[发明专利]通过工具的动作模拟物体的加工的方法及其系统和计算机程序产品

说明书

技术领域

本发明总体上涉及模拟加工，更具体地讲，涉及一种利用布尔交集（Boolean intersection）来模拟对物体的加工的系统和方法。

背景技术

数控加工

在计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）中，模拟数控（NC）加工（例如，车削、镗孔、钻孔、拉削、锯切、成形、扩孔、铣削、攻丝、磨削）很重要。在模拟过程中，利用工具（例如，NC铣削工具）的计算机表示（representation）以及模拟加工工艺的一组动作来编辑物体（例如，工件）的模型。

所述模拟将物体的模型和工具的表示显现在显示装置上，以检测部件（例如工件和工具架）之间的潜在冲突并核实物体的最终形状。

物体的最终形状受工具和动作的选择的影响。通常利用计算机辅助制造系统根据物体的期望的最终形状的图形表示来生成用于控制动作的指令。通常使用数控编程语言（也称作预备代码或G代码）来实现所述动作，参见RS274D和DIN66025/ISO6983标准。

由计算机辅助制造系统生成的G代码可能未能生成期望的最终形状的精确复制。另外，工具和/或物体的动作被NC加工系统的马达控制，NC加工系统具有有限的速度、动作范围以及加速和减速能力，使得实际动作通常未能精确地遵循NC加工指令。

物体的实际最终形状与物体的期望的最终形状之间的不一致可能较小，并且难以观察到。在一些情况下，这些不一致导致物体的最终形状的表面中的不期望的凿痕或刻痕，这些凿痕或刻痕的深度和宽度在几微米量级，长度在几十微米量级。

通常，在加工期望的部件之前，通过加工测试物体（例如，由较软并且较便宜的材料制成的工件）来测试一组NC机器指令。如果测试工件的目视检查定位出测试工件中的不期望的不一致，则对应地修改NC加工指令。

然而，这种手动测试耗时且昂贵。加工单个测试工件的时间可能在几小时量级，在获得可接受的一组NC机器指令之前可能需要多次迭代。因此，可取的是，利用基于计算机的模拟和渲染来测试这些不一致。

工具

图1A示出NC加工中使用的一组典型工具102、104、106和108。当工具相对于工件110移动时，工具从工件切除材料。这里，工具102、104、106和108从工件去除与表面112、114、116和118对应的材料（通常称作“扫掠体（swept volume）”）。各个工具所去除的材料的形状由工具的形状以及工具相对于工件的路径来确定。

扫掠体

在加工过程中，工具根据工具和/或工件的规定动作（即，工具路径或物体路径）来相对于工件移动，其中，所述路径可包括关于工具相对于工件的相对位置、取向以及其它形状数据的信息。

随着工具沿着工具路径移动，工具切出扫掠体。在加工过程中，随着工具沿着工具路径移动，由工具的扫掠体横切的一部分体积的工件被去除。这种材料去除可被建模为构造立体几何（CSG）差分运算，其中，利用扫掠体从工件的CSG减法运算来从工件去除工件的一部分。

图1B示出沿着路径152移动的形状150的扫掠体160。路径152指定作为时间的函数的形状150的特定点的位置。该路径可指定作为时间的函数的形状的取向156、157和158。该路径还可指定作为时间的函数的形状的比例或形状的任意变换。

在图1B中，随着形状沿着路径157移动，形状150的原始位置、取向和几何形状变换为形状154的最终位置、取向和几何形状。

图2A示出工具202沿着直线204移动的直线路径。

图2B示出工具202的顶端210沿着圆弧212移动的圆弧路径，工具的原始轴向214变换为路径末端处的最终轴向216。

图2C示出工具202的顶端210沿着曲线220移动的弯曲路径。

其它可能的路径形式包括将工具定位于点，使工具沿着一系列线（称作折线）移动，使工具沿着螺旋或盘旋曲线移动，使工具沿着诸如二次贝塞尔（Bezier）曲线或三次贝塞尔曲线的多项式曲线或者一系列多项式曲线（称作分段多项式曲线）等移动。可考虑能够模拟的任何形式的路径，包括通过过程定义的路径，例如受工件的形状或材料组成影响的路径。

距离场