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(shí)體碰撞干涉檢驗(yàn)計(jì)算機(jī)三維實(shí)體碰撞檢測(cè)一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn), 從 20 世紀(jì) 70 年代以來(lái), 有許多專家學(xué)者對(duì)三維運(yùn)動(dòng)體碰撞檢測(cè)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(dòng)態(tài)體與靜態(tài)間的碰撞檢測(cè)方法; 1989 年 Nobrio等[7]用八叉樹實(shí)體表示檢測(cè)動(dòng)態(tài)與靜態(tài)體間的碰撞問(wèn)題; 2004 年,Ding等人[8]研究了基于八叉樹的碰撞檢測(cè)算法并將其應(yīng)用于 5 軸加工的干涉檢測(cè), Kim等[9]用球面矢量 Voronoi圖來(lái)解決高速運(yùn)動(dòng)中的碰撞檢測(cè)問(wèn)題; 2005 年, Ilushin等[10]針對(duì)多軸加工過(guò)程提出了一種采用射線跟蹤(Ray-tracing)來(lái)檢測(cè)實(shí)體干涉碰撞的方法。 總結(jié)這些研究不難發(fā)現(xiàn), 運(yùn)動(dòng)碰撞檢測(cè)的算法可以分為 3 大類。1) 離散樣本檢測(cè)法: 對(duì)于運(yùn)動(dòng)物體, 先取定一個(gè)時(shí)間樣本, 得到一個(gè)時(shí)間序列, 再求出各運(yùn)動(dòng)物體在每個(gè)樣本時(shí)刻的空間位置和方向, 最后采用靜態(tài)物體干涉檢測(cè)算法來(lái)檢測(cè)每一樣本時(shí)刻各運(yùn)動(dòng)物體的相對(duì)狀態(tài)。2) 掃描體求交法: 生成運(yùn)動(dòng)物體的空間掃描體, 用掃描體來(lái)包含時(shí)間信息, 通過(guò)掃描體間或掃描體與樣本物體間的碰撞檢測(cè)來(lái)完成整個(gè)樣本空間、物體間的碰撞檢測(cè)。3) 連續(xù)檢測(cè)法: 把運(yùn)動(dòng)物體的特征數(shù)據(jù)(點(diǎn)線面)的運(yùn)動(dòng)軌跡表達(dá)成時(shí)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(guò)求解方程來(lái)求得發(fā)生碰撞的位置和時(shí)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(shí)間間隔太長(zhǎng), 可能發(fā)生漏檢, 特別是對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下, 漏檢的可能性會(huì)很大, 而若時(shí)間間隔短, 則計(jì)算時(shí)間就會(huì)很長(zhǎng); 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(diǎn)問(wèn)題來(lái)檢測(cè)實(shí)體的碰撞; 第 3 種方法比較適合于高速運(yùn)動(dòng)中的精確干涉檢測(cè), 但是隨著特征數(shù)據(jù)的增加, 檢測(cè)方程數(shù)量將急劇增加, 檢測(cè)時(shí)間會(huì)大大增加。從目前的應(yīng)用情況看來(lái), 主要采用的還是前兩種方法, 但是隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高, 第 3 種方法的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越多。2.4 材料切除過(guò)程仿真對(duì)于材料切除過(guò)程仿真, 國(guó)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?？偟膩?lái)說(shuō), 材料切除過(guò)程的仿真主要有兩個(gè)功能: 一是檢測(cè)是否過(guò)切、 干涉、 碰撞, 以檢測(cè) NC代碼和刀位文件的正確性; 二是通過(guò)逼真的三維動(dòng)畫來(lái)實(shí)現(xiàn)可視化仿真, 為虛擬制造提供支撐環(huán)境。圖 2 為一個(gè)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(guò)程仿真一般包括 7 個(gè)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(shí)體模型模塊、 動(dòng)畫仿真模塊、 碰撞檢測(cè)模塊、 過(guò)切檢測(cè)模塊、實(shí)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(shí)體模型文件(最常用實(shí)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(shí)體輸出格式標(biāo)準(zhǔn))。在進(jìn)行材料切除仿真之前, 先由消隱模塊對(duì)實(shí)體模型進(jìn)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(jìn)行毛坯與刀具的布爾差運(yùn)算; 以動(dòng)畫的形式實(shí)時(shí)地仿真材料切除過(guò)程, 并同時(shí)檢測(cè)是否過(guò)切或有碰撞干涉, 若有則提示相應(yīng)的錯(cuò)誤信息, 并將其記錄到相應(yīng)的日志文件。