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

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景与意义
• 1.2 虚拟加工技术的国内外研究现状
• 1.2.1 虚拟现实和虚拟制造
• 1.2.2 虚拟加工
• 1.3 虚拟加工几何建模技术
• 1.3.1 边界表示法
• 1.3.2 实体构造几何法
• 1.3.3 深度体素建模法
• 1.3.4 Z-buffer 建模法
• 1.3.5 体素建模法
• 1.3.6 三角面片建模法
• 1.4 存在问题与发展趋势
• 1.4.1 存在问题
• 1.4.2 发展趋势
• 1.5 研究思路与研究内容
• 1.6 结构安排
• 第2章 虚拟加工开发环境
• 2.1 图形显示工具 OpenGL
• 2.1.1 OpenGL 基本概念
• 2.1.2 OpenGL 库函数
• 2.1.3 OpenGL 主要特性
• 2.1.4 OpenGL 图形处理功能
• 2.1.5 OpenGL 基本工作流程
• 2.1.6 OpenGL 图形变换
• 2.2 开发工具 Visual C ++
• 2.2.1 Visual C ++概述
• 2.2.2 Visual C ++编程主要特性
• 2.3 OpenGL 与 Visual C ++集成环境的开发步骤
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于八叉树球形体素模型的体素化方法
• 3.1 八叉树球形体素模型建模方法
• 3.2 虚拟毛坯体素化
• 3.2.1 最小包围盒
• 3.2.2 基于八叉树模型的最小包围盒空间剖分
• 3.2.3 体素单元的八叉树编码
• 3.2.4 基于查表法的 6-邻接关系模型
• 3.3 虚拟刀具建模
• 3.4 本章小结
• 第4章 球形体素单元动态局部更新与显示
• 4.1 虚拟加工过程的实现
• 4.2 碰撞检测的定义及方法
• 4.3 基于 6-邻接关系模型的局部碰撞检测方法
• 4.4 球形体素单元动态更新方法
• 4.5 体素模型的三角面片化
• 4.5.1 三角面片转换
• 4.5.2 三角面片绘制
• 4.5.3 真实感图形显示
• 4.6 本章小结
• 第5章 虚拟铣削加工仿真系统
• 5.1 虚拟铣削加工仿真框架
• 5.2 数控代码解释器
• 5.2.1 NC 加工代码简介
• 5.2.2 数控代码解释器的设计
• 5.3 几何仿真实例及算法性能对比
• 5.3.1 虚拟加工几何仿真实例
• 5.3.2 与传统仿真算法的性能对比
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作
• 致谢
• 附录