本发明专利技术公开了一种基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，包括以下步骤：构建工件模型；生成刀具模型和输入刀具的移动路径；根据工件模型生成初始高度图，其中，以高度图通道数据表示该位置(x,z)对应的工件在(x,z)的高度值y，采用多通道表示高度值y，y是一个浮点类型；碰撞计算；更新后的高度图数据传输至顶点着色器，生成实时渲染效果图；判断加工是否完成，若未完成则更新刀具位置，重复碰撞计算步骤并更新实时渲染效果图；根据更新后的高度图还原工件模型。本发明专利技术的实时仿真方法解决减材加工仿真中的实时加工、实时渲染和精度要求问题。实时渲染和精度要求问题。实时渲染和精度要求问题。
【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的减材加工实时仿真方法
[0001]本专利技术涉及智能加工
，尤其涉及一种基于数字孪生的减材加工实时仿真方法。
技术介绍
[0002]数字孪生技术的高速发展，推动现代制造业由过去简单的自动化向信息化、数字化、智能化方向转变。减材制造是现代制造业的关键技术之一，故也是数字孪生技术必备的关键底层技术之一，可以减少产品设计到制造的时间并降低生产成本。然而当前主流数字孪生系统呈现数字孪生体模型行为时，仅仅停留在机构动作呈现，而无法呈现减材、增材加工过程的效果。
[0003]常规的仿真方案有：
[0004](1)采用构造实体几何法(CSG)或者边界表示法(B
‑
rep)。根据刀具安照刨削轨迹形成刀具扫描体，对刀具扫描体实体建模，在加工过程中刀具和刀具扫描体进行实时布尔差运算，并更新工件模型。然而由于几何实体构造法或者边界表示法包含模型大量体数据，随着产品共建越来越复杂，计算量呈指数次增长，难以达到实时仿真效果。
[0005](2)采用体素构造法(voxel)，将模型离散为简单体素如正方体、线段等，可以将布尔运算量复杂度降至O(n)，模型求交算法简单而且效率高，但是在表面重建却没有简单快速的方法，构造出来的表面易产生不连续现象，且精度方面很难达到要求。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的在于提出一种基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，解决减材加工仿真中的实时加工、实时渲染和精度要求问题。
[0007]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，包括以下步骤：
[0009]构建工件模型；
[0010]生成刀具模型和输入刀具的移动路径；
[0011]根据工件模型生成初始高度图，其中，以高度图通道数据表示该位置(x,z)对应的工件在(x,z)的高度值y，采用多通道表示高度值y，y是一个浮点类型；
[0012]碰撞计算：定位刀具在工件的投影区域，判断工件与刀具是否发生碰撞，若工件与刀具发生碰撞，则工件模型与刀具模型进行布尔减运算，根据运算结果更新高度图；
[0013]更新后的高度图数据传输至顶点着色器，生成实时渲染效果图；
[0014]判断加工是否完成，若未完成则更新刀具位置，重复碰撞计算步骤并更新实时渲染效果图；
[0015]根据更新后的高度图还原工件模型。
[0016]进一步的，所述构建工件模型方法为：所述工件模型为任意单方向的图形拉伸体，根据输入的分辨划分图形拉伸体的精度，得到顶点数据，以顶点数据生成工件模型数据。
[0017]进一步的，当所述图形拉伸体为正方体时，构建工件模型的步骤为：
[0018]输入分辨率为ResolutionX，ResolutionZ；
[0019]生成[ResolutionX*ResolutionZ+(ResolutionX+ResolutionZ)*2]个顶点数据，伪代码如下：
[0020][0021][0022]根据顶点数据，连接顶点成三角形，生成索引数据，即构成工件模型数据，生成索引数据的伪代码如下：
[0023][0024]最后再连接侧边的三角形索引即可。
[0025]进一步的，所述根据工件模型生成初始高度图的方法为：
[0026]R通道用来存储高度值的整数且大小限制在99以下，R＝(int)y，If(R>99)R＝99；
[0027]G通道数据则用来存储高度值的小数点后两位，G＝((int)(y*100))％100；
[0028]B通道数据则是用来存储高度值的小数点后第三、四位，B＝((int)(y*10000))％100。
[0029]进一步的，所述碰撞计算的步骤为：
[0030]根据刀具位置(x,y,z)、刀具半径R和工件包围体定位刀具在工件上的投影区域
(Xmin,Zmin)(Xmax,Zmax)，伪代码如下：
[0031]Xmin＝x
‑
R>Bound.min.x？x
‑
R:Bound.min.x
[0032]Zmin＝z
‑
R>Bound.min.z？z
‑
R:Bound.min.z
[0033]Xmax＝x+R<Bound.max.x？x+R:Bound.max.x
[0034]Zmax＝z+R<Bound.max.z？z+R:Bound.max.z；
[0035]遍历工件模型的投影区域上的点(x,z)，若工件的高度值y1大于刀具在该位置(x,y2,z)的高度值y2，则将y1更新为y2，若y1小于y2则不更新；
[0036]将遍历结束后的高度值更新至高度图。
[0037]进一步的，所述刀具有两种类型，一种是圆柱，一种是胶囊体；当所述刀具的类型为圆柱形时，刀具的高度每一处均一样，为y1；
[0038]当所述刀具的类型是胶囊体时，刀具头表面上每一点(a,b,c)的高度b与刀具位置(x,y2,z)的关系是：
[0039]其中R为胶囊体半径。
[0040]进一步的，所述生成实时渲染效果图的步骤为：
[0041]根据输入的高度图数据定位高度图的像素位置；
[0042]将对应的像素通道数据还原至具体高度值；
[0043]根据该点的具体高度值重新计算点的位置，并输出至渲染管线；
[0044]渲染管线完成渲染更新，生成实时渲染效果图；
[0045]上述步骤的伪代码为：
[0046]inputPosition,outPosition,heightTexture
[0047]Pexel＝Texture(inputPosition.x,inputPosition.z)
[0048]Height＝Pexel.r+Pexel.g/100+Pexel.b/10000
[0049]outPosition＝inputPosition*(width,length,depth)+(0,Height,0)。
[0050]进一步的，所述更新刀具位置的步骤为：
[0051]计算上一路径顶点至当前路径顶点的距离：Length＝length(lastPoint
‑
currentPoint)；
[0052]计算采样数：Num＝Length*20，Num＝Num>1？(int)Num:1；
[0053]更新刀具位置：重复Num次后输出刀具，计算方式为Position＝lastPoint+(currentPoint
‑
lastPoint)*i/Num；
[0054]进行当前路径位置与上移位置更新。
[0055]进一步的，所述根据更新后的高度图还原工件模型的步骤为：
[0056]本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：构建工件模型；生成刀具模型和输入刀具的移动路径；根据工件模型生成初始高度图，其中，以高度图通道数据表示该位置(x,z)对应的工件在(x,z)的高度值y，采用多通道表示高度值y，y是一个浮点类型；碰撞计算：定位刀具在工件的投影区域，判断工件与刀具是否发生碰撞，若工件与刀具发生碰撞，则工件模型与刀具模型进行布尔减运算，根据运算结果更新高度图；更新后的高度图数据传输至顶点着色器，生成实时渲染效果图；判断加工是否完成，若未完成则更新刀具位置，重复碰撞计算步骤并更新实时渲染效果图；根据更新后的高度图还原工件模型。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，其特征在于，所述构建工件模型方法为：所述工件模型为任意单方向的图形拉伸体，根据输入的分辨划分图形拉伸体的精度，得到顶点数据，以顶点数据生成工件模型数据。3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，其特征在于，当所述图形拉伸体为正方体时，构建工件模型的步骤为：输入分辨率为ResolutionX，ResolutionZ；生成[ResolutionX*ResolutionZ+(ResolutionX+ResolutionZ)*2]个顶点数据，伪代码如下：码如下：根据顶点数据，连接顶点成三角形，生成索引数据，即构成工件模型数据，生成索引数据的伪代码如下：
最后再连接侧边的三角形索引即可。4.根据权利要求2所述的基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，其特征在于，所述根据工件模型生成初始高度图的方法为：R通道用来存储高度值的整数且大小限制在99以下，R＝(int)y，If(R>99)R＝99；G通道数据则用来存储高度值的小数点后两位，G＝((int)(y*100))％100；B通道数据则是用来存储高度值的小数点后第三、四位，B＝((int)(y*10000))％100。5.根据权利要求2所述的基于数字孪生的减材加工实时仿真方法，其特征在于，所述碰撞计算的步骤为：根据刀具位置(x,y,z)、刀具半径R和工件包围体定位刀具在工件上的投影区域(Xmin,Zmin)(Xmax,Zmax)，伪代码如下：Xmin＝x
‑
R>Bound.min.x？x
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R:Bound.min.xZmin＝z
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R>Bound.min.z？z
‑
R:Bound.min.zXmax＝...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘强，李耀波，赵荣丽，魏丽军，张浩，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：
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