[发明专利]利用自适应采样距离场仿真数控铣削的方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及仿真数控(NC)铣削，并且更具体而言涉及利用自适应采样距离场仿真NC铣削。

背景技术

NC铣削

仿真数控(NC)铣削的过程在计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)中是至关重要的。在仿真期间，用NC铣刀的计算机表示和一组NC铣刀运动来编辑工件的计算机模型，以模拟铣削过程。

在模拟期间可以显现工件模型和刀具表示，以检测零件(诸如工件和刀架)之间的潜在碰撞，并且在模拟之后检验工件的最终形状。

工件的最终形状受所选刀具和刀具运动的影响。通常根据工件的希望的最终形状的图形表示利用计算机辅助制造系统来产生用于控制这些运动的指令。通常利用数控程序语言(也被称为预备代码或G码，见以下标准RS274D和DIN66025/ISO6983)来实现该运动。

由计算机辅助制造系统产生的G码可能不会产生希望形状的精确复制。另外，NC刀具的移动受NC铣床的马达控制，NC铣床的马达的速度、运动范围以及加速和减速的能力有限，使得刀具的实际运动可能不会精确地遵循NC机床的指令。

工件的实际最终形状和工件的希望形状之间的差异可能非常小。在一些情况下，这些差异会导致在工件的最终形状的表面中产生不合要求的沟或刻痕，该沟或刻痕的深度和宽度尺寸为大约几微米，并且长度为几十微米。

通常，一组NC机床指令通过在铣削希望的零件之前铣削由较软的、不太昂贵的材料制成的测试工件来测试。假如测试工件的肉眼检查找出该测试工件中的不合要求的差异，则可以据此修改NC机床指令。

该人工测试费时且昂贵。用于加工单个测试工件的时间可能大约数小时，并且在得到容许的一组NC机床指令之前，可能需要若干次反复。因而，希望利用基于计算机的模拟和绘制(rendering)对这些差异进行测试。然而，为了检测对于工件来说大约几微米的尺寸的差异，需要非常精确的计算机模型，其中该工件可以具有大约1米的尺寸。本发明的目的在于提供一种用于表示和绘制这种用于铣削模拟的高精度模型的节省空间和时间的方法。

扫描体

在铣削期间，刀具根据在本文中称为刀具路径的指定刀具运动相对于工件移动，该刀具路径可以包含关于刀具相对于工件的相对位置、方位以及其他形状数据的信息。

当刀具沿刀具路径移动时，刀具雕刻出“扫描体(扫略体)”。在铣削期间，当刀具沿刀具路径移动时，工件与扫描体相交的部分被移除。该材料移除可以作为构造实体几何(CSG)差分运算在计算机中模拟，其中利用从工件减去扫描体的CSG减法运算从工件上移除工件的所述部分。

为了提供高精度的铣削模拟，必须具有扫描体的精确表示。因而，本发明的一个目的在于提供一种用于表示和绘制扫描体的高精度模型的节省空间和时间的方法。

虽然在本文中以NC铣削模拟作为一个示例，但是扫描体在科学、工程、娱乐以及计算机图形学等许多领域都有应用。一些具体应用包括例如计算机辅助设计、自由设计、计算机辅助制图、动画制作、实体造型、机器人技术、制造自动化以及可视化。以下描述适用于需要或希望精确表示扫描体的所有领域。

虽然这里我们集中在三维坐标系，但是术语“扫描体”一般地说可以延及到N维坐标系。特别是，以下讨论也适用于由沿二维空间中的路径移动的一维或二维形状扫描(扫略)出的区域，或者适用于由在高维空间中的路径或表面上移动的形状扫描出的超体积。

我们首先回顾本发明的技术领域中的现有技术。扫描体研究中的重要性和挑战的综述存在于“Swept Volumes：Foundations，Perspectives，andApplications”，International Journal of Shape Modeling，2006，Abdel-Malek，Blackmore and Joy(Abdel-Malek，Blackmore以及Joy，2006，形状建模的国际期刊，“扫描体：基础、前景以及应用”)。他们断定本领域的研究受到难以在计算机软件中执行复杂的扫描数学表达式的限制，并且计算扫描体的边界遗留了需要更好的可视化工具和更精确的方法的挑战性问题。

有时可以以分析法表示沿简单路径移动的简单形状的扫描体，如美国专利No.4,833,617所述。然而，那些方法不能推广到复杂形状和复杂刀具路径。