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基于图像空间的数控加工图形仿真


放大字体  缩小字体 发布日期:2018-02-23
在数控加工图形仿真验证中,传统的图像空间离散方法提供的观察分析手段较少,限制了它的应用;而物体空间方法计算量大,不具有实时性。介绍一种在基本图像空间离散法的基础上对数据结构和算法作了改进的方法,一方面不会失去仿真实时性,另一方面为用户提供了更多且方便有效的分析观察手段,且具有物体空间方法的优点。

    使用计算机模拟数控加工,对NC程序的运行进行图形仿真,以此检验NC程序和加工方法的正确性,是一个非常有益的尝试。但是,仿真技术涉及大量的计算,效率低、耗时多,不能用于实际生产中。离散的方法能使计算量大大降低,在物体空间离散毛坯和刀具能获得毛坯切削后的精确表示,有利于对切削结果进行有效的观察分析,更适用于NC程序的验证[1~3];Van Hook[4~6]采用图像空间离散法实现了加工过程的动态图形仿真,他使用Zbuffer消隐思想,将实体按图像空间的像素(pixel)离散,将计算简化为视线方向上的一维布尔运算,较好地解决了实时性的问题。

    但是,传统的图像空间离散方法不能提供有效方便的观察分析手段,限制了它的应用。笔者根据Van Hook图像空间法的思想,对数据结构和算法作了改进,使得在不失去仿真实时性的前提下,为用户提供了更多、更方便有效的分析观察手段,而这些手段原本具有物体空间方法的特点。

    1 Van Hook算法的基本思想

    图像空间方法使用类似图形消隐的Zbuffer思想,将工件和刀具按屏幕的像素离散为Zbuffer结构。切削过程简化为沿视线方向上的一维布尔运算。本法将实体布尔运算和图形显示过程合为一体,使图形仿真有很高的实时性。

    1.1 Zbuffer方法

图1 Zbuffer方法说明

    见图1,视线方向与屏幕垂直,沿视线方向将毛坯和刀具离散,在每一个屏幕像素上,刀具和毛坯表示为一个长方体,称为Dexel结构(即Zbuffer结构)。刀具和毛坯之关系有7种,此时,刀具切削毛坯的过程就变为两套Dexel结构的比较问题,具体的运算过程用以下的算法说明:

    CASE 1:只有刀具,显示刀具;break;
    CASE 2:毛坯遮挡刀具,显示毛坯;break;
    CASE 3:刀具切削毛坯的后部,显示毛坯;break;
    CASE 4:刀具切削毛坯的内部,显示毛坯;break;
    CASE 5:刀具切削毛坯的前部,显示刀具;break;
    CASE 6:刀具遮挡毛坯,显示刀具;break;
    CASE 7:只有毛坯,显示毛坯;break;

    对应于每一个像素的Dexel结构构成链表结构,可处理毛坯有洞和空腔的情况。切削计算实际上是发生在对应于同一个像素、分别表示毛坯和刀具的两个Dexel结构链表之间的布尔运算。

    1.2 Dexel结构的生成

图2 Dexel结构与显示缓存结构和屏幕像素的对应关系

    首先,定义观察坐标系(见图2):设毛坯为长方体,其中心位于坐标原点,以用户的视线方向(Xe,Ye,Ze)为Z1轴,XY平面上过原点且与Z1垂直的直线为Y1轴,再由Z1和Y1可以确定X1轴,X1Y1平面即为投影平面。

    Dexel结构是在观察坐标系中建立的。因为屏幕上的像素点并不是对应于投影平面上的一点,而是一个小正方形。所以,应以正方形的中心为有效点,以视线方向(Xe,Ye,Ze)定义射线,它与物体求交而生成Dexel结构。

    Dexel结构中的信息包括最近的Z值、最远的Z值、最近处的颜色、最远处的颜色以及指向下一个Dexel结构的指针。

 
 
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