基于八叉树球形体素模型的动态局部更新虚拟加工仿真算法研究

摘要

随着数控机床加工高速化和加工路径复杂化趋势的日益明显，待加工工件的结构和NC加工工艺也日益复杂，虚拟加工仿真已成为复杂零件在数控加工之前，验证、优化加工工艺和加工代码的必要步骤。其中仿真速度、仿真精度、内存占用量和通用性是虚拟加工仿真算法的重要性能指标，但这些指标之间通常是相互影响的，如仿真精度越高，速度越慢，占用内存量越多。为提高虚拟加工几何仿真算法的综合性能，本文提出一种基于八叉树球形体素模型的动态局部更新虚拟加工仿真算法，围绕该算法主要研究以下内容：
　　(1)基于八叉树球形体素模型的虚拟毛坯体素化方法。为加快体素单元之间的碰撞检测速度，减少内存占有量，该方法使用球形体素代替传统的立方体体素，使用八叉树模型实现虚拟毛坯模型的自动剖分和体素编码；并基于该体素模型提出一种基于查表法的任意体素6-邻接关系模型，为实现动态局部更新虚拟加工仿真算法提供基础。
　　(2)球形体素单元动态局部更新算法。为解决几何仿真精度与体素单元尺寸之间的矛盾，提高碰撞检测的速度，提出球形体素单元动态局部更新算法，该算法利用6-邻接关系模型直接在上一帧切削区域附近进行碰撞检测，加快碰撞检测的速度；当检测到虚拟毛坯体素与刀具扫掠体体素碰撞时，该方法不是直接从虚拟毛坯模型上删除该体素，而是根据碰撞情况动态更新虚拟毛坯体素单元的大小，从而在体素单元大小一定的情况下，实现提高虚拟加工仿真精度的目的。
　　(3)基于球形体素切削点的虚拟毛坯模型三角面片显示方法。为提高工件加工表面的显示精度和显示效率，提出基于球形体素切削点的虚拟毛坯模型三角面片显示方法，并通过显示列表、光照模型、材质模型等进一步增强虚拟加工仿真图形显示的真实感和速度。
　　最后以虚拟铣削加工为例，在WindowsXP环境下，以Visual C++6.0为开发平台，利用图形显示工具OpenGL，建立虚拟铣削加工仿真环境，实现基于八叉树球形体素模型的动态局部更新虚拟加工仿真算法，并根据需要设计数控代码解释器。通过虚拟铣削加工运行实例验证本文提出算法的可行性和高效性。