[发明专利]一种基于VBO的切削加工过程高效几何仿真方法

说明书

本发明公开了一种基于VBO的切削加工过程高效几何仿真方法，包括以下步骤：刀具/工件局部布尔运算，建立模型包围盒，确定局部相交位置，进行快速布尔运算；虚拟体素映射，将工件Tri‑dexel模型的端点映射到空间中对应的虚拟体素；虚拟体素信息编码，将工件模型的面片数据以虚拟体素为单位进行编码；体素数据管理，将体素数据在显存VBO中的存储方式映射到系统内存；VBO数据更新，对保存于显存VBO中的模型面片数据进行局部高效更新；可视化渲染，手动定义渲染管线，将显存VBO中的模型面片数据进行解码并绘制到屏幕上。该方法能够减少仿真过程中的冗余计算，实现工件模型的局部动态更新，极大提高了切削加工过程几何仿真的效率。

技术领域

本发明涉及智能制造数控加工技术，具体涉及一种基于VBO的切削加工过程高效几何仿真方法。

背景技术

智能制造是我国从制造业大国向制造业强国转变的重要保障，也是制造业转型升级的必经之路。精确高效的切削仿真方法一直是数控加工的核心关键技术之一，也是国内相关工业软件的重要瓶颈。智能数控加工对实时在线的切削仿真能力提出了更高的要求，例如近几年关注度越来越高的数字孪生技术对近实时、高精度的切削仿真算法的期望越来越大。

切削加工仿真分为几何仿真和物理仿真，几何仿真方法可以分为实体建模法和离散建模法。其中，实体建模法（如CSG、B-Rep等）能够保证几何仿真较高的精度，但计算成本也较高，无法应用于在线几何仿真；离散建模法（如Z-map、Tri-dexel等）是近似仿真方法，一定程度上可以提高运算效率。专利CN201611030732.0公开了一种基于STL模型的材料去除算法，能够对模型三角网格进行重构，实现虚拟加工仿真，但只是一种离线仿真，重点关注仿真精度；专利CN201710158757.7公开了一种五轴增材几何仿真方法，能够基于Tri-dexel模型实现五轴复杂轨迹的增材仿真过程，但没有针对Tri-dexel模型仿真效率问题展开进一步探讨；专利CN201811146285.4公开了一种面向加工实时监控的切削仿真实现方法，通过二叉树数据结构对DEXEL改进模型的存储、搜索功能进行改进，缺点是模型数据存储于系统内存中、可视化渲染时没有实现局部更新。

综上，现有的几何仿真方法大部分以离线仿真为目标而设计，是为了预览工件在加工过程中的形貌变化以及验证刀具轨迹的正确性，对仿真效率并没有提出很高的要求；同时现有的基于Tri-dexel模型的几何仿真方法通常将模型数据存储于系统内存中，在渲染前将数据传输至显卡内存，其中包含了大量在仿真中无需发生变化的数据。对于几何仿真这种工件形状动态变化、数据量较大的应用，数据的拷贝传输过程时间成本高，成为了仿真算法的性能瓶颈。而在线几何仿真的目的在于对加工过程的实时监测，需要几何仿真算法达到足够高的效率才能实现仿真过程与机床运动同步运行。为了满足在线几何仿真对实时性的极端要求，重点需要解决仿真过程中的冗余计算问题，实现工件模型的局部高效更新。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于VBO（Vertex Buffer Object，顶点缓冲对象）的切削加工过程高效几何仿真方法，通过将模型数据保存于显存VBO中，针对VBO中数据的高效增删改查进行方法设计，实现加工过程中工件模型的局部更新，使几何仿真效率得到了大幅提升。具体技术方案如下：

一种基于VBO的切削加工过程高效几何仿真方法，包括以下步骤：

步骤1：刀具/工件局部布尔运算，建立刀具与工件的包围盒，确定局部相交位置，进行快速布尔运算；

步骤2：虚拟体素映射，将工件Tri-dexel模型的端点映射到空间中对应的虚拟体素；

步骤3：虚拟体素信息编码，将体素单元内部的面片数据进行编码，编码后的数据以体素为单位存储于显存VBO；

步骤4：体素数据管理，将体素数据在显存VBO中的存储方式映射到系统内存中，快速定位到每一个体素单元在VBO中的存储位置；