CN103093036B - 工件加工仿真 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于仿真用切割工具加工工件的计算机实现的方法，所述切割工具具有切割部分和非切割部分。所述方法包括：提供(S10)表示所述工件的建模体和所述切割工具的轨迹；确定(S20)所述切割工具的碰撞扫描，其中所述碰撞扫描表示当所述切割工具跟随所述轨迹时由所述切割工具的非切割前端扫描的体；根据所述确定(S20)步骤来测试(S30)与所述工件的碰撞。这种方法改进了对用切割工具加工工件的仿真。

Description

工件加工仿真
技术领域
本发明涉及计算机程序和***领域，特别涉及用于仿真用切割工具加工工件的方法、***和程序，所述切割工具具有切割部分和非切割部分。
背景技术
市场上提供有多种用于对象的设计、工程和制造的***和程序。CAD是计算机辅助设计的首字母缩写，例如其涉及用于设计对象的软件解决方案。CAE是计算机辅助工程的首字母缩写，例如其涉及用于仿真未来产品的物理行为的软件解决方案。CAM是计算机辅助制造的首字母缩写，例如其涉及用于定义制造处理和操作的软件解决方案。在这种***中，图形用户界面(GUI)扮演了关于技术效率的重要角色。这些技术可以嵌入到产品生命周期管理(PLM)***中。PLM指经营战略，用于在扩展企业的概念上帮助公司在产品的从开发到它们生命期终止的开发中共享产品数据、应用通用处理、和利用共同知识。
由Dassault Systems提供的PLM解决方案(商标为CATIA、ENOVIA和DELMIA)提供了组织产品工程知识的工程中心、管理制造工程知识的制造中心、和使能企业集成并连接到工程和制造中心的企业中心。***一起传送链接产品、处理、资源的开放对象模型以使能驱动优化产品定义、制造准备、生产和服务的动态的、基于知识的产品创建和决策支持。
这些***的一些允许仿真用切割工具加工工件的仿真。然而，这些***通常导致不完善的仿真。
这种***的例子提供在以下中：
-Computer-Aided Design 37(2005)909-920中的Oleg Ilushina，GershonElberb,Dan Halperin,Ron Wein,Myung-Soo Kim的题为“Precise global collisiondetection in multi-axis NC-machining”的论文；和
-Computer-Aided Design 39(2007)1012-1024中的T.D.Tang,Erik L.J.Bohez,Pisut Koomsap的题为“The sweep plane algorithm for global collision detectionwith workpiece geometry update for five-axis NC machining”的论文。
一些***允许用一组深度元素(dexel)来表示建模体。多个文献特别建议使用用于加工仿真或交互造型(sculpting)的深度元素表示。
这些文献的例子是：
-Computer-Aided Design and Applications，2009中的Xiaobo Peng和WeihanZhang的题为“A Virtual Sculpting System Based on Triple Dexel Models withHaptics”的论文；
-Proceedings of the 21st annual conference on Computer graphics andinteractive techniques,1994中的Yunching Huang和James H.Oliver的题为“NCMilling Error Assessment and Tool Path Correction”的论文；
-Oliver，J.H和Huang，Y.1998年的题为“NC milling simulation anddimensional verification via dexel representation”的美国专利5,710,709；
-SM’03Proceedings of the eighth ACM symposium on Solid modeling andapplications中的Heinrich Muller，Tobias Surmann，Marc Stautner，FrankAlbersmann，Klaus Weinert的题为“Online Sculpting and Visualization of Multi-Dexel Volumes”的论文；
-Visual and Physical Prototyping,2006中的Yongfu Ren，Susana K.Lai-Yuen和Yuan-Shin Lee的题为“Virtual prototyping and manufacturing planning by usingtri-dexel models and haptic force feedback”的论文；
-The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,1995中的Sabine Stifter的题为“Simulation of NC machining based on the dexel model:A critical analysis”的论文；
-Computer Graphics International,1998中的Konig，A.H和Groller，E.的题为“Real time simulation and visualization of NC milling processes forinhomogeneous materials on low-end graphics hardware”的论文；
-美国专利5,710,709；
-美国专利7,747,418。
GPGPU(图形处理单元上的通用计算)是使用图形处理单元(GPU)的技术，所述图形处理单元典型地仅处理用于计算机图形的计算，以在由中央处理单元(CPU)传统处理的应用程序中执行计算。一些论文考虑使用用于深度元素表示的现代图形处理单元(GPU)的计算能力。这些论文利用LDNI(分层的标准深度图像)算法，其关联于特定存储器模型。
这种论文的例子是：
-CCP：94：Proceedings of The Seventh International Conference OnEngineering Computational Technology中的B.Tukora和T.Szalay的题为“GPGPU-basedMaterial Removel Simulation and Cutting Force Estimation”的论文；
-Proceedings of ASME internaltion design engineering technicalconferences.Brooklyn(NY)中的Charlie C.L.Wang和Yong Chen的题为“Layered Depth-Normal Images:a Sparse Implicit Representation of Solid Models”的论文。
在这种环境中，仍存在对用于仿真用切割工具加工工件的改进的解决方案的需要，所述切割工具具有切割部分和非切割部分。
发明内容
根据一个方面，因此提供了一种用于仿真用切割工具加工工件的计算机实现的方法，所述切割工具具有切割部分和非切割部分。所述方法包括提供表示所述工件的建模体和所述切割工具的轨迹。所述方法还包括确定所述切割工具的碰撞扫描。所述碰撞扫描表示当所述切割工具跟随所述轨迹时由所述切割工具的非切割前端扫描的体。所述方法还包括根据所述确定步骤来测试与所述工件的碰撞。
所述方法可以包括以下中的一个或多个：
-所述方法包括确定所述切割工具的保护前端，并且确定所述碰撞扫描包括确定由所述非切割部分扫描的体和由所述保护前端扫描的体。
-所述工件由一组深度元素表示，每一个深度元素包括表示线和所述工件之间的交叉的至少一条线段的组，并且测试所述碰撞包括对于各个深度元素：确定与所述保护前端扫描的体相交叉的所述各个深度元素的线段，由此更新所述各个深度元素，和评估所更新的各个深度元素的线段是否与所述非切割部分扫描的体相交叉；
-所述切割部分是凸起的，所述各个深度元素的线段是有序的，并且更新所述各个深度元素包括：缩短与所述保护前端扫描的体相交叉的最小次序的线段，缩短与所述保护前端扫描的体相交叉的最大次序的线段，以及移除所述最小次序的线段和所述最大次序的线段之间的所有线段；
-确定所述碰撞扫描包括：确定当所述切割工具跟随所述轨迹时由所述切割工具的所述非切割前端扫描的体。
还提出了一种CAM***，包括：其上记录有用于执行上述方法的指令的存储器，与所述存储器耦合的处理器，和与所述处理器耦合并适于执行所述指令的至少一个图形用户界面。
所述处理器可以是GPU(图形处理单元)。
还提出了一种包括用于执行上述方法的指令的计算机程序。
还提出了一种其上记录有上述计算机程序的计算机可读存储介质。
附图说明
现在将通过非限制例子并参考附图来描述本发明的实施例，其中：
-图1示出方法的例子的流程图；
-图2示出图形用户界面的例子；和
-图3示出客户端计算机***的例子；
-图4-21示出方法的例子。
具体实施方式
图1示出了用于仿真用切割工具加工工件的计算机实现的方法的例子的流程图，所述切割工具具有切割部分和非切割部分。方法包括提供(S10)表示工件的建模体和切割工具的轨迹。方法也包括确定(S20)切割工具的碰撞扫描(colliding sweep)。碰撞扫描表示当切割工具跟随轨迹时切割工具的非切割前部扫描的体。该方法进一步包括根据所述确定测试(S30)与工件的碰撞。这种方法改善了对用切割工具加工工件的仿真。
该方法可以包括在设计表示制造对象的CAD建模对象的处理中。制造对象可以是任意物理产品，并可以根据对工件执行的加工处理被制造。例如，可通过用切割工具加工原料(stock)获得制造对象。工件包括在加工期间实际情况的原料。所述方法仿真这种加工。
“设计CAD建模对象”指定作为详细描述建模对象的处理的至少一部分的任意动作或动作序列。例如，所述方法可以包括提供表示作为支撑结构的工件的建模体，并通过仿真建模体的切割(因此仿真支撑结构的切割)仿真工件的加工。所述建模体定义工件所占据的3D空间。因此，建模体是建模立体。因为所述方法改善了对用切割工具加工工件的仿真，所以所述方法也改善了表示制造对象的CAD建模对象的设计，其中所述切割工具具有切割部分和非切割部分。
建模对象是由存储在计算机***的存储器中的数据定义的任意对象。通过扩展，表达“建模对象”指定数据自身。CAD建模对象是由存储在CAD***的存储器中的数据定义的任意对象。根据***的类型，建模对象可由不同类型数据定义。CAD***是至少适于以建模对象的图形表示为基础设计建模对象的任意***，例如CATIA。因此，定义CAD建模对象的数据包括允许表示建模对象的数据(例如几何数据，例如包括空间中的相对位置)。
该方法可包括在制造处理中，其可包括，在执行所述方法后，根据由该方法仿真的加工处理生产制造对象。换句话说，在测试(S30)之后，例如如果测试(S30)产生不存在碰撞的结果，该方法可包括根据轨迹用切割工具实际切割工件(由建模体表示)。制造对象可以是产品，例如零件，或零件的组件。因为该方法改进建模体的设计，所以该方法也改进产品的制造并因此增加制造处理的生产率。可使用CAM***，例如DELMIA实现该方法。CAM***是至少适于定义、仿真和控制制造处理和操作的任意***。
该方法是计算机实现的。这意即该方法在至少一个计算机上或任意类似***上执行。除非另外地提及，否则该方法的所有步骤由计算机执行，即无需用户的干涉。例如，确定(S20)和测试(S30)的步骤可由单独计算机执行，而提供(S10)的步骤可由单独计算机或通过用户交互执行。因此该方法允许加工的自动测试。
该方法的计算机实现的典型例子是用适于该目的的***执行所述方法。该***可包括其上记录有用于执行该方法的指令的存储器。换句话说，软件已经在存储器上准备好以立即使用。因此该***适于执行该方法而不必安装任意其它软件。这样的***也包括用于执行指令的耦合至存储器的至少一处理器。换句话说，该***包括在耦合至处理器的存储器上编码的指令，所述指令提供用于执行该方法的模块。这种***是用于设计建模体的有效工具。
这种***可以是CAD或CAM***。该***也可以是CAE***，并且建模对象也可以是CAE建模对象和/或CAM建模对象。事实上，CAD、CAE和CAM***并非彼此排他的，因为建模对象可由相应于这些***的任意组合的数据定义。
***可以包括用于例如通过用户发起指令的执行的至少一个GUI。特别地，GUI可以允许用户通过以下操作来发起提供(S10)步骤：设计建模体和/或根据划痕(scratch)定义切割工具的轨迹，和/或从***的存储器或在***外部但耦合到***的设备(例如通过网络服务)获取建模体和/或切割工具的轨迹。GUI可包括GPU。在这种情况下，处理器可以是GPU。换句话说，至少执行该方法的步骤的处理器，特别是确定(S20)和/或测试(S30)的步骤的处理器，可以是GPU。这种***是用于由用户设计建模体的有效工具。当建模体被提供为一组深度元素时这特别有利。因为基于深度元素的算法很好地适于大规模并行硬件，考虑使用现代图形处理单元(GPU)的计算能力是自然而然的。
建模体可以是3D(即三维)。这意即建模体是由允许其3D表示的数据定义的。3D表示允许从所有角度查看所表示的体。例如，当进行3D表示时，建模体可被处理并绕其任意轴转向，或绕在其上显示所述表示的屏幕中的任意轴转向。这特别地排除不是3D建模的2D图标。3D表示的显示促进设计(即提高了设计者统计地完成他们的工作的速度)。这加速了工业中的制造过程，因为产品的设计是制造过程的一部分。
图2示出典型CAD***的GUI的例子。
GUI 2100可以是典型的类CAD界面，具有标准菜单栏2110、2120，及底部和侧面工具栏2140、2150。这种菜单和工具栏包含一组用户可选图标，每一图标关联于一个或多个操作或功能，这是本领域技术人员所已知的。这些图标的一些关联于软件工具，适于对显示于GUI 2100上的3D建模对象2000进行编辑和/或工作。软件工具可以分组为工作台。每一工作台包括软件工具的子集。特别地，工作台之一是编辑工作台，适于编辑建模产品2000的几何特征。操作时，例如，设计者可通过选择适当的图标预选择对象2000的一部分并接着发起操作(例如造型操作、或任意其它操作例如改变维度、颜色等等)或编辑几何约束。例如，典型的CAD操作是显示在屏幕上的3D建模对象的冲压或折叠的建模。
例如GUI可显示与所显示的产品2000相关的数据2500。在图2的例子中，以“特征树”显示的数据2500和它们的3D表示2000属于包括制动钳和盘的制动组件。GUI可进一步示出例如用于促进对象的3D取向的、用于触发所编辑的产品的操作的仿真的各种类型图形工具2130、2070、2080，或呈现所显示产品2000的各种属性。指针2060可由触觉设备控制以允许用户与图形工具交互。
图3示出作为客户端计算机***(例如用户工作站)的***架构的例子。
客户端计算机包括连接到内部通信总线1000的中央处理单元(CPU)1010、也连接到总线的随机存取存储器(RAM)1070。客户端计算机进一步提供有关联于连接到总线的视频随机存取存储器1100的图形处理单元(GPU)1110。视频RAM1100也是本领域技术人员知道的帧缓冲器。大容量存储设备控制器1020管理大容量存储设备(例如硬盘驱动器1030)的访问。适于有形地体现计算机程序指令和数据的大容量存储设备包括所有形式的非易失性存储器，作为例子包括半导体存储设备，例如EPROM、EEPROM、和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘和可移动磁盘；磁光盘；和CD-ROM盘1040。任意前述设备可以由特别设计的ASIC(专用集成电路)补充或并于ASIC中。网络适配器1050管理的网络1060的访问。客户端计算机也可以包括触觉设备1090，例如指针控制设备、键盘等。指针控制设备用在客户端计算机中以允许用户在屏幕1080上的任意期望的位置选择性地定位指针，如参考附图2所提及的。通过屏幕，意即其上可以执行显示的任意支持设备，例如计算机监视器。另外，指针控制设备允许用户选择多个命令，和输入控制信号。指针控制设备包括用于输入控制信号给***的多个信号生成设备。典型地，指针控制设备可以是鼠标、用于生成信号的鼠标按钮。
为了促进***执行方法，提供了包括用于由计算机执行的指令的计算机程序，所述指令包括用于此目的的模块。例如程序可实现在数字电子电路中、或计算机硬件、固件、软件、或它们的组合中。本发明的装置可实现在有形地体现在机器可读存储设备中的计算机程序产品中，以供可编程处理器执行；并且本发明的方法步骤可由通过操作输入数据并生成输出执行指令程序以实现本发明功能的可编程处理器执行。指令可有利地实现在一个或多个计算机程序中，所述计算机程序可在包括至少一个可编程处理器、至少一个输入设备、和至少一个输出设备的可编程***上执行，所述可编程处理器耦合来从数据存储***接收数据和指令，并发送数据和指令至数据存储***。应用程序可以用高级过程或面向对象编程语言、或按照期望的用汇编或机器语言实现；并且在任何情况中，语言可以为编译或解释的语言。程序可以是完全安装程序、或更新程序。在后一种情况下，程序更新现有的CAD***为其中***适于执行所述方法的状态。
所述方法包括提供(S10)表示工件的建模体和切割工具的轨迹。可使用任意的体建模提供建模体。例如，建模体被提供为代数公式。可选地，建模体被提供为B-Rep(边界表示，即用于建模体的边界表面的公式)或多面体。建模体也可以被提供为一组深度元素，如将在后文论述的。建模体的表示，例如3D，也可在执行所述方法期间的所有时间被显示给用户。切割工具的轨迹是加工工件期间由切割工具获得的任意有序位置集。切割工具的表示，例如3D，也可被显示给用户。轨迹的提供可有用户执行，例如通过用户处理屏幕上切割工具的表示，例如使切割工具移向所显示的建模体以仿真切割工件。所述方法可根据切割工具的轨迹更新建模体。例如，所述方法可包括在建模体上执行切割，并且同时或预先，执行确定(S20)和测试(S30)，例如，使得当检测到碰撞时(例如实时地)停止切割。在这种情况下，所述方法可包括显示检测到碰撞的信息给用户。
所述方法也包括确定(S20)切割工具的碰撞扫描。碰撞扫描是表示当切割工具跟随轨迹时由切割工具的非切割前端扫描的体的数据。通常，切割工具具有切割部分和非切割部分，其也可以被分别称作“切割体”和“非切割体”。切割部分和非切割部分之间的边界可以是可变的，即存在不同的边界，因此可能定义由切割工具的切割部分和非切割部分组成的不同对。切割工具可以是铣床、钻床乃至刀。在任何一种情况下，切割工具具有非切割部分(例如把手)，例如用于例如通过工人或机器人操作并移动切割工具。事实上，切割工具是切割部分和非切割部分的刚性组件。工具的轨迹是例如由用户定义的位置序列。非切割部分是不切割材料的切割工具的一部分，并因此与其遇到的任意立体相碰撞。在切割工具在轨迹上的给定位置，当切割工具跟随轨迹时的切割工具的非切割前端是当切割工具跟随轨迹时在这个位置与立体碰撞的切割工具的点的子集(在切割工具开始跟随轨迹之前立体应已经位于这个位置)。非切割前端的正式公式将在后文提供。由非切割前端扫描的体是其中存在潜在碰撞的体(例如如果工件具有位于这种扫描体中的其至少一部分)。碰撞扫描是表示这种体的任意体数据(可能是扫描体自身或其近似)。因此所述方法允许确定表示与轨迹相关的切割工具的点的碰撞位置的3D空间的体。
所述方法进一步包括根据确定(S20)步骤来测试(S30)与工件的碰撞(即根据已经确定的碰撞扫描)。当其检测到碰撞(在有潜在的碰撞的情况下)时，测试(S30)可产生肯定的结果，或相反地产生否定的结果。例如，测试(S30)可以包括确定是否碰撞扫描和工件之间存在交叉。因此所述方法确定是否碰撞扫描(由碰撞扫描表示的体)与工件交叉。如果是，则该方法检测到碰撞。
该方法的场景是使用计算机辅助设计***或计算机辅助制造***的实时加工仿真。该方法提供用切割工具加工工件的可靠仿真，所述切割工具具有切割部分和非切割部分。事实上，该方法以快速方式检测碰撞，而几乎没有错误否定结果(即通过测试(S30)，几乎不会丢失可能的碰撞)。这是因为切割工具的轨迹是当确定碰撞扫描(S20)时加以考虑的。
确定(S20)可以包括划分轨迹为单元步阶。在这种情况下，可以为每一单元步阶执行确定(S20)和测试(S30)。这允许快速测试(S30)，因为容易确定碰撞扫描。并且，这降低具有测试(S30)错误肯定结果的机会。工具轨迹的单元步阶可以是两个连续位置之间的工具的运动。在工具轨迹的每个单元步阶，可以从由非切割部分扫描的体减去由切割部分保护的非切割移动部分的面扫描的体。如果结果不与当前工件相交叉，则可确定该单元移动上没有撞击(即碰撞)发生。在该检查之后，当前工件可被更新(通过根据单元移动切割建模体的一部分)。这导致速度增益和可靠性增益。事实上，该方法不必改进每一单元轨迹步阶(因此允许好的性能)，并且可靠性不依赖于任意数字的精确值。性能和可靠性不依赖于位移矢量的方向。
所述划分可依赖于预定的时间步长。例如，该方法可划分轨迹为单元步阶，每一个单元步阶对应于在预定的时间步长期间用户对切割工具的表示的处理。可选地，该方法可划分轨迹为预定长度的单元步阶。可选地，该方法可划分轨迹为预定数量的相等长度的单元步阶。
可选地，该方法可划分轨迹为单元步阶，每一个单元步阶定义一个规则轨迹。通过规则轨迹，意即针对切割工具的每一给定点，由给定点的位置的序列定义的曲线(当切割工具跟随轨迹时)不具有尖顶(即没有奇异点)。例如单元步阶可以是线性的、圆形的、螺旋弧(即圈部分)或用于描述造型工具的运动的曲线。这种划分有效降低在测试(S30)步骤处的错误肯定的数量。
切割工具可以是凸起的，具有一些边界切割和一些其它非切割。这确保测试(S30)的更可靠结果。
当更新工件时，该方法解除工具的切割部分的运动和工具的非切割部分的运动的关联。这参考附图4-6被示出，其示出应用所述方法的例子。
在该例子中，所述方法包括向用户显示具有切割部分42和非切割部分44的切割工具40的表示，及表示工件的建模体46。在附图4，建模体46表示在更新之前的工件。在附图5-6上，建模体46表示在更新之后的工件。
切割部分42是工具40的半球状部分，而非切割部分44是工具40的圆柱状部分(例如工具柄部)。在附图4在切割步骤之前的工件是梯形形状46。
如附图5所示，可以观察到，如果工具40从右上到左下降下，则(在实际加工处理中)没有出现碰撞，因为切割前端在工具柄部之前。相反地，如附图6所示，从左下到右上上升(在实际加工中)会在工具柄部44和工件之间产生碰撞48，因为工具柄部在切割前端之前。
因此，该方法设计用于预测该不对称的行为，并且有效地检测在附图6情形中有碰撞，而有效检测在附图5情形中没有碰撞。此外，在这种情况下，轨迹可包括单个单元步阶。因此，该方法可为整个轨迹快速执行测试(S30)。
现在参考附图7-21论述所述方法的例子。这些例子与参考附图4-6论述的例子是可组合的。
移动的切割工具40被分解为切割体42和非切割体44。注意由切割体42和非切割体44共享的内部边界72不具有实际的意义并且不影响材料移除，或碰撞行为。因此为了方便计算，该边界72表面被选择，并且该边界72表面可以被任意放置。在该例子的情形中，边界72被方便地选择为盘状。
在第一例子中，确定碰撞扫描包括确定当切割工具40跟随轨迹时由切割工具40的非切割前端扫描的体。换句话说，该方法实际确定当切割工具40跟随轨迹时由切割工具40的非切割前端扫描的体，并且碰撞扫描可等于所确定的体。
在该例子中，工具40是包括切割体42和非切割体44的刚性移动组件。令V为非切割体44的值。朴素方法可以考虑使工件与V的扫描体相交叉。通过函数t∈[0,1]→Traj(t)定义轨迹，其中对于每一t∈[0,1]，Traj(t)是等容(isometric)变换，V的扫描体是：
在每一t∈[0,1]，等容变换Traj(t)由旋转Rot(t)和平移Trans(t)定义，意即三维空间的点x在位置Traj(t)(x)＝Rot(t)x+Trans(t)的移动。
代替朴素扫描体概念，所述方法考虑通过使用所谓的高级外部前端的合并进行更精密的定义。令Souter为在工具参考中定义的非切割部分44的边界，其也为工具40的外部边界。例如在附图7上，工具被分解为切割体42和非切割体44。附图8将相应的Souter边界示出为实线(非虚线)。如附图9所示，在任意点x∈Souter，外部标准矢量标注为n(x)。
对于给定t∈[0,1]，令工具40的非切割前端(标注为Front(t))为由以下定义的Souter的子集：
其中<u,v>表示矢量u和v之间的数积，并且Rot(t)是轨迹Traj(t)的旋转分量。换句话说，Front(t)是在时间t其瞬时速度矢量朝向移动工具40的外部的Souter的点的集合。
例如，如附图10所示，工具40可沿着线段100从点P1向点P2移动。因此，Traj(t)x＝x+t(P2-P1)，因为对所有的t，Rot(t)＝Id。接着对所有t，因此在t＝0，Front(t)是如附图10通过粗线示出的垂直线段102。
从P2到P1的反向轨迹110导致不同的Front(t＝0)，如附图11通过反向L形粗线112示出的。
该方法可确定(S20)“碰撞扫描”为由Front(t)扫描的体：
该方法检查相对于当前工件的碰撞扫描，这与检查相对于当前工件的非切割体扫描相反。
附图12示出根据下降轨迹计算的碰撞扫描120。明显地，碰撞扫描120和建模体46是分离的，意即在轨迹的该部分期间工具40的非切割体不与建模体46相撞击。
现在，附图13示出根据上升轨迹的碰撞扫描120。由于Front(t＝0)的形状，碰撞扫描120是不同的并且与工件46相重叠。这意即在轨迹的该部分期间工具40的非切割体44实际与建模体46相碰撞。
在第二例子中，该方法包括确定切割工具的保护前端。在轨迹上的切割工具的给定位置，当切割工具跟随轨迹时，切割工具的保护前端是当切割工具跟随轨迹时阻止切割工具其它点在这个位置与立体相碰撞的切割工具的点的子集(在切割工具开始跟随轨迹之前立体应已经位于这个位置上)。保护前端的正式公式将在后文提供。
确定(S20)碰撞扫描可以包括在这种情况下确定由非切割部分扫描的体和由保护前端扫描的体。接着，该方法可以确定所述两个体之间的差异。测试(S30)可以包括评估所述体差异是否与建模体交叉，并如果是则产生肯定结果，或否则产生否定结果。这允许快速和鲁棒的确定(S20)。
为了方便以2D示出这些例子。然而事实上是三维的，如之前论述的。附图14-15提供例子的3D说明。附图14示出为圆柱体(而不是矩形)的非切割体42。附图15示出碰撞扫描120(其为由半圆柱侧面沿倾斜轨迹扫描的体)不是凸起的。
该方法的实现，在该第二例子和第一例子中，可以是多深度元素模型。换句话说，工件可由一组深度元素表示(因此表示建模体)。换句话说，在该例子中，建模体被提供为一组深度元素。(深度元素的组的)每一深度元素包括至少一条线段的组。这些段表示线和工件之间的交叉。
使用深度元素组表示工件允许轻度表示(使用很少的存储空间)。这也允许可以容易处理的工件表示。特别地，当由一组深度元素表示工件时，由于一组深度元素的数据结构，切割可以被特别有效地执行。事实上，设计操作可以高响应率和高鲁棒地被执行。特别地，可通过并行处理逐线地执行对一组深度元素的操作，从而获得效率增益。因此，***的处理器可以有效地是GPU。
术语“深度元素”(dexel)已知为“深度元素”(depth element)的简称(正如术语“像素”(pixel)是“图像元素”(picture element)的简称)。深度元素的概念已经在大量研究论文中提及。在所述方法的场景中，深度元素包括至少一条线段的组，即一对3D点。在例子中，建模体包括至少一个深度元素，其包括至少两条线段的组(例如深度元素的初始组和/或深度元素的新组包括至少两条线段)。深度元素的线段，如果有多个，可是有序的(在这种情况下，深度元素是列表)、或无序的。深度元素的线段表示线与工件之间的交叉。换句话说，考虑虚拟线与工件交叉，深度元素是源于给定线的线段的组并且由交叉的计算产生。
应着重注意的是，深度元素的组被提供为计算机实现的数据。因此，以上和以下提供的关于建模体的任意表示的定义具有来自数据结构视角的含义。例如，线段可被提供为一对3D位置(例如两个相互链接的3D位置)。3D位置自身可被提供为三个坐标(例如浮点)的列表，其关联于参考3D框架。深度元素是线段的组，其暗示在一组结构中线段被链接在一起。一组深度元素中的深度元素也可被链接在一起。由一组深度元素表示建模体(所述深度元素自身包括至少一条线段的组)允许快速测试(S30)，以及进一步快速更新建模体。
测试(S30)碰撞可包括，对于各个深度元素，确定与由保护前端扫描的体交叉的各个深度元素的线段，由此更新各个深度元素(即根据所确定的线段，即通过缩短和/或丢弃所确定的深度元素)，和评估所更新的各个深度元素的线段是否与由非切割部分扫描的体相交叉。接着，如果评估是肯定的，则所述方法可产生测试的肯定结果，或者如果评估是否定的，则产生否定结果。
所述方法可以包括定义保护前端和非切割部分(例如如之前解释的，保护前端可被任意地定义，并且可划分切割工具为切割部分和非切割部分)，从而由保护前端扫描的体和由非切割部分扫描的体是凸起的。本领域技术人员将理解如何进行这种划分，使得获得凸起部分。在这种情况下，确定与由保护前端扫描的体交叉的各个深度元素的线段和评估所更新的各个深度元素的线段是否与由非切割部分扫描的体相交叉被特别快速地执行。
事实上，各个深度元素的线段典型地可以是有序的(实际顺序可存在于定义深度元素的数据中，或这种顺序如其自然地存在那样被获取)。例如如果非切割部分是凸起的并且单元步阶是直线平移，则非切割部分可扫描凸起体。另外，保护前端也可扫描凸起体。例如，切割部分也可以是凸起的。轨迹可被划分为由直线平移组成的单元步阶。更新各个深度元素可以包括缩短与由保护前端扫描的体交叉的最小次序的线段(例如当各个深度元素的线段的顺序被遍历时，与由保护前端扫描的体交叉的第一线段)，缩短与由保护前端扫描的体交叉的最大次序的线段(例如当各个深度元素的线段的顺序被便利时，与由保护前端扫描的体交叉的最后线段)，和移除最小次序的线段和最大次序的线段之间的所有线段。
现在参考附图16-21论述该方法的该第二例子。
在使用深度元素的场景中，从处理视角来看，管理凸起碰撞扫描，或如果不可能，管理通过两个凸起组相减定义的立体可以是更有效的。事实上，具有两个凸起组的一组S差异(S＝C1－C2)的线段的交叉可如以下被执行。
该方法可以首先将支撑线段的线L与C1和C2交叉，其给出两个可能的空线段I1＝L∩C1和I2＝L∩C2。可以观察到，L∩S＝L∩(C1-C2)＝(L∩C1)-(L∩C2)＝I1-I2。当然，由线L支撑的线段可表示为L的参数表达中的间隔。由L支撑的线段与S的交叉接着压缩(boil down)成间隔与两个间隔的差异的交叉，最糟糕的情况下后者是两个间隔的合并。
由于该原因，之前给出的第一例子被重新用公式表示以使得所述方法更实际，特别是在深度元素模型的场景中。考虑凸起的非切割体V。我们称Sprotect为不在Souter中的V的边界。换句话说，Sprotect包括与工具的其它切割体或非切割体解除的V的面。
在实际情形中，例如NC加工仿真，大多数通用工具的形状允许Sprotect包括一个或两个平面的面。然而，应当注意到切割体和非切割体之间的内部分离不具有物理意义并且因此会经常被选择为平面而不会对产生的行为有任何影响。
在附图4-15的例子的情况下，Sprotect可以是盘状的。如附图16-18所示，Sprotect是分离切割体和非切割体的实线。
所述方法可定义碰撞扫描为整个凸起的非切割体的扫描和Sprotect的子集的扫描之间的组理论差异。该子集包括其中外部法线指向扫描方向的Sprotect的所有点。一般的非平移轨迹情况下，Sprotect的一些部分可以具有指向瞬时扫描速度的外部法线而一些不具有。在该情况下只有Sprotect的子集可以被扫描。在平移扫描情况下，这是两个凸起组的相减并且可以容易在多深度元素模型中被管理。
形式上，所述方法可定义：
所以，根据碰撞扫描的先前定义，我们具有：
在使用多深度元素网格表示的加工方针场景中，所述方法因此可通过以下操作在单元轨迹期间容易地检查碰撞。
如附图19所示，对于每一深度元素，所述方法可以计算由与非切割体190的扫描的交叉给出的间隔Ai(即深度元素的线段，其被存储为该例中深度元素的支撑线上的间隔)。如果所有这些间隔Ai具有与当前工件的空交叉，则可确定没有碰撞发生，即测试(S30)可以产生否定结果。
否则，所述方法可计算从t＝0到t＝1由保护前端扫描的体(如果轨迹或单元步阶用从0到1的参数t定义)。为此，所述方法收集Sprotect的其外部法线具有与位移矢量的正点积的面200。如附图20所示，所述方法接着可以计算由这些面200扫描的体。如附图20所示，所述方法可以最终计算等于深度元素和该扫描体202之间的交叉的间隔Bi。如附图21所示，所述方法可以计算布尔一维减法Ci＝Ai-Bi；这些产生的间隔表示深度元素和碰撞扫描体190之间的交叉。如果这些Ci间隔具有与存储工件层的深度元素间隔的非空交叉，则可推断碰撞将发生在那个深度元素上。也可推论碰撞深度。否则，如附图21所示，那个深度元素上没有碰撞发生。

Claims (9)

1.一种用于仿真用切割工具加工工件的计算机实现的方法，所述切割工具具有切割部分和非切割部分，其中所述方法包括：
提供(S10)表示所述工件的建模体和所述切割工具的轨迹，其中，所述轨迹由函数t∈[0，1]→Traj(t)定义，其中t表示时间，并且对于每一t∈[0，1]，Traj(t)是由旋转Rot(t)和平移Trans(t)定义的等容变换，其中对于三维空间的点x，Traj(t)(x)＝Rot(t)x+Trans(t)；
确定(S20)所述切割工具的碰撞扫描，其中所述碰撞扫描表示当所述切割工具跟随所述轨迹时由所述切割工具的非切割前端扫描的体，在所述切割工具在所述轨迹上的给定位置，当所述切割工具跟随所述轨迹时的所述切割工具的非切割前端是当所述切割工具跟随所述轨迹时在这个位置与立体碰撞的所述切割工具的点的子集；
根据所述确定(S20)步骤来测试(S30)与所述工件的碰撞；
其中，Souter是所述非切割部分的边界，其也是所述切割工具的外部边界，并且其中，n(x)是点x的外部标准矢量：
其中，所述方法包括确定所述切割工具的保护前端，并且其中，确定所述碰撞扫描包括确定所述非切割部分扫描的体以及由所述保护前端扫描的体，在所述轨迹上的所述切割工具的给定位置，当所述切割工具跟随所述轨迹时，所述保护前端是阻止所述切割工具的其它点在这个位置与立体相碰撞的所述切割工具的点的子集，其中，所述保护前端protectFront(t)是由如下定义的Sprotect的子集：
其中，Sprotect是不在Souter中的所述非切割部分的边界，所述碰撞扫描是由所述非切割部分扫描的所述体与由所述保护前端扫描的所述体之间的差，所述碰撞扫描等于
其中，V是所述非切割部分；或者
确定所述碰撞扫描包括确定当所述切割工具跟随所述轨迹时由所述切割工具的所述非切割前端扫描的体，其中，所述非切割前端Front(t)是由如下定义的Souter的子集：
所述碰撞扫描是由所述非切割前端扫描的所述体，所述碰撞扫描等于
2.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述方法包括确定所述切割工具的保护前端并且确定所述碰撞扫描包括确定由所述非切割部分扫描的体和由所述保护前端扫描的体时，所述工件由一组深度元素表示，每一个深度元素包括表示线和所述工件之间的交叉的至少一条线段的组，并且其中测试所述碰撞包括对于各个深度元素：
确定与所述保护前端扫描的体相交叉的所述各个深度元素的线段，
由此更新所述各个深度元素，和
评估所更新的各个深度元素的线段是否与所述非切割部分扫描的体相交叉。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述切割部分是凸起的，所述各个深度元素的线段是有序的，并且更新所述各个深度元素包括：
缩短与所述保护前端扫描的体相交叉的最小次序的线段，
缩短与所述保护前端扫描的体相交叉的最大次序的线段，
移除所述最小次序的线段和所述最大次序的线段之间的所有线段。
4.一种CAM***，包括：
其上记录有用于执行如权利要求1-3中的任意一项所述的方法的指令的存储器，
与所述存储器耦合的处理器，以及
与所述处理器耦合并适于执行所述指令的至少一个图形用户界面。
5.根据权利要求4所述的***，其中所述处理器是GPU图形处理单元。
6.一种用于仿真用切割工具加工工件的装置，所述切割工具具有切割部分和非切割部分，其中所述装置包括：
用于提供(S10)表示所述工件的建模体和所述切割工具的轨迹的单元，其中，所述轨迹由函数t∈[0，1]→Traj(t)定义，其中，t表示时间，并且对于每一t∈[0，1]，Traj(t)是由旋转Rot(t)和平移Trans(t)定义的等容变换，其中对于三维空间的点x，Traj(t)(x)＝Rot(t)x+Trans(t)；
用于确定(S20)所述切割工具的碰撞扫描的单元，其中所述碰撞扫描表示当所述切割工具跟随所述轨迹时由所述切割工具的非切割前端扫描的体，在所述切割工具在所述轨迹上的给定位置，当所述切割工具跟随所述轨迹时的所述切割工具的非切割前端是当所述切割工具跟随所述轨迹时在这个位置与立体碰撞的所述切割工具的点的子集；
用于根据所述确定(S20)步骤来测试(S30)与所述工件的碰撞的单元；
其中，Souter是所述非切割部分的边界，其也是所述切割工具的外部边界，并且其中，n(x)是点x的外部标准矢量：
其中，所述装置包括用于确定所述切割工具的保护前端的单元，并且其中，用于确定所述碰撞扫描的所述单元包括用于确定所述非切割前端扫描的体以及由所述保护前端扫描的体，在所述轨迹上的所述切割工具的给定位置，当所述切割工具跟随所述轨迹时，所述保护前端是阻止所述切割工具的其它点在这个位置与立体相碰撞的所述切割工具的点的子集的单元，其中，所述保护前端protectFront(t)是由如下定义的Sprotect的子集：
其中，Sprotect是不在Souter中的所述非切割部分的边界，所述碰撞扫描是由所述非切割部分扫描的所述体与由所述保护前端扫描的上所述体之间的差，所述碰撞扫描等于
其中，V是所述非切割部分；或者
用于确定所述碰撞扫描的所述单元包括用于确定当所述切割工具跟随所述轨迹时由所述切割工具的所述非切割前端扫描的体的单元，其中，所述非切割前端Front(t)是由如下定义的Souter的子集：
所述碰撞扫描是由所述非切割前端扫描的所述体，所述碰撞扫描等于
7.根据权利要求6所述的装置，其中，当所述装置包括用于确定所述切割工具的保护前端并且确定所述碰撞扫描包括确定由所述非切割部分扫描的体和由所述保护前端扫描的体的单元时，所述工件由一组深度元素表示，每一个深度元素包括表示线和所述工件之间的交叉的至少一条线段的组，并且其中用于测试所述碰撞的所述单元包括对于各个深度元素：
用于确定与所述保护前端扫描的体相交叉的所述各个深度元素的线段的单元，
用于由此更新所述各个深度元素的单元，和
用于评估所更新的各个深度元素的线段是否与所述非切割部分扫描的体相交叉的单元。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述切割部分是凸起的，所述各个深度元素的线段是有序的，并且用于更新所述各个深度元素的所述单元包括：
用于缩短与所述保护前端扫描的体相交叉的最小次序的线段的单元，
用于缩短与所述保护前端扫描的体相交叉的最大次序的线段的单元，
用于移除所述最小次序的线段和所述最大次序的线段之间的所有线段的单元。
9.一种其上记录有包括用于执行权利要求1-3中的任一项所述的方法的指令的计算机程序的计算机可读存储介质。
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