分析虛擬加工和其關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(三)
2.3 實體碰撞干涉檢驗計算機三維實體碰撞檢測一直是計算機圖形學(xué)領(lǐng)域的一個研究熱點, 從 20 世紀(jì) 70 年代以來, 有許多專家學(xué)者對三維運動體碰撞檢測方法作了大量的研究工作: 1988 年 Canny[6]提出了基于 B- Rep 多面體的動態(tài)體與靜態(tài)間的碰撞檢測方法; 1989 年 Nobrio等[7]用八叉樹實體表示檢測動態(tài)與靜態(tài)體間的碰撞問題; 2004 年,Ding等人[8]研究了基于八叉樹的碰撞檢測算法并將其應(yīng)用于 5 軸加工的干涉檢測, Kim等[9]用球面矢量 Voronoi圖來解決高速運動中的碰撞檢測問題; 2005 年, Ilushin等[10]針對多軸加工過程提出了一種采用射線跟蹤(Ray-tracing)來檢測實體干涉碰撞的方法。 總結(jié)這些研究不難發(fā)現(xiàn), 運動碰撞檢測的算法可以分為 3 大類。1) 離散樣本檢測法: 對于運動物體, 先取定一個時間樣本, 得到一個時間序列, 再求出各運動物體在每個樣本時刻的空間位置和方向, 最后采用靜態(tài)物體干涉檢測算法來檢測每一樣本時刻各運動物體的相對狀態(tài)。2) 掃描體求交法: 生成運動物體的空間掃描體, 用掃描體來包含時間信息, 通過掃描體間或掃描體與樣本物體間的碰撞檢測來完成整個樣本空間、物體間的碰撞檢測。3) 連續(xù)檢測法: 把運動物體的特征數(shù)據(jù)(點線面)的運動軌跡表達成時間的函數(shù), 推導(dǎo)出滿足碰撞條件的各幾何元素的方程, 通過求解方程來求得發(fā)生碰撞的位置和時間。相比較而言, 第 1 種方法的關(guān)鍵是樣本空間的選取, 若樣本時間間隔太長, 可能發(fā)生漏檢, 特別是對于高速運動狀態(tài)下, 漏檢的可能性會很大, 而若時間間隔短, 則計算時間就會很長; 第 2 種方法中的掃描體構(gòu)造比較復(fù)雜, 需要研究利用直線和掃描體交點問題來檢測實體的碰撞; 第 3 種方法比較適合于高速運動中的精確干涉檢測, 但是隨著特征數(shù)據(jù)的增加, 檢測方程數(shù)量將急劇增加, 檢測時間會大大增加。從目前的應(yīng)用情況看來, 主要采用的還是前兩種方法, 但是隨著計算機性能的不斷提高, 第 3 種方法的應(yīng)用也會越來越多。2.4 材料切除過程仿真對于材料切除過程仿真, 國內(nèi)外也有一些研究成果, 主要集中在相應(yīng)的算法方面。 如基于 Z- map 結(jié)構(gòu)的算法[11]、 基于 Dexel 模型的快速成型算法[12], 等等。總的來說, 材料切除過程的仿真主要有兩個功能: 一是檢測是否過切、 干涉、 碰撞, 以檢測 NC代碼和刀位文件的正確性; 二是通過逼真的三維動畫來實現(xiàn)可視化仿真, 為虛擬制造提供支撐環(huán)境。圖 2 為一個典型的材料切除仿真子系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖。材料切除過程仿真一般包括 7 個功能模塊: 系統(tǒng)監(jiān)控模塊、 NC/CL(即刀位)文件翻譯模塊、 讀取實體模型模塊、 動畫仿真模塊、 碰撞檢測模塊、 過切檢測模塊、實體消隱模塊。系統(tǒng)的輸入是 NC代碼或 CL文件, 還有帶有夾具、托盤的上線毛坯以及成型零件的實體模型文件(最常用實體的模型是 SLA模型, 即三角面片模型, 其為商用 CAD軟件的通用實體輸出格式標(biāo)準(zhǔn))。在進行材料切除仿真之前, 先由消隱模塊對實體模型進行消隱預(yù)處理。在系統(tǒng)監(jiān)控模塊的控制下, 由 NC代碼/刀位文件翻譯器逐條解釋加工指令并進行毛坯與刀具的布爾差運算; 以動畫的形式實時地仿真材料切除過程, 并同時檢測是否過切或有碰撞干涉, 若有則提示相應(yīng)的錯誤信息, 并將其記錄到相應(yīng)的日志文件。