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基于Virtools的虚拟铣削加工面的光顺性研究

2024-08-17 来源:小侦探旅游网
维普资讯 http://www.cqvip.com 第21卷第4期 2 0 0 6年12月 青岛大学学报(工程技术版) JOURNAL OF QINGDAO UNIVERSITY(E&T) Vol_21 No.4 Dec.2 0 0 6 文章一号:1006—9798(2006)04—0078—05 基于Virtools的虚拟铣削加工面的光顺性研究 张 艳,王 钰 (青岛大学信息工程学院,山东青岛266071) 摘要:针对被部分切除而造成加工面不光顺的三角形,本文采用多边形面片重构及存储 面片顶点拓扑结的一致性算法,研究了在基于2.5轴虚拟铣削三角形网格面模型工作时, 如何实现被加工面达到光顺表现效果。计算结果表明,在包络体外表面和工件外表面上 分别重构新的三角形面片,使被加工面与工件表面的相交轮廓与实际的轮廓吻合,通过调 整被重构三角形面片的法矢与刀具包络面的法向达到一致,并在Virtools虚拟开发平台 上实现了本算法。本算法有效地提高了仿真的效率,并达到了加工面光顺性的效果。 关键词:虚拟加工;铣削仿真I表面光顺;多边形重构 中圈分类号:TP391.73,TP391.9 文献标识码:A 虚拟表面加工仿真利用计算机建模技术,通过动画的形式形象、直观地对加工的切削过程进行模拟,表 面加工的光顺性研究对制造高精度、高表面质量零件提供了经济的方法,在仿真过程中较好的反映切削加工 的实质,使仿真结果与实际更加贴近,对减少制造成本、缩短产品制造周期和提高产品质量都具有十分关键 的作用。目前,2.5轴的表面加工多采用多边形表面模型,在计算出刀具的包络体与毛坯的交线后,直接对 工件毛坯上表面的顶点进行z轴上的修改口],以毛坯顶点在z轴上的高度值来表达切除效果,但是这样只 有毛坯上表面的面片密度足够大时,才能显示出较光顺的效果 引,可是随着面片密度的增加也会大大降低计 算机的执行效率。因此,为了提高效率和光顺性,本文采用了多边形面片重构的算法,以及存储面片顶点拓 扑结构的一致性算法,研究了基于Virtools的虚拟铣削加工面的光顺性。 1 多边形表面模型及其仿真存在的问题 1.1多边形裘面模型 多边形表面模型(Polygonal Surface Mode1)因其简单、灵活等特 性,是目前最常用的一种三维物体表示方法。通常三角形表面模型又被 称作三角形网格模型(Triangle Mesh Mode1)[3]。三角形表面模型综合 了其他一些模型的优点,在良好的系统交互性效果下,简化了模型,考虑 到显示速度与显示精度的折中,提高了绘制的实时性。为了简化切削加 工的模型计算 ],可采用最简单的工件表面规则三角片离散法,将工件 毛坯的上表面离散为均匀的点阵,再将这些点阵构造成三角形表面模型 圈1三角片离散化的毛坯 (如图1所示) 这种模型最大的优点是在加工仿真的过程中点阵的横纵坐标不发生变化,改变的只是各点 的高度值,从而大大简化了计算过程。因此,本文采用三角形表面模型进行加工仿真,模型具体离散的三角 面片数可视要求的切削效果而定。 收稿日期:2006一O5—29-修同日期:2006一l1一zz 作者简介:张艳(1980一),女,山东省安丘市人,在读硕士,研究方向为虚拟加工仿真。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 张艳,等:基于Virtools的虚拟铣削加工面的光顺性研究 79 1.2三角形表面模型仿真存在的问题 三角形表面模型数据信息包含了各三角面片顶点的索引(index)、坐标及其法矢。根据这些数据,进行 刀具的包络体在工件毛坯表面的投影与三角面片的相交运算,通过更改相交的三角面片顶点的竖直坐标就 可仿真出金属切削的效果。但是在切削时,三角面片模型表面的三角形大多只有部分被切除(如图2中阴影 部分的三角形只有部分被切除掉),被切除的顶点与未切除的顶点形成的倾斜表面,使实际加工表面与理想 加工表面形成较大的位置偏差,造成了不光顺的表现(如图3所示)。 切削路径包络体在毛坯 上表面的投影边界 圈2三角片离散化的毛坯 圈3切削后棱角分明 2面片重构及一致性算法 用三角形表面模型进行加工要想达到光顺性的视觉表现有两种  。方法:一是增加面片的密度。此法可增加光顺性,但会降低仿真的效 . /’ / 率;二是面片重构法。重新构造模型表面的三角面片,以达到光顺的 爱 外边界 ’ 效果。本文采用第二种方法,根据路径及刀型,求出刀具包络体在毛 路径 . 坯表面的投影边界以及等高线(如图4所示,投影边界是指与路径曲 内边界 率一致并且与路径距离为刀具半径的两条曲线;等高线是指与路径 / / 等高线 曲率一致且加工后Z坐标相等的曲线),修改路径边界及等高线两边 图4刀具包络体在毛坏上裹面的投影 的顶点,使其落在相应的路径边界或等高线上,形成新的三角形面片。实际上,重构后由无数的小直线段形 成边界曲线,采用的是直线段逼近曲线的原理。实验证明,当给定-d,正数e,曲线与相邻两节点连线问的 法向距离d<£时,即可达到光顺的效果。采用顶点存储的一致性算法可提高预计算的效率。 2.1面片重构算法 2.1.1确定模型的三角面片数 因已知路径,可采用等间距直线段逼近方法嘲重构面片,先求出曲线在z轴上的长度dx,再根据误差e, 制定等问距长△X。根据 ̄,X=dx/n(n为要移动的顶点的个数),可求出 的值,根据 可制定模型的三角 面片数。 2.1.2点到曲线的最短距离 假设竖直向上的方向为z轴的正方向,则可设毛坯上表面某一点P。的坐标为(z。,y。,c),c指Po点的 高度值为一个常数,因为路径以及其投影边界和等高线为z,Y平面上的曲线,可设曲线的函数表达式为 f(x, ):O,则Po与曲线f(x, )的距离d=minlf(x, )--f(x。,Y。)l,因精确的几何距离难以计算,因此采 用其逼近距离 =佩 其中,Ax-=x--x。,△ = 一 ;l f(x。,yo)l≠o且满足l f(x。,y。)l<£《1,£是小的正常数;并且在包括 f(x。,Y。)的感兴趣区域内函数,规范化为l f(x, )1≤1[6]。 维普资讯 http://www.cqvip.com 80 青岛大学学报(工程技术版) 第21卷 2.1.3重构前的预计算 根据点到路径的距离公式,可预计算出毛坯上表面要重构 T 的顶点,以及要切削的面片顶点。由于刀具形状的不同,具体算 I 法也不相同,本文根据刀头形状把刀具分成三种类型:平底刀、 “l 球头刀和圆角刀(如图5所示),可根据刀型确定不同的算法。 设毛坯上表面的起始点的index为index—start,结束点的 J I 平底刀 圆角刀 index为index_stop,则具体算法如下: //遍历毛坯上表面的点,令P为表面上任一顶点 for(int i=index_start,/<index—stop; ++){ 圈5三种类型刀具 求出P与曲线的最短距离d, if(f —Rl<e) //R为刀具的半径,e为三角面片中最长边的长度,求要重构的边界点 //array 1用来存入要重构的边界点的index 把i放入数组array 1l //平底刀算法 if(r=O){ if(d<R) 把i放入数组array 2; } //array 2用来存放要切削的点的index; //球头刀算法 if(r ̄-R){ for(int J:;=l lj<=n}-『++){ if(d<=jR ̄n)) //n是对球头刀底面半径R的细分数 把i放入数组aT'r』; } ) //ar ̄存放要重构及切削的等高线附近的顶点 //圆角刀算法 if(r<R){ if(d<R—r) //底面是平面的部分 把i放入数组a。; for(int k一1}五<= ;五++){ if(d<=kr/m) //m是对圆角刀圆角半径r的细分数 把i放入数组a^, } ) //a 存放要重构及切削的等高线附近的顶点 } 2.1.4面片重构及切削算法 面片重构算法是先获取数组array 1、arrj、a 中面片顶点的index,再移动这些顶点。可采用等间距直 线段逼近方法把获取的顶点全部移到相应的边界及等高线上,这样路径的边界就形成了,因此消除了切削到 的只是部分三角形的问题,而且解决了不同刀型切削的光顺问题。 切削算法是根据具体的刀型,访问相应的数组,再根据对曲面半径细分数的不同,确定要修改的顶点竖 直坐标值。在切削时,当数组中的点在刀具的投影内时,更改它的竖直坐标为事先确定的值,这样可以达到 实时切削的效果。但是只更改顶点的坐标值达到的只是实际上的光顺,在视觉上并不光顺,因为顶点的法矢 决定了加工后在视觉上的光顺问题。因此,在更改顶点坐标之后,还要实时修改顶点的法矢,使加工后顶点 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 张艳,等:基于Virtools的虚拟铣削加工面的光顺性研究 81 的新法矢垂直于它所在的三角面片并指向模型外部。 2.2一致性算法 预计算的效率,在存储面片顶点时,可以把毛坯上表面顶点的拓扑结L—L—上—-_J L—L—_J-—_-J 构存储为链表的形式。在已知切削路径的情况下,当访问到Pi( 圈6模型顶点的存储链裹 为 预计算时,对毛坯三角面片点的遍历非常耗时,因此,为了提高 ri] == 满足重构或切削条件的任一点)时,下一个在投影内的点只能是与P 点有联系的点。因此,当访问完P 点后 只访问与P 点相连的下几个节点即可(如图6所示),这样可以大大提高切削前预计算的效率。 3算法的实现 本文在Virtools虚拟开发平台下,用c++语言编写VSL代码实现了面片重构及一致性算法,并达到 了预期的效果。而且本文用Virtools的BB(Building Blocks)实现了在仿真过程中视角的变换及场景的缩 放,可实时地对加工过程进行多角度的观察。而且,Virtools提供的对Array的可视化创建和动态修改大大 地提高了执行效率。具体实验的切削效果如图7所示,本实验采用的模型大小为6×6×3,给定e=0.001, AX=0.Ol,三角面片数为40 8OO,曲线与相邻两节点连线问的法向距离d≤O.000 5,满足d<e的条件,效果 较光顺。如果采用当前大多数使用的直接对三角面片模型进行加工仿真,其效果如图8所示(与图7采用同 一个模型),可以看出,图8切削的光顺性较差。因此证明本算法确实能提高虚拟表面加工的光顺性。 田7 网络重构后的切削效果 田8 未进行网格重构的切削效果 4 结论 本文基于Virtools平台对2.5轴虚拟表面加工的光顺性问题进行了研究。采用的面片重构算法解决了 用多边形表面模型进行加工时的不光顺问题。而且还实现了实时的表面加工和可视化上的光顺性。在预计 算耗时多的问题上采用了面片顶点存储的一致性算法,大大提高了仿真效率。实验结果证明,本文提出的算 法确实有效,相比当前直接在三角面片上进行顶点重绘来仿真材料去除的方法更具有光顺性。本算法虽然 对z轴上小范围内的高精度切削仿真非常实用,但在z轴上深度的切削会出现问题。因为本算法只是更改 三角面片上点的坐标,并没有增加面片,所以深度切削时,切削后侧面上的面片会随着切削深度在z轴上被 拉长,不利于后续复杂的加工。基于以上研究,在后续工作中将对该算法进行完善,在保证效率的前提下,解 决本算法存在的问题并实现3轴虚拟表面加工的光顺性。 参考文献: [11 张化楠,叶伯生,阳道善.数控铣床加工真实感仿真的实现[J1.组合机床与自动化加工技术,2001(10):5—7 E2]牛文博,刘进,朱松.一种数控铣床的仿真算法[J].计算机辅助设计与图形学学报,2002,14(5):464—466. 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Research on Smoothness of Virtual Surface Milled Based on Virtools Platform ZHANG Yan,WANG Yu (College of Information Engineering,Qingdao University,Qingdao 266071,China) Abstract:Contraposing the machining surface unsmooth made by trigon-facets that are partly cut'this pa— per uses the reconstruct polygon surfaces algorithm and the coherence of vertex topology storage algo— rithm.and investigates how to achieve the smoothness effects of the surfaces needed milling when virtual surface cut out for a trigon-mesh model in 2.5 axes milling.The result indicates that reconstructing new trigon-facets on the out surface of sweeping outline and workpiece,makes the outlines of cut surface inos culate with the real outline,and by adj usting synchronously the normal of reconstructed facets collinear on the normal of sweeping surface of tools makes the algorithm on Virtools virtual developing platform imple— mented.The algorithm improved the simulation efficiency,and got the effect of machining surfaces smoothness. Key words:virtual machining;milling simUlation;smoothness of surface!polygon reconstruction (从第73页转来) [3]Paulk M C,Curtis B。Chrissis M B,et a1.Capability Maturity Model for Software['R/OL].Pittsburgh,PA:CMU/ SEI,1993[2006—9—123.httpl//www.sei.cmu.edu/pub/documents/93.reports/pdf/tr 24.93.pdf. [43 Forsberg K,Mooz H。Cotterman H.Visualizing Project Management:A Model for Business and Technical Success [M].New York:John Wiley&Sons,2000. [5]王乐鹏.ERP执行过程中项目管理能力成熟度研究[D].同济大学,2004. Is]Markus M L,Axline S,Peterie D,et a1.Learning from Adopter’s experiences with ERP Problems Encountered and Success Achieved EJ].Journal of Information Technology,2000,15(4):245—265. A Study on the Improvement Model of SQA Appraisal of CMM WANG Le—peng,SHI Quan-sheng Shanghai 200090,China) (Shanghai Institute of Electric Power, Abstract:Original SQA appraisal method in CMM has only two choices:pass or no,apparently,its opera— tion has strongly subjective.This paper brings out the idea of an improvement model based on Fuzzy evalu— ation set.The improvement mode1 can make appraise more objective,and stimulates the continuously im provement+By case analysis,we find that the model is available to manage and control software process quality.In summary,the improvement model is a good complementary to SQA appraisa1. Key words:SQA appraisal;process key point;key point maturity;improvement mode1 

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