1][i1]，Voxel[k1][j1][i1]，Voxel[k1][j1+1][i1]，绘制左表面的顶点组合结构；绘制单元体前表面的顶点组合为Voxel[k1+1][j1][i1]，Voxel[k1+1][j1][i1+1]，Voxel[k1][j1][i1]，Voxel[k1][j1][i1+1]，绘制前表面的顶点组合结构；绘制单元体后表面的顶点组合为Voxel[k1+1][j1+1][i1]，Voxel[k1+1][j1+1][i1+1]，Voxel[k1][j1+1][i1]，Voxel[k1][j1+1][i1+1]，绘制后表面的顶点组合结构。在确定任意一个单元体的各个面的绘制方法后，便可以通过单元体中各个面是否进行绘制的标志位来进行判断和处理。
所述步骤3中，计算切割运动在一般情况下任意时刻的包围体的方法，具体为：
步骤3.1，分别过刀尖点O2和刀轴顶点O1作垂直于XOY面的垂线，垂足分别为O”和O’，并连接两垂足。
步骤3.2，过垂点O”作平行于X轴的平行线，同时过O’作垂直于O”O’的垂线，并与过O”点平行于X轴的平行线相交于点N。
步骤3.3，过点O’做垂线垂直于O”N，垂足为M。
步骤3.4，由已知参数刀尖点O2(x2,y2,z2)和刀轴矢量对刀轴顶点进行求解，可得到刀轴的顶点坐标为O1(x2+h·i,y2+h·j,z2+h·k),h为刀轴长度。
步骤3.5，根据O1和O2的坐标分别可以直接得出O’和O”的坐标，即O'(x2+h·i,y2+h·j,z')，O”(x2,y2,z”)，因为O’和O”在同一平面上，所以z'＝z”。O’M和O”M的计算表达式：
步骤3.6，在平面O’O”N上，由O’M和O”M的值可以求出直线O”O’和直线O”N之间的夹角θ，该夹角θ的计算公式：
θ＝arctan(j/i) (1.3)
步骤3.7，在直角三角形O’O”N中，由直角三角形的基础原理可以知θ＝θ'，所以MN＝tanθ'·O'M，即MN＝tanθ·h·j；进而可以求出点N的坐标为：N(x2+h·i+tanθ·h·j,y2,z')。
步骤3.8，计算N点坐标的目的在于需要求出垂直于平面O1O2O”O'的向量即该向量垂直于刀具包围体的左右侧表面；然后继续求解垂直于向量/>和/>相交所形成的平面的向量，即垂直于刀具包围体前后侧表面的向量。
步骤3.9，设垂直于刀具包围体前后侧表面的向量为向量/>的计算公式：
步骤3.10，得到垂直于刀具包围体的前后、左右侧表面向量后，先将其进行单位化，然后再对刀具包围体的八个顶点进行计算。
如图7所示，通过对刀具运动在一般情况下包围体计算的过程，可以得出任意时刻刀具包围体的范围，设垂直于刀具包围体左右侧表面的向量为:进而计算出刀具包围体表面的范围。计算出刀具包围体的范围后采用转换算法求出在毛坯内部需要发生切削的精确范围，最后对满足的所有毛坯单元体进行切除。
上述步骤1至步骤3对应的是切削去除的步骤，下面是切削去除的显示、隐藏和表示原理。图4为本申请一个实施例中的Dexel体模型的链表数据结构示意图，如图4所示，数控加工仿真系统的几何模型包括工件、刀具等实体构成的几何对象及其运动约束的描述。用深度元素(depth element)模型进行NC(数字控制技术，Numerical Control)加工仿真的方法源于Hook(钩子)，被称作基于图像空间的方法。Dexel模型是利用类似图形消隐的z-buffer(Z缓冲区)构思，将自由形式的几何实体按图像空间的像素(pixel)离散，构造成包含深度信息的离散长方体单元集合，并用深度值的一维比较取代工件和刀具实体间的三维布尔运算，图形显示和布尔运算具有很高的实时性。
图5为本申请一个实施例中的Dexel体模型(深度元素体模型)单元分解示意图，如图5所示，将XY dexel平面均匀划分为99个网格，每一网格可代表屏幕上的一个像素，通过扫描转换，即可得到每一像素点处毛坯或刀具的近点与远点深度值及颜色值。
图6为本申请一个实施例中的刀路轮廓与Dexel单元之间的求交运算示意图，如图6所示，材料去除过程本质上是不断从工件毛坯上减去刀具深入到毛坯内部材料的过程，即为工件和刀具扫描体的实体布尔减运算。当通过扫描转换，将刀具和工件毛坯模型用Dexel结构表示后，这种三维布尔运算被简化为刀具和毛坯在对应网格处Dexel模型间的一维布尔减运算。这样，刀具的Dexel不断变化并动态显示，毛坯也在不断被修改并刷新显示，从而形成材料去除的动态仿真效果。
刀具与Dexel单元之间的求交运算共分为三种基本情形：一是刀具与Dexel单元之间没有真正的相交，因此，仿真过程中毛坯的Dexel模型不需要更新；二是刀具与Dexel模型只相交一次；三是刀具与Dexel模型的求交，故二和三两种情形均需实时更新工件的Dexe l模型。
可在两刀位点之间进行插值，以近似刀具扫描体的描述，简化计算。对于每一插值刀位点，其对应的刀具原体是刀具运动模型的一部分。三维仿真中，在仿真开始时在参考刀位点对刀具进行一次Dexe l表示，以后的新刀位点的刀具表示可以进行平移变换得到，提高仿真速度。对于五轴加工，则对每个插值点位置的刀具分别生成Dexe l结构，同毛坯的Dexe l结构进行布尔运算来模拟材料去除过程。
采用本发明的将Dexe l数据转化为平面轮廓并将所有层轮廓连接起来形成三维表面轮廓的三维实体构造的方法，在激光数控系统中实现了切割动作的实体仿真，解决了二维图形显示空间轨迹的可视性差、立体感缺乏、向非技术人员展示困难，用户理解困难及生产效率受影响等问题，提升了激光数控系统的使用体验和加工生产效率。
根据本发明实施例的另一方面，本发明实施例还提供一种激光切割数控系统的三维实体仿真构造的实现装置，包括：
毛坯模型建立单元，用于根据Voxel模型的构造方法和已知毛坯的长宽高信息，建立用于数控系统三维实体仿真的毛坯模型；
中间体模型获取单元，用于根据有效面绘制方式，绘制所述毛坯模型的外表面和有效切削面，得到中间体模型；
三维实体仿真构造获取单元，用于根据激光切割数控系统的刀具运动模式，获取所述中间体模型的切割包围体信息，将具有切割包围体信息的模型作为实现的三维实体仿真构造。
在具体的实现过程中，所述毛坯模型建立单元，具体用于，
根据VOXEL模型的构造方法将已知毛坯的长、宽、高分别以固定的显示精度在X轴、Y轴和Z轴上进行离散；nx、ny、nz分别为X轴、Y轴以及Z轴上以固定显示精度而离散的单元立方体个数；建立用于数控系统三维实体仿真的毛坯模型；n为大于等于0的整数；
毛坯模型的结构信息包括：作为最小单位元素的单元立方体、单元立方体的索引值Key、上、下、前、后、左、右六个面的显示标志位、单元立方体是否发生切削的标志位。
在另一可能的实现过程中，中间体模型获取单元，具体用于，
初始化所述毛坯模型，获得所述毛坯模型用于显示的最外层的外表面；
根据毛坯模型的结构信息，判断每一个单元立方体是否发生切削；
针对当前单元立方体，若发生切削，则根据该当前单元立方体的索引值反算出与该当前单元立方体相邻的六个单元立方体；
根据毛坯模型的结构信息中反算出的六个单元立方体是否发生切削的信息，确定当前单元立方体的有效绘制面，
获得每一个单元立方体的有效绘制面作为有效切削面。
在第三种可能的实现方式中，三维实体仿真构造获取单元，包括：
分别过刀尖点O2和刀轴顶点O1作垂直于XOY面的垂线，垂足分别为O”和O’，并连接两垂足；
过垂点O”作平行于X轴的平行线，同时过O’作垂直于O”O’的垂线，并与过O”点平行于X轴的平行线相交于点N；
过点O’做垂线垂直于O”N，垂足为M；
由已知参数刀尖点O2(x2,y2,z2)和刀轴矢量对刀轴顶点进行求解，可得到刀轴的顶点坐标为O1(x2+h·i,y2+h·j,z2+h·k)；
根据O1和O2的坐标分别可以直接得出O’和O”的坐标，即O'(x2+h·i,y2+h·j,z')，O”(x2,y2,z”)，因为O’和O”在同一平面上，所以z'＝z”，O’M和O”M的计算表达式：
在平面O’O”N上，由O’M和O”M的值求出直线O”O’和直线O”N之间的夹角，该夹角的计算公式：
θ＝arctan(j/i) (1.3)
在直角三角形O’O”N中，θ＝θ'，MN＝tanθ'·O'M则点N的坐标为：N(x2+h·i+tanθ·h·j,y2,z')；
计算N点坐标的目的在于需要求出垂直于平面O1O2O”O'的向量即该向量垂直于刀具包围体的左右侧表面；然后继续求解垂直于向量/>和/>相交所形成的平面的向量，即垂直于刀具包围体前后侧表面的向量；
设垂直于刀具包围体前后侧表面的向量为向量/>的计算公式：
得到垂直于刀具包围体的前后、左右侧表面向量后，进行单位化，然后再对刀具包围体的八个顶点进行计算。
本实施例的装置在激光数控系统中实现了切割动作的实体仿真，解决了二维图形显示空间轨迹的可视性差、立体感缺乏、向非技术人员展示困难，用户理解困难及生产效率受影响等问题，提升了激光切割数控系统的使用体验和加工生产效率。
根据本发明的再一方面，本发明实施例还提供一种激光切割数控系统，其特征在于，包括：存储器和处理器，所述存储器存储计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序，并执行上述任意实施例所述的一种激光切割数控系统的三维实体仿真构造的实现方法的步骤。
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。
此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。
Claims (11)
1.一种激光切割数控系统的三维实体仿真构造的实现装置，其特征在于，包括：
毛坯模型建立单元，用于根据VOXEL模型的构造方法和已知毛坯的长宽高信息，建立用于数控系统三维实体仿真的毛坯模型；
中间体模型获取单元，用于根据有效面绘制方式，绘制所述毛坯模型的外表面和有效切削面，得到中间体模型；
三维实体仿真构造获取单元，用于根据激光切割数控系统的刀具运动模式，获取所述中间体模型的切割包围体信息，将具有切割包围体信息的模型作为实现的三维实体仿真构造。
2.根据权利要求1所述的实现装置，其特征在于，所述毛坯模型建立单元，具体用于，
根据VOXEL模型的构造方法将已知毛坯的长、宽、高分别以固定的显示精度在X轴、Y轴和Z轴上进行离散；nx、ny、nz分别为X轴、Y轴以及Z轴上以固定显示精度而离散的单元立方体个数；建立用于数控系统三维实体仿真的毛坯模型；n为大于等于0的整数；
毛坯模型的结构信息包括：作为最小单位元素的单元立方体、单元立方体的索引值Key、上、下、前、后、左、右六个面的显示标志位、单元立方体是否发生切削的标志位。
3.根据权利要求1所述的实现装置，其特征在于，中间体模型获取单元，具体用于，
初始化所述毛坯模型，获得所述毛坯模型用于显示的最外层的外表面；
根据毛坯模型的结构信息，判断每一个单元立方体是否发生切削；
针对当前单元立方体，若发生切削，则根据该当前单元立方体的索引值反算出与该当前单元立方体相邻的六个单元立方体；
根据毛坯模型的结构信息中反算出的六个单元立方体是否发生切削的信息，确定当前单元立方体的有效绘制面，
获得每一个单元立方体的有效绘制面作为有效切削面。
4.根据权利要求1所述的实现装置，其特征在于，三维实体仿真构造获取单元，包括：
分别过刀尖点O2和刀轴顶点O1作垂直于XOY面的垂线，垂足分别为O”和O’，并连接两垂足；
过垂点O”作平行于X轴的平行线，同时过O’作垂直于O”O’的垂线，并与过O”点平行于X轴的平行线相交于点N；
过点O’做垂线垂直于O”N，垂足为M；
基于已知参数刀尖点O2(x2,y2,z2)和刀轴矢量获取刀轴的顶点坐标为O1(x2+h·i,y2+h·j,z2+h·k)；h为刀轴长度；
根据O1和O2的坐标获取O’和O”的坐标：O'(x2+h·i,y2+h·j,z')，O”(x2,y2,z”)，基于z'＝z”，O’M和O”M表示为：
在平面O’O”N上，基于公式(1.3)和O’M和O”M的值获取直线O”O’和直线O”N之间的夹角θ，该夹角θ的计算公式：
θ＝arctan(j/i) (1.3)
在直角三角形O’O”N中，θ＝θ'，MN＝tanθ'·O'M，则点N的坐标为：N(x2+h·i+tanθ·h·j,y2,z')；
垂直于平面O1O2O”O'的向量垂直于刀具包围体的左右侧表面；垂直于向量/>和/>相交所形成的平面的向量为垂直于刀具包围体前后侧表面的向量；
设垂直于刀具包围体前后侧表面的向量为向量/>的计算公式：R为刀轴矢量的半径；
得到垂直于刀具包围体的前后、左右侧表面向量后，进行单位化，再对刀具包围体的八个顶点进行计算。
5.一种激光切割数控系统的三维实体仿真构造的实现方法，其特征在于，包括：
S10、根据VOXEL模型的构造方法和已知毛坯的长宽高信息，建立用于数控系统三维实体仿真的毛坯模型；
S20、根据有效面绘制方式，绘制所述毛坯模型的外表面和有效切削面，得到中间体模型；
S30、根据激光切割数控系统的刀具运动模式，获取所述中间体模型的切割包围体信息，将具有切割包围体信息的模型作为实现的三维实体仿真构造。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述S10包括：
根据VOXEL模型的构造方法将已知毛坯的长、宽、高分别以固定的显示精度在X轴、Y轴和Z轴上进行离散；nx、ny、nz分别为X轴、Y轴以及Z轴上以固定显示精度而离散的单元立方体个数；建立用于数控系统三维实体仿真的毛坯模型；n为大于等于0的整数；
毛坯模型的结构信息包括：作为最小单位元素的单元立方体、单元立方体的索引值Key、上、下、前、后、左、右六个面的显示标志位、单元立方体是否发生切削的标志位。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述S20包括：
S21、初始化所述毛坯模型，获得所述毛坯模型用于显示的最外层的外表面；
S22、根据毛坯模型的结构信息，判断每一个单元立方体是否发生切削；
S23、针对当前单元立方体，若发生切削，则根据该当前单元立方体的索引值反算出与该当前单元立方体相邻的六个单元立方体；
S24、根据毛坯模型的结构信息中反算出的六个单元立方体是否发生切削的信息，确定当前单元立方体的有效绘制面，
S25、获得每一个单元立方体的有效绘制面作为有效切削面。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述S23包括：
根据当前单元立方体的索引值，计算出该当前单元立方体关联的8个顶点，根据8个顶点中不同的顶点组合查找出相邻的每个具体的单元立方体表面。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述S23包括：
假设任意一个单元立方体的索引值为voxel[k1+1][j1+1][i1+1]，通过相邻查找算法搜索出该单元立方体关联的7个顶点的数组下标值；
当前单元立方体上表面的顶点组合为Voxel[k1+1][j1+1][i1+1]，Voxel[k1+1][j1+1][i1]，Voxel[k1+1][j1][i1]，Voxel[k1+1][j1][i1+1]，绘制上表面的顶点组合结构；
当前单元立方体右表面的顶点组合为Voxel[k1+1][j1+1][i1+1]，Voxel[k1+1][j1][i1+1]，Voxel[k1][j1][i1+1]，Voxel[k1][j1+1][i1+1]，绘制右表面的顶点组合结构；
当前单元立方体下表面的顶点组合为Voxel[k1][j1+1][i1]，Voxel[k1][j1][i1]，Voxel[k1][j1][i1+1]，Voxel[k1][j1+1][i1+1]，绘制下表面的顶点组合结构；
当前单元立方体左表面的顶点组合为Voxel[k1+1][j1+1][i1]，Voxel[k1+1][j1][i1]，Voxel[k1][j1][i1]，Voxel[k1][j1+1][i1]，绘制左表面的顶点组合结构；
当前单元立方体前表面的顶点组合为Voxel[k1+1][j1][i1]，Voxel[k1+1][j1][i1+1]，Voxel[k1][j1][i1]，Voxel[k1][j1][i1+1]，绘制前表面的顶点组合结构；
当前单元立方体后表面的顶点组合为Voxel[k1+1][j1+1][i1]，Voxel[k1+1][j1+1][i1+1]，Voxel[k1][j1+1][i1]，Voxel[k1][j1+1][i1+1]，绘制后表面的顶点组合结构；
和/或，所述S24包括：
在确定当前单元立方体的各个面对应的顶点组合结构时，通过顶点组合结构所属单元立方体中各个面中是否发生切削的标志位确定是否发生切削的信息，进而实现当前单元立方体的有效绘制面。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述S30包括：
S31、分别过刀尖点O2和刀轴顶点O1作垂直于XOY面的垂线，垂足分别为O”和O’，并连接两垂足；
S32、过垂点O”作平行于X轴的平行线，同时过O’作垂直于O”O’的垂线，并与过O”点平行于X轴的平行线相交于点N；
S33、过点O’做垂线垂直于O”N，垂足为M；
S34、基于刀尖点O2(x2,y2,z2)和刀轴矢量获取刀轴的顶点坐标为O1(x2+h·i,y2+h·j,z2+h·k)；h为刀轴的长度；
S35、根据O1和O2的坐标，获取O’和O”的坐标，O'(x2+h·i,y2+h·j,z')，O”(x2,y2,z”)，基于z'＝z”，O’M和O”M的计算表达式为：
S36、在平面O’O”N上，基于公式(1.3)和O’M和O”M的值，获取直线O”O’和直线O”N之间的夹角θ，该夹角θ的计算公式：
θ＝arctan(j/i) (1.3)
S37、在直角三角形O’O”N中，θ＝θ'，MN＝tanθ'·O'M则点N的坐标为：N(x2+h·i+tanθ·h·j,y2,z')；
S38、垂直于平面O1O2O”O'的向量垂直于刀具包围体的左右侧表面；垂直于向量/>和/>相交所形成的平面的向量垂直于刀具包围体前后侧表面的向量；
S39、设垂直于刀具包围体前后侧表面的向量为向量/>的计算公式：
S310、得到垂直于刀具包围体的前后、左右侧表面向量后，进行单位化，再对刀具包围体的八个顶点进行计算。
11.一种激光切割数控系统，其特征在于，包括：存储器和处理器，所述存储器存储计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序，并执行上述权利要求5至10任一所述的一种激光切割数控系统的三维实体仿真构造的实现方法的步骤。
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