一种基于OpenGL的圆柱形工件螺旋加工截面廓形计算方法技术

本发明专利技术提供一种基于OpenGL的圆柱形工件螺旋加工截面廓形计算方法，包括，步骤1，在模型空间建立圆柱形工件的模型坐标系，形成刀具扫掠体与工件轴截面的三维几何体，并进行工件设计参数的初始设置；步骤2，将模型空间中刀具扫掠体与工件轴截面的三维几何体按照视景体和视口的方式进行组织，实现垂直于工件轴截面的正交渲染；对刀具扫掠体与工件轴截面的交点进行标识；步骤3，将刀具扫掠体与工件轴截面的交点进行提取，并转换到模型空间，进行无效点的剔除，得到最终的轴截面加工廓形。本发明专利技术不受制于解析法中的奇异性问题约束，具有良好的普适性。该方法无需针对每一问题的特定计算，编程简单并且计算效率高。

A method for calculating cross section profile of cylindrical workpiece based on OpenGL

The invention provides a calculation method for helical machining section profile of cylindrical workpiece based on OpenGL, including step 1, establishing the model coordinate system of cylindrical workpiece in model space, forming three-dimensional geometry of cutter swept volume and workpiece axis section, and setting up the initial setting of workpiece design parameters; step 2, model space in the model space The three-dimensional geometric body of the cutter sweep body and the workpiece axis section is organized in the manner of the view body and the viewport, and the orthogonal rendering perpendicular to the section of the workpiece axis is realized; the intersection of the cutter swept volume and the workpiece axis section is identified. Step 3, the intersection of the cutter sweep body and the workpiece axis section is extracted and converted to the model space. The elimination of invalid points is carried out to obtain the final axis profile. The invention is not constrained by the singularity problem in analytical method, and has good universality. This method does not need to calculate specific problems for each problem, and is simple in programming and efficient in computation.

【技术实现步骤摘要】
一种基于OpenGL的圆柱形工件螺旋加工截面廓形计算方法
本专利技术涉及计算机辅助设计与制造和计算机图形学领域，具体为一种基于OpenGL的圆柱形工件螺旋加工截面廓形计算方法。
技术介绍
螺旋槽结构是机械系统中一种非常重要的结构形式，譬如斜齿轮的齿槽、各种铣刀的容屑槽、螺旋拉刀的容屑槽和压缩机转子的齿型等。这些螺旋结构具有固定的螺距和半径，它们通过回转刀具(砂轮)沿着指定的螺旋运动轨迹实现加工。螺旋槽结构的精确制造对其自身的工作性能有着决定性的影响。这些螺旋结构的加工工问题分为正向问题和逆向问题两类。正向问题是已知刀具廓形和安装位置，求解加工出的工件截面廓形；逆向问题是已知目标工件截面廓形，求解合适的砂轮廓形和安装位置。其中正向问题也是逆向问题求解的一个重要基础。对于正向问题，目前的主要解法有基于包络原理的解析方法，基于接触点共法线准则的解析法，以及将刀具离散为一系列薄片与工件截面求交点的离散方法几种。其中，解析法可以获取精确的廓型解，但是方程求解复杂，涉及到超越方程的求解，刀具廓形存在奇异点时甚至会出现不收敛的情形，无法得到可行解的情形；离散法在提高精算精度的前提下，可以支持工程使用，但是方程求解计算量也非常巨大。这些方法每处理一个新的计算案例时，所有的计算方程都需要进行改动，必要的求解调节控制参数也需要人为设定，实现过程复杂。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于OpenGL的圆柱形工件螺旋加工截面廓形计算方法，能够良好的运行于多种操作系统，易于软件化的跨平台，虽然属于离散法系列，但是其计算精度可以设定调节，满足工程应用。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种基于OpenGL的圆柱形工件螺旋加工截面廓形计算方法，包括，步骤1，在模型空间建立圆柱形工件的模型坐标系，形成刀具扫掠体与工件轴截面的三维几何体，并进行工件设计参数的初始设置；步骤2，基于计算机图形学渲染机制，将模型空间中刀具扫掠体与工件轴截面的三维几何体按照视景体和视口的方式进行组织，实现垂直于工件轴截面的正交渲染；基于计算机渲染中的Z-buff，通过OpenGL的深度测试和模板测试设置条件组合，对刀具扫掠体与工件轴截面的交点进行标识；步骤3，通过标识建立OpenGL中视景体像素点索引与模型空间之间点的映射关系，将刀具扫掠体与工件轴截面的交点进行提取，并转换到模型空间，进行无效点的剔除，得到最终的轴截面加工廓形。优选的，步骤1具体包括如下步骤，步骤1.1，在模型空间中，按照刀具相对于工件的螺旋运动，构建n个密化的刀具空间离散几何体，以此近似等效刀具的空间扫掠体；其中，起始位置和终止位置的刀具几何体Sc,1和Sc,n完全位于工件轴截面Sw的两侧；步骤1.2，在模型空间中建立工件轴截面，并选择工件轴截面的局部矩形区域K；所述的局部矩形区域K包含完整的轴截面加工廓形，由其模型坐标系中的左下角坐标[xs,ys]和右上角的坐标[xe,ye]确定。进一步的，步骤2具体包括如下步骤，步骤2.1，设定局部矩形区域K在x轴和y轴方向渲染的像素点个数Nx和Ny，并建立计算使用的二维整数数组Buf1[Nx][Ny]和Buf2[Nx][Ny]；步骤2.2，配置好OpenGL的基本环境；步骤2.3，设置渲染视角与工件的回转轴线Z轴平行，步骤2.4，设置渲染视景体为正交视图，指定视景体的底面对应局部矩形区域K，深度方向[Znear,Zfar]包含完整的刀具空间离散扫掠体和工件轴截面；步骤2.5，进行第一阶段渲染，沿工件轴向，显示工件轴截面与刀具扫掠体大于工件轴截面的视体部分；步骤2.6，进行第二阶段渲染，沿工件轴向，显示工件轴截面与刀具扫掠体小于工件轴截面的视体部分；步骤2.7，将第一阶段渲染和第二阶段渲染的计算结果通过OpenGL的深度测试和模板测试存储在数组Buf1和Buf2中，对刀具扫掠体与工件轴截面的交点进行标识。进一步的，步骤2.3中，通过OpenGL中的函数glLookAt()，实现渲染视角与工件的回转轴线Z轴平行设置。再进一步的，步骤2.4中，通过OpenGL中的函数glOrtho(xs,xe,ys,ye,Znear,Zfa)实现渲染视景体的正交视图设置。再进一步的，步骤2.5和步骤2.6通过将对应的渲染步骤以OpenGL的程序语言进行程序块封装，分别在OpenGL中进行存储、调用和执行。再进一步的，步骤3具体包括如下步骤，步骤3.1，识别Buf1和Buf2中数值同时大于1的元素，得到其对应的索引(I，J)，然后按照下式通过索引(I，J)计算出模型空间中工件轴截面上的离散点(xI，yJ)；步骤3.2，按照下式剔除步骤3.1中得到的离散点中所有位于工件外径Rw上及之外的点，仅保留工件轴截面内的廓形点，工件轴截面的廓形点计算完成，得到圆柱形工件的螺旋加工廓形；进一步的，步骤3.1通过将对应的离散点识别步骤以编程语言进行程序块封装，在模型空间建立软件中进行存储、调用和执行。优选的，通过CAD软件形成模型空间，并在模型空间建立圆柱形工件的模型坐标系。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术通过OpenGL在图像空间求解圆柱形工件螺旋槽特征加工的轴截面切削廓形，基于计算机图形学渲染机制，将模型空间中刀具扫掠体与工件轴截面的三维几何体按照视景体和视口的方式进行组织，由此实现垂直于工件轴截面的正交渲染。然后，基于计算机渲染中Z-buff这一概念，借助OpenGL的深度测试和模板测试设置条件组合，对刀具扫掠体与工件轴截面的交点进行标识。随后，通过视景体像素点索引与模型空间之间点的映射关系，将刀具扫掠体与工件轴截面的交点进行提取，并转换到模型空间，进行无效点的剔除，得到最终的轴截面加工廓形。该方法不受制于解析法中的奇异性问题约束，具有良好的普适性。同时，该方法将大量的计算转换为计算机中像素的渲染计算，通过GPU硬件潜在的完成计算，无需针对每一问题的特定计算，编程简单并且计算效率高。附图说明图1为本专利技术基于OpenGL的螺旋槽加工轴截面廓形计算原理示意图。图2为图1中的工件轴截面局部矩形区域K的示意图。图3为图1中的图像空间像素点示意图。图4为本专利技术实例所述的给定参数下场景渲染结果示意图。图5a为本专利技术实例所述按照渲染计算程序块渲染第一次得到的渲染图。图5b为本专利技术实例所述按照渲染计算程序块渲染第二次得到的渲染图。图6为本专利技术实例所述的最终得到的工件轴截面廓形计算结果。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。本专利技术所述的方法将能够形成一个通用的算法框架，并将各种算法通过函数的形式直接封装起来，仅需要输入刀具的CAD模型或截面表达式，设定加工运动即可，即可自动完成螺旋特征的轴截面廓形。该方法具有良好的普适性，适于软件化实现，可以支持同类任意问题，无需针对每一问题进行解析计算的编程求解等。同时，该方法能够将大量的显式运算借助OpenGL函数通过计算机硬件(GPU或者早期CPU模拟GPU)完成计算，无需人工编程等，降低了出错概率，并且计算效率极高。从离散求解角度进一步展开分析，工件截面加工廓形的求解等价于求取刀具运动扫掠体与工件截面的交线。由计算机图形渲染原理角度分析可知，交线为一系列具有相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于OpenGL的圆柱形工件螺旋加工截面廓形计算方法，其特征在于，包括，步骤1，在模型空间建立圆柱形工件的模型坐标系，形成刀具扫掠体与工件轴截面的三维几何体，并进行工件设计参数的初始设置；步骤2，基于计算机图形学渲染机制，将模型空间中刀具扫掠体与工件轴截面的三维几何体按照视景体和视口的方式进行组织，实现垂直于工件轴截面的正交渲染；基于计算机渲染中的Z‑buff，通过OpenGL的深度测试和模板测试设置条件组合，对刀具扫掠体与工件轴截面的交点进行标识；步骤3，通过标识建立OpenGL中视景体像素点索引与模型空间之间点的映射关系，将刀具扫掠体与工件轴截面的交点进行提取，并转换到模型空间，进行无效点的剔除，得到最终的轴截面加工廓形。

【技术特征摘要】
1.一种基于OpenGL的圆柱形工件螺旋加工截面廓形计算方法，其特征在于，包括，步骤1，在模型空间建立圆柱形工件的模型坐标系，形成刀具扫掠体与工件轴截面的三维几何体，并进行工件设计参数的初始设置；步骤2，基于计算机图形学渲染机制，将模型空间中刀具扫掠体与工件轴截面的三维几何体按照视景体和视口的方式进行组织，实现垂直于工件轴截面的正交渲染；基于计算机渲染中的Z-buff，通过OpenGL的深度测试和模板测试设置条件组合，对刀具扫掠体与工件轴截面的交点进行标识；步骤3，通过标识建立OpenGL中视景体像素点索引与模型空间之间点的映射关系，将刀具扫掠体与工件轴截面的交点进行提取，并转换到模型空间，进行无效点的剔除，得到最终的轴截面加工廓形。2.根据权利要求1所述的一种基于OpenGL的圆柱形工件螺旋加工截面廓形计算方法，其特征在于，步骤1具体包括如下步骤，步骤1.1，在模型空间中，按照刀具相对于工件的螺旋运动，构建n个密化的刀具空间离散几何体，以此近似等效刀具的空间扫掠体；其中，起始位置和终止位置的刀具几何体Sc,1和Sc,n完全位于工件轴截面Sw的两侧；步骤1.2，在模型空间中建立工件轴截面，并选择工件轴截面的局部矩形区域K；所述的局部矩形区域K包含完整的轴截面加工廓形，由其模型坐标系中的左下角坐标[xs,ys]和右上角的坐标[xe,ye]确定。3.根据权利要求2所述的一种基于OpenGL的圆柱形工件螺旋加工截面廓形计算方法，其特征在于，步骤2具体包括如下步骤，步骤2.1，设定局部矩形区域K在x轴和y轴方向渲染的像素点个数Nx和Ny，并建立计算使用的二维整数数组Buf1[Nx][Ny]和Buf2[Nx][Ny]；步骤2.2，配置好OpenGL的基本环境；步骤2.3，设置渲染视角与工件的回转轴线Z轴平行，步骤2.4，设置渲染视景体为正交视图，指定视景体的底面对应局部矩形区域K，深度方向[Znear,Zfar]包含完整的刀具空间离散扫掠体和工件轴截面；步骤2.5，进行第一阶段渲染，沿工件轴向，显示工件轴截面与刀具扫掠体大于工件轴截面的视体部分；步骤2.6，进行第二阶段渲染，沿工件轴向，显示工件轴截...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪军，贾康，张启哲，张银行，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61