[发明专利]用于生成和仿真物体的模型的计算机程序产品和方法

说明书

技术领域

本发明一般地涉及仿真数控(NC)加工，并且更具体地涉及使用混合自适应采样距离场仿真NC加工。

背景技术

数控加工

仿真数控(NC)加工的过程在计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)中是非常重要的。在仿真期间，利用NC加工工具的计算机展示和一组NC加工工具运动来编辑工件的计算机模型以仿真加工过程。

工件模型和工具展示能够在仿真期间被可视化以检测诸如工件和工具部件的部件之间的潜在冲突，并且在仿真之后验证工件的最终形状。

工件的最终形状受到工具的选择以及工具运动的影响。用于控制这些运动的指令通常根据工件的想要的最终形状的图形表示使用CAM系统来生成。通常使用数字控制编程语言来实施运动，这些编程语言也已知为预备代码或G码，参见下面的标准RS274D和DIN66025/ISO6983。

由CAM系统生成的G码可能没有产生想要的形状的准确副本。另外，NC工具的移动由NC加工机的马达来管理，该NC加工机具有预定的速度、加速度和运动范围，从而实际的工具运动可能不会准确地遵循NC机指令。

工件的实际最终形状与工件的想要形状之间的差异可以非常小。在一些情况下，这些差异能够导致工件的最终形状的表面中的不想要的沟或裂纹，并且深度和宽度的尺寸处于几微米的量级并且长度处于几十微米的量级。

通常，在加工工件之前，通过加工由较软的较便宜的材料制成的测试工件来测试一组NC机指令。如果测试工件的视觉检查在测试工件中定位了不想要的差异，则能够相应地修改NC机指令。

该手动测试是耗时且昂贵的。加工单个测试工件的时间可以是数小时量级的并且在获得可接受的NC机器指令组之前可能需要重复若干次。

因此，想要的是，使用基于计算机的仿真和渲染来对于这些差异进行测试。然而，为了对于工件(器可以具有米的量级的尺度)检测几微米的量级的尺度的差异，要求非常精确的计算机模型。

扫描体积

在加工期间，工具根据这里称为工具路径的规定工具运动相对于工件移动，其中工具路径能够包含关于工具相对于工件的相对位置、取向和其它形状数据的信息。

当工具沿着工具路径移动时，工具雕刻出“扫描体积”。在加工期间，当工具沿着工具路径移动时，移除了由扫描体积交叉的工件的部分。该材料移除能够在计算机中建模为结构实体几何(CSG)差运算，其中，对于扫描体积和工件使用CSG减法运算来从工件移除工件的该部分。

为了提供高精度的加工仿真，需要具有扫描体积的精确展示。因此，本发明的目的在于提供一种空间和时间高效的方法，用于展示和渲染扫描体积的高精度模型。

虽然这里使用NC加工仿真作为示例，但是扫描体积在科学、工程、娱乐和计算机图形的很多领域中具有应用。一些特定应用包括例如计算机辅助设计、自由设计、基于计算的绘制、动画、实体建模、机器人、制造自动化和视觉化。下面的描述应用于其中要求或想要扫描体积的准确展示的所有区域。

虽然NC加工仿真通常在三维坐标系中执行，但是术语“扫描体积”能够更一般地扩展到N维坐标系。特别地，下面的描述还应用于在而为空间中沿着路径移动的一维或二维形状扫描出的区域或者在更高维度空间中在路径或表面上移动的形状扫描出的超体积。

在2006年的International Journal of Shape Modeling中Abdel-Malek、Blackmore 和Joy的“Swept Volumes:Foundations,Perspectives,and Applications”中示出了扫描体积研究中的重要性和挑战的概述。他们得出了结论，该领域中的研究受到在计算机软件中实施扫描的复杂数学公式的困难的限制并且计算扫描体积的边界仍然是要求更好的可视化工具和更准确的方法的挑战性问题。

沿着简单路径移动的简单形状的扫描体积有时能够被解析地表示，如美国专利No.4833617中所描述的。然而，这些方法没有推广到复杂的形状和复杂的工具路径。

若干方法近似了多边形形状的扫描体积。多边形形状的模型能够经由CSG运算以空间层级编码以用于高效的编辑(例如，参见“Interactive CSG”Proceedings,Technical Sketches,SIGGRAPH,1999,Butcher)或者用于高效的冲突检测(参见美国专利No.6099573)。