数控仿真关键技术的研讨与完成

19910124曼

1引言
4 A% X* t/ n/ Y: O( P) [/ t. p　　随着机械零件制造复杂程度的进步，对数控代码正确性考证的需求越来越迫切，数控仿真系统应用计算机图形显现技术模拟理论加工过程，是考证数控加工程序正确性的有力工具之一[1>。国外已有比拟成熟的数控加工仿真系统，如美国的CGTech公司的Vericut系统等[2>;国内众多研讨机构也在该方面做了大量的研讨工作，推出了比拟成熟的数控仿真系统，但相比国外同类产品而言，在仿真过程动画的效果方面仍然存在一定的差距。因此作者在研讨过程中，自创局部已有成果[3>[4>，对传统的Z-MAP方法停止改良，设计并完成了一种基于OpenGL的模板缓存机制、绘制范围二次肯定的局部绘制算法的三轴数控铣削加工仿真系统。
/ J- u/ L* J; r2 S/ N　　2改良的Z-MAP方法
　　假定刀具平行于z轴，三轴数控铣削加工过程存在两个明显的特性[5>：1）只需工件的上外表才是加工外表;2）以工件底平面上恣意一点为起点且平行于z轴的一条射线与工件的上外表有且仅有一个交点。
. [# u' g# y1 ]　　正是在这样的条件下，将Z-MAP方法应用于三轴数控铣削仿真系统的工件模型的几何表示才成为可能。
) c' W( |2 Q4 S. g: q: u  S- a　　2.1传统的Z-MAP方法
, Y. o/ ]: w) ~　　Hsu和Yang[6>提出的Z-MAP方法是一种特殊的基于离散模型的表示方法。该方法的根本思想是将原始的工件模型假定为长方体，将该长方体在XOY平面的投影得到的长方形按照一定精度离散为m×n个均匀分布的正方形网格，从而可以将整个工件模型离散为m×n个以各个正方形为底面的小长方体集合。
　　在引入Z-MAP方法树立工件的几何表示后，刀具对工件理论切削过程的几何表示就被近似表示为离散小长方体高度连续更新（降低）的过程，因此该方法被形象地称为“割草法”。
  s2 p' }5 j7 i& I, @3 c4 M　　2.2改良后的Z-MAP方法
　　作者在研讨过程中采用了Z-MAP方法树立工件的几何表示，发现该方法仍然存在着缺乏。基于Z-MAP方法树立的工件模型仅仅是一系列不同高度的小长方体单元的集合，这样处置的结果是严重毁坏了工件模型上外表的几何连续性，特别是当离散精度较低时，难以表达切削过程中工件上外表的局部曲面特征。因此作者在传统的Z-MAP方法的根底上停止了改良，设计了改良的Z-MAP方法，算法思想如下：
4 w6 r' ^. d. I; C8 c  b6 y　　1）在按照一定的离散精度将工件模型的底平面离散为一系列的正方形网格后，以各网格点为起点、工件模型顶面为终点可以得到一系列的z向线段;
; d& s+ |  g2 E1 j! i) G　　2）将一切的z向线段与工件模型上外表的交点按照一定的规则以三角形的方式衔接构成的三角形网格面即可被视为工件模型的近似表示。
　　3局部绘制技术
　　数控仿真过程中工件模型外形特征的改动仅在当前切削段的局部区域中，其他场景坚持不变，假设仅对当前切削段局部区域停止局部绘制将会极大地减少参与消隐、光照和图形生成的数据量，并最终进步图形的刷新速率，获得每秒至少24帧的动画显现效果。
　　作者在数控仿真的研讨过程中，设计并完成了复杂场景下基于Z-MAP方法的工件模型的局部绘制方法，其根本流程如下：
　　1）在设备坐标系下肯定切削段刀具运动包络体在屏幕上的显现区域Q;
4 g, P; a, E6 A( P' R8 P　　2）世界坐标系下在切削最低平面上初选工件模型的矩形区域F，F是图形显现结果和Q发作堆叠关系的最小区域;
6 k! N9 a0 j- y5 |6 {5 L% f0 a　　3）在切削最低平面上精确扫除上述矩形区域F中不与Q发作堆叠关系的局部区域，并最终精确肯定局部区域R;
9 D; y1 t8 L- C* s% f　　4）运用模板缓存技术在屏幕显现区域Q中显现由精选得到的局部绘制区域R。
5 {9 h' z* n* A　　3.1切削段刀具运动包络体的肯定
　　世界坐标系中工件模型三角网格面局部绘制范围的肯定过程，从本质上讲，是在工件模型空间中寻求可能会被某切削段的刀具运动包络体所遮挡的最大三角网格范围;而设备坐标系中图形局部绘制区域的肯定也是寻求某切削段的刀具运动包络体的最大图形显现范围。精确意义上的刀具运动包络体的肯定需求思索刀具类型的影响，特别是球头刀包络体的组成比拟复杂。但在理论肯定该模型时，基于以下两个缘由，可对模型的树立停止了恰当的简化处置：1）由于世界坐标系和设备坐标系中所肯定的都是最大局部区域或范围，因此将任何类型的刀具都简化为长方体模型;2）在理论切削过程中，工件外形的变化仅局限在某一切削段局部范围内，而且工件上外表是工件外形在高度方向上变化的最大范围。
. @% h0 K# q) C6 a& v# t　　根据上述分析，对切削段刀具运动包络体的肯定本质上就是对刀具运动包络体顶点位置的肯定。如图3-1所示，根据这八个顶点的坐标依次肯定刀具运动包络体的六个外表就肯定了该刀具运动包络体，而刀具运动包络体的肯定是局部绘制算法的根底。
　　世界坐标系中工件模型上外表三角网格面局部绘制区域肯定的目的是查找出一切可能被刀具运动包络体所遮挡的最大范围。为了表现“最大范围”的准绳，作者在算法设计中引入了“切削最低平面”的概念，“切削最低平面”的定义如下：
' {$ z4 f, ?- w" O* f& s, |2 }　　其中ZMIN是指一切切削过程全部完毕后工件模型上外表三角网格面顶点中z坐标的最小值，而且工件模型空间中存在这样一个明白的规律：关于在“切削最低平面”上没有被刀具运动包络体所遮挡的三角网格面局部而言，固然理论情况下该区域的三角网格面常常高于“切削最低平面”，但在这种情况下这些区域也绝对不可能被刀具运动包络体所遮挡，因此这局部区域在局部绘制时可以不予计算和显现。如图3-2中的由四条白色直线所肯定的平面为“切削最低平面”，黑色长方体为刀具运动包络体。
　　为了肯定局部绘制区域，最简单的方法是依次判别平行于X（或Y）方向的各条网格线的假想显现图形能否和刀具运动包络体的假想显现图形相交，假设相交则精确肯定每条网格线上和刀具运动包络体显现图形的相贯区间，一切相贯区间的集合即为局部绘制区域。但是这种方法存在的问题是计算量大、计算效率低。为此作者采用了初选和精选两个阶段来进步计算效率。初选的目的是肯定工件上外表和刀具运动包络体发作遮挡关系的最小矩形区域，图3-2中所示的四条白色粗线所包围的矩形区域即为初选结果;精选的目的是在初选所得矩形区域内扫除绝对不发作遮挡关系的范围，而其他局部即为由于可能发作遮挡关系而需求重新绘制的区域，图3-2中所示的在刀具运动包络体中的白色区域局部即为精选结果。
; G" B/ M" z; ^: z; b1 V  j　　3.3屏幕图形局部绘制区域的肯定
. h. ^0 s4 `7 Z( M3 U' w: ?, H　　根据得到的刀具运动包络体，可以肯定在屏幕中所改动的区域仅在该刀具运动包络体范围内，而在刀具运动包络体以外的区域将不发作改动，因此作者在研讨和完成的过程中运用了OpenGL所提供的模板缓存机制来限制屏幕的绘制范围。
) n+ E- ^; Y4 X( Q* X　　OpenGL所提供的模板缓存将绘制限制在屏幕的某些局部停止。模板缓存可以坚持屏幕上某些局部的图形不变化，而其他局部仍然可以停止正常的图形显现。在三轴数控铣削加工仿真中，局部绘制的区域只可能在当前切削段刀具运动包络体中，因此将由当前切削段刀具运动包络体在屏幕上的显现区域设置为模板。
　　3.4局部绘制的完好流程
　　步骤1：清空模板缓存;
6 i* k' N  o8 f5 [9 D　　步骤2：启用深度缓存和模板缓存画刀具运动包络体，并且设置颜色缓存中的信息为不能修正，不显现所画的刀具运动包络体，但相应的模板缓存中的信息设置为1;
　　步骤3：开启深度缓存，绘制一个远平面;
　　步骤4：设置颜色缓存为可以写入，绘制工件模型改动局部。
　　在数控加工图形仿真过程中，要使局部重绘区域的图形有正确的消隐效果，就要将工件模型在屏幕所肯定区域的深度信息设置为最大值。OpenGL没有提供修正局部区域深度信息的功用，因此作者运用绘制远平面的方法修正由工件模型所肯定的包络体的深度信息。由于该远平面只是用于修正深度信息的一个媒介，因此不需求显现在屏幕上。
　　4结论
　　作者根据工件模型的几何表示和局部绘制技术完成了三轴数控铣削仿真系统，现以半径为4的球头刀铣削一个半圆柱形的零件为例在三轴数控铣削加工仿真系统停止了实验。当工件模型的离散精度为0.8时，工件模型上外表三角网格顶点个数为187×300个，运用全局绘制方法刷新速率为每秒（28.723±1）帧，而运用局部绘制方法刷新速率为每秒（67.703±1）帧，效果图如图4-1所示。当工件模型的离散精度为0.5时，工件模型上外表三角网格顶点个数为300×480个，运用局部绘制方法刷新速率为每秒（10.264±1）帧，运用局部绘制方法刷新速率为每秒（64.170±1）帧。
- j2 T) {4 t! X+ r( L0 A　　本文作者创新点：对传统的Z-MAP方法改良的根底上，设计并完成了一种基于OpenGL的模板缓存机制、绘制范围二次肯定的局部绘制算法的三轴数控铣削加工仿真系统。