CN109814489A - 一种vr场景中铣刀切削毛坯时模型的实时修改方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械加工制造领域，具体涉及一种VR场景中铣刀切削毛坯时模型的实时修改方法，包括以下步骤：定义用来衡量仿真精度的***误差为δ；确定轨迹面上的修改点；计算典型刀型A修改点的深度；计算典型刀型B修改点的深度；计算典型刀型C修改点的深度。本发明对实体修改的速度与加工代码的多少无关；计算过程稳定可靠；计算结果的显示与观察方式和视线方向无关，在修改过程中或修改结束之后可以实时缩放、旋转、平移；能够显示整个真实的切削过程并对加工结果进行误差测量。

Description

一种VR场景中铣刀切削毛坯时模型的实时修改方法

技术领域

本发明属于机械加工制造领域，具体涉及一种VR场景中铣刀切削毛坯时模型的实时修改方法。

背景技术

在虚拟现实场景制作过程中，建立三维模型是最基本的一步，而实际应用的虚拟场景中的三维模型往往都是由三角拓扑面组成的静态网格体，不能随着用户需求而实时地改变模型的形状。尤其是在数控加工过程中，如何实时表达刀具对零件修改的过程，也就是如何实现对实体模型的实时修改成为虚拟现实场景构建的一个难点。

传统的方法一是采取线框方法，这种方法只能用于校验数控代码有无明显错误，不能显示整个真实的切削过程并对加工结果进行误差测量；二是采用布尔实体造型技术，这种方法对待加工毛坯和刀具均采用标准的数学模型表示，但也存在一些问题：对于复杂零件等待时间和数据量大大增加，求交过程和离散显示过程所消耗的时间将降低其实时性能，并且求交过程中计算稳定性将影响整个仿真过程；三是采用视向离散法，这种方法可以达到很好的显示效果和实时性能，但其加工结果不具有连续性。

为了实现数控加工过程中铣刀实时修改模型的精度，并且保证观察者在虚拟现实场景中可以自由实现铣刀的加速、减速、暂停和旋转等动作，一种可行的方法是研究一种精度高、可以实时修改实体模型的技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于虚拟现实场景构建中，数控加工中铣刀切削毛坯时三维模型的实时修改方法。

一种VR场景中铣刀切削毛坯时模型的实时修改方法，包括以下步骤：

(1)定义用来衡量仿真精度的***误差为δ；

(2)确定轨迹面上的修改点；

(3)计算典型刀型A修改点的深度；

(4)计算典型刀型B修改点的深度；

(5)计算典型刀型C修改点的深度。

所述定义用来衡量仿真精度的***误差为δ，包括：

***误差为：

其中，a×b为毛坯表面尺寸，m×n为网格划分。

所述确定轨迹面上的修改点，包括：

对任意节点P(x，y)，满足以下条件之一则为修改点：

(1)-R≤y≤R and-L≤x≤L

(2)-R≤y≤R and|PS|≤R

(3)-R≤y≤R and|PE|≤R

其中S是铣刀起点在X-Y平面上的投影，E是铣刀终点在X-Y平面上的投影，S与E之间的距离为2L，S与E的中点是原点。

所述计算典型刀型A修改点的深度，包括：

设P(x,y,z)是一个修改点，它的x，y坐标是已知的，柱面SE的方程为

其中，X(x,y,z)是任意一点，是平行于SE的单位向量；

将P代入后可以得到P在圆柱面上的坐标P(x,y,z)；

线SE的参数方程为：中t是参数；

将上面解出的P代入方程可以算出参数t，此时有：

若t＜0，则P点处于轨迹面起点处的球面上，由方程|P-S|＝R解出P点的深度z；

若0≤t≤SE，则P点是处于轨迹面中的圆柱面上，不需要重新计算深度；

若t＞SE，则P点处于轨迹面终点处的球面上，由方程|P-E|＝R解出P点的深度z。

所述计算典型刀型B修改点的深度，包括：

设SE与X-Y平面的夹角为θ，修改点为P(x,y,z)，则

若P与S的水平距离小于R，P的深度应该与S一样；

若P与S的水平距离大于R，那么由方程可以得出P的深度z。

所述计算典型刀型C修改点的深度，包括：

轨迹面的母线方程：

轨迹面方程为：

其中，t是参数，

若P和S的水平距离小于R，则分别利用圆环方程和轨迹面方程得到两个深度值，P的深度取最深的一个，即Z值最小的那个；

若P和E的水平距离小于R，则分别利用圆环方程和轨迹面方程得到两个深度值，P的深度取最浅的一个，即Z值最大的那个；

若非上述两种情况，则用轨迹面方程得到P的深度z。

本发明的有益效果在于：

(1)对实体修改的速度与加工代码的多少无关；

(2)计算过程稳定可靠；

(3)计算结果的显示与观察方式和视线方向无关，在修改过程中或修改结束之后可以实时缩放、旋转、平移；

(4)能够显示整个真实的切削过程并对加工结果进行误差测量。

附图说明

图1为铣刀切削毛坯模型的实时修改技术框图；

图2为典型刀型A的剖面图；

图3为典型刀型B的剖面图；

图4为典型刀型C的剖面图；

图5为轨迹面X-Y平面上的投影图；

图6为典型刀型A轨迹面纵剖图；

图7为典型刀型B轨迹面纵剖图；

图8为典型刀型B轨迹面纵剖图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

在虚拟现实场景制作过程中，建立三维模型是最基本的一步，而实际应用的虚拟场景中的三维模型往往都是由三角拓扑面组成的静态网格体，不能随着用户需求而实时地改变模型的形状。尤其是在数控加工过程中，如何实时表达刀具对零件修改的过程，也就是如何实现对实体模型的实时修改成为虚拟现实场景构建的一个难点。

传统的方法一是采取线框方法，这种方法只能用于校验数控代码有无明显错误，不能显示整个真实的切削过程并对加工结果进行误差测量；二是采用布尔实体造型技术，这种方法对待加工毛坯和刀具均采用标准的数学模型表示，但也存在一些问题：对于复杂零件等待时间和数据量大大增加，求交过程和离散显示过程所消耗的时间将降低其实时性能，并且求交过程中计算稳定性将影响整个仿真过程；三是采用视向离散法，这种方法可以达到很好的显示效果和实时性能，但其加工结果不具有连续性。

为了实现数控加工过程中铣刀实时修改模型的精度，并且保证观察者在虚拟现实场景中可以自由实现铣刀的加速、减速、暂停和旋转等动作，一种可行的方法是研究一种精度高、可以实时修改实体模型的技术。

一种虚拟现实场景中数控加工铣刀切削毛坯时三维模型的实时修改方法，具体包括以下几个步骤：

(1)定义用来衡量仿真精度的***误差为δ；

(2)确定轨迹面上的修改点；

(3)计算典型刀型A修改点的深度；

(4)计算典型刀型B修改点的深度；

(5)计算典型刀型C修改点的深度。

所述的***误差为：其中实际毛坯表面尺寸为a×b，m×n为网格划分。

所述的确定轨迹面上的修改点的方法为：

对任意节点P(x，y)满足以下条件之一则成为修改点：

1)-R≤y≤R and -L≤x≤L

2)-R≤y≤R and|PS|≤R

3)-R≤y≤R and|PE|≤R

其中S是铣刀起点在X-Y平面上的投影，E是铣刀终点在X-Y平面上的投影，S与E之间的距离为2L，原点是S与E的中点。

所述的计算典型刀型A修改点的深度的方法包括：

根据圆柱面SE的方程计算修改点P(x,y,z)；

将P带入方程计算参数t；

根据

a)t＜0则P点处于轨迹面起点处的球面上，由方程|P-S|＝R解出P点的深度z；

b)0≤t≤SE则P点是处于轨迹面中的圆柱面上，不需要重新计算深度；

c)t＞SE则P点处于轨迹面终点处的球面上，由方程|P-E|＝R解出P点的深度z。

所述的计算典型刀型B修改点的深度的方法为：

若P与S的水平距离小于R，P的深度应该与S一样；

若P与S的水平距离不小于R，那么由方程可以得出P的深度z。

所述的计算典型刀型C修改点的深度的方法包括：

轨迹面的母线方程：

具体做法如下：

a)若P和S的水平距离小于R，则分别利用圆环方程和轨迹面方程得到两个深度值，P的深度取最深的一个(即Z值最小的那个)；

b)若P和E的水平距离小于R，则分别利用圆环方程和轨迹面方程得到两个深度值，P的深度取最浅的一个(即Z值最大者)；

c)若非情况(a)(b)，则用轨迹面方程得到P的深度z。

铣刀的运动轨迹是由直线段组成的，每一段由刀心的起点和终点来描述。计算机隔t时间计算一次铣刀在t时间中的运动轨迹，修改铣刀所经过的节点的深度，并重新构成当前毛坯的形状，将结果显示出。整个仿真过程就是一个计算机不断计算修改节点深度的过程，本发明在确保实时仿真效果的前提下，给出了三种典型铣刀刀型的实时修改方法，可以精确快速的计算修改节点的深度。

本发明还可以包括：

所述的***误差为：

其中实际毛坯表面尺寸为a×b，m×n为网格划分。

所述的轨迹面上修改点满足的条件为：

1)-R≤y≤R and -L≤x≤L

2)-R≤y≤R and|PS|≤R

3)-R≤y≤R and|PE|≤R

其中S是铣刀起点在X-Y平面上的投影，E是铣刀终点在X-Y平面上的投影，S与E之间的距离为2L，原点是S与E的中点。

所述的典型刀型A修改点的深度的方法为：

根据圆柱面SE的方程计算修改点P(x,y,z)；

将P带入方程计算参数t；

a)t＜0则P点处于轨迹面起点处的球面上，由方程|P-S|＝R解出P点的深度z；

b)0≤t≤SE则P点是处于轨迹面中的圆柱面上，不需要重新计算深度；

c)t＞SE则P点处于轨迹面终点处的球面上，由方程|P-E|＝R解出P点的深度z。

所述的典型刀型B修改点的深度的方法为：

若P与S的水平距离小于R，P的深度应该与S一样；

若P与S的水平距离不小于R，那么由方程可以得出P的深度z。

所述的典型刀型C修改点的深度的方法为：

a)若P和S的水平距离小于R，则分别利用圆环方程和轨迹面方程得到两个深度值，P的深度取最深的一个(即Z值最小的那个)；

b)若P和E的水平距离小于R，则分别利用圆环方程和轨迹面方程得到两个深度值，P的深度取最浅的一个(即Z值最大者)；

c)若非情况(a)(b)，则用轨迹面方程得到P的深度z。

本发明的技术方案的实质是：利用矩阵网格来构建被加工工件的表面，通过及时地修改铣刀所经过的节点深度来显示被加工物体的形状，方便的实现虚拟现实场景中铣刀的加速，减速和暂停以及被加工工件的实时缩放和旋转，给出了三种典型铣刀刀型的实时修改方法，为使用者提供不同的观察视角和观察方法。

结合图1，三轴数控铣床的铣刀在x轴，y轴，z轴发生移动，被加工的毛坯可视为立方体。本发明的处理流程如下：首先将毛坯的上表面表示成m×n的矩阵网格，每个交叉点成为节点，节点的x坐标和y坐标是固定不变的，改变的是它的深度(z坐标)。在仿真过程中，不断的改变节点的深度来表达毛坯被加工的实际情况。

具体实施步骤如下：

步骤(1)，定义***误差为：

用来衡量仿真精度。其中实际毛坯表面尺寸为a×b，m×n为网格划分。

步骤(2)，称轨迹面上的修改点为节点，确定节点的方法为：

铣刀走过一段直线，其轨迹面在X-Y平面上的投影为矩阵和两个半圆合成的区域，我们移动坐标系如图3，其中S是铣刀起点在X-Y平面上的投影，E是铣刀终点在X-Y平面上的投影，S与E之间的距离为2L，原点是S与E的中点。对任意节点P(x，y)满足以下条件之一则成为修改点：

1)-R≤y≤R and -L≤x≤L

2)-R≤y≤R and|PS|≤R

3)-R≤y≤R and|PE|≤R

步骤(3)，典型刀型A修改点深度的计算方法：

刀型A的轨迹面试一段圆柱面和两个球面相切而成(图4)。修改点修改深度必须明确知道它落在中间的圆柱面上还是两头的球面上，具体做法如下：

设P(x,y,z)是一个修改点，它的x，y坐标是已知的。圆柱面SE的方程为

其中，X(x,y,z)是任意一点，是平行于SE的单位向量。

将P代入后可以得到P在圆柱面上的坐标。直线SE的参数方程为

其中t是参数。

将上面解出的P代入方程可以算出参数t，此时有：

a)t＜0则P点处于轨迹面起点处的球面上，由方程|P-S|＝R解出P点的深度z；

b)0≤t≤SE则P点是处于轨迹面中的圆柱面上，不需要重新计算深度；

c)t＞SE则P点处于轨迹面终点处的球面上，由方程|P-E|＝R解出P点的深度z。

步骤(4)，典型刀型B修改点深度的计算方法：

刀型B的轨迹面有这样一个性质：被平面z＝z₀所截是一个半径为R的圆(图5)。设SE与X-Y平面的夹角为θ，修改点为P(x,y,z)，则

a)若P与S的水平距离小于R，P的深度应该与S一样；

b)若P与S的水平距离大于R，那么由方程可以得出P的深度z。

步骤(5)，典型刀型C修改点深度的计算方法：

刀型C的轨迹实际上是一个圆环运动的包络面的一部分(图6)。在圆环上法方向与n垂直的曲线构成了轨迹面的母线，如果设圆环中点在圆点，则圆环方程为：r＝r(α,β)

圆环上的点在母线上的条件为：

即：

所以母线方程为：

轨迹面方程为：t是参数，

为方便计算，我们将起点S置于原点(图6).对任意修改点P(x，y坐标已知)，修改其深度时要特别注意在轨迹两头的修改，具体做法如下：

a)若P和S的水平距离小于R，则分别利用圆环方程和轨迹面方程得到两个深度值，P的深度取最深的一个(即Z值最小的那个)；

b)若P和E的水平距离小于R，则分别利用圆环方程和轨迹面方程得到两个深度值，P的深度取最浅的一个(即Z值最大者)；

c)若非情况(a)(b)，则用轨迹面方程得到P的深度z。

Claims (6)

1.一种VR场景中铣刀切削毛坯时模型的实时修改方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)定义用来衡量仿真精度的***误差为δ；

(2)确定轨迹面上的修改点；

(3)计算典型刀型A修改点的深度；

(4)计算典型刀型B修改点的深度；

(5)计算典型刀型C修改点的深度。

2.根据权利要求1所述的一种VR场景中铣刀切削毛坯时模型的实时修改方法，其特征在于，所述定义用来衡量仿真精度的***误差为δ，包括：

***误差为：

其中，a×b为毛坯表面尺寸，m×n为网格划分。

3.根据权利要求1所述的一种VR场景中铣刀切削毛坯时模型的实时修改方法，其特征在于，所述确定轨迹面上的修改点，包括：

对任意节点P(x，y)，满足以下条件之一则为修改点：

(1)-R≤y≤R and -L≤x≤L

(2)-R≤y≤R and|PS|≤R

(3)-R≤y≤R and|PE|≤R

其中S是铣刀起点在X-Y平面上的投影，E是铣刀终点在X-Y平面上的投影，S与E之间的距离为2L，S与E的中点是原点。

4.根据权利要求1所述的一种VR场景中铣刀切削毛坯时模型的实时修改方法，其特征在于，所述计算典型刀型A修改点的深度，包括：

设P(x,y,z)是一个修改点，它的x，y坐标是已知的，柱面SE的方程为

其中，X(x,y,z)是任意一点，是平行于SE的单位向量；

将P代入后可以得到P在圆柱面上的坐标P(x,y,z)；

线SE的参数方程为：中t是参数；

将上面解出的P代入方程可以算出参数t，此时有：

若t＜0，则P点处于轨迹面起点处的球面上，由方程|P-S|＝R解出P点的深度z；

若0≤t≤SE，则P点是处于轨迹面中的圆柱面上，不需要重新计算深度；

若t＞SE，则P点处于轨迹面终点处的球面上，由方程|P-E|＝R解出P点的深度z。

5.根据权利要求1所述的一种VR场景中铣刀切削毛坯时模型的实时修改方法，其特征在于，所述计算典型刀型B修改点的深度，包括：

设SE与X-Y平面的夹角为θ，修改点为P(x,y,z)，则

若P与S的水平距离小于R，P的深度应该与S一样；

若P与S的水平距离大于R，那么由方程可以得出P的深度z。

6.根据权利要求1所述的一种VR场景中铣刀切削毛坯时模型的实时修改方法，其特征在于，所述计算典型刀型C修改点的深度，包括：

轨迹面的母线方程：

轨迹面方程为：

其中，t是参数，

若P和S的水平距离小于R，则分别利用圆环方程和轨迹面方程得到两个深度值，P的深度取最深的一个，即Z值最小的那个；

若P和E的水平距离小于R，则分别利用圆环方程和轨迹面方程得到两个深度值，P的深度取最浅的一个，即Z值最大的那个；

若非上述两种情况，则用轨迹面方程得到P的深度z。