基于虛擬現(xiàn)實(shí)的動(dòng)態(tài)虛擬折彎?rùn)C(jī)仿真系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的動(dòng)態(tài)虛擬折彎?rùn)C(jī)仿真系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

隨著應(yīng)用的發(fā)展和擴(kuò)展，傳統(tǒng)的彎曲成像技術(shù)要求使用彎制工藝的軟件。原始純文本和2d顯示界面不能滿足需求。國(guó)外的折彎?rùn)C(jī)廠商針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,開(kāi)始對(duì)原有的系統(tǒng)進(jìn)行更新,但是顯示效果仍束縛于原有的系統(tǒng)框架。另外,如何有效的進(jìn)行折彎板料的柔體仿真和運(yùn)動(dòng)控制,模擬板料變薄、展開(kāi)、回彈等特性也一直是虛擬板料折彎領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。但是,這些研究成果都基于公式推導(dǎo)或者模擬軟件,在實(shí)際應(yīng)用的折彎?rùn)C(jī)工藝系統(tǒng)中缺少一個(gè)虛擬平臺(tái)來(lái)模擬仿真板料的柔體變換和折彎?rùn)C(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality,簡(jiǎn)稱VR)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用有了越來(lái)越廣闊的天空,諸如場(chǎng)景圖形(SceneGraph)和變形體動(dòng)畫等技術(shù)也開(kāi)始應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的虛擬場(chǎng)景中,為各個(gè)領(lǐng)域提供了更加富有真實(shí)感的虛擬場(chǎng)景。拉伸體建模(又名掃描變換法)作為一種基本的CAD建模方法,在計(jì)算機(jī)三維建模領(lǐng)域有著廣泛的研究與應(yīng)用?？梢约?xì)分為:平行掃、旋轉(zhuǎn)掃、廣義掃等。其中,平行掃變換通常由用戶提供截面輪廓,然后沿指定方向平行延伸一定的距離生成模型?；贠penGL建立顯示平臺(tái),應(yīng)用拉伸體建模和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),動(dòng)態(tài)的虛擬折彎?rùn)C(jī)場(chǎng)景的構(gòu)建過(guò)程分為3個(gè)步驟:(1)建立基于場(chǎng)景圖形技術(shù)的三維靜態(tài)折彎?rùn)C(jī)場(chǎng)景,使用拉伸體建模技術(shù)構(gòu)建了折彎?rùn)C(jī)的各個(gè)組成部件的三維模型,并裝配在折彎?rùn)C(jī)三維場(chǎng)景中;(2)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的虛擬折彎?rùn)C(jī)場(chǎng)景。通過(guò)建立動(dòng)畫控制管理器,完成對(duì)折彎?rùn)C(jī)場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng)部件的裝配信息的更新回調(diào),該模塊直接與折彎虛擬機(jī)進(jìn)行交互,和折彎?rùn)C(jī)硬件控制模塊使用一樣的接口,實(shí)現(xiàn)折彎?rùn)C(jī)各控制軸的運(yùn)動(dòng)仿真;(3)實(shí)現(xiàn)折彎板料的運(yùn)動(dòng)控制和柔體仿真,基于變形體技術(shù),通過(guò)計(jì)算折彎板料每道工序的起始頂點(diǎn)數(shù)據(jù)和終止頂點(diǎn)數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)插補(bǔ)出柔體運(yùn)動(dòng)的中間頂點(diǎn)數(shù)據(jù),完成了板料的折彎柔體運(yùn)動(dòng),并根據(jù)折彎展開(kāi)長(zhǎng)度計(jì)算公式實(shí)現(xiàn)了板料折彎展開(kāi)長(zhǎng)度變化的模擬顯示。1場(chǎng)景設(shè)計(jì)與構(gòu)建1.1提升染料的效率場(chǎng)景圖形,即采用一種自頂向下的,分層的樹(shù)狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)組織空間數(shù)據(jù)集,以提升渲染的效率。將折彎?rùn)C(jī)的各個(gè)部件以場(chǎng)景圖形的樹(shù)狀形式組織起來(lái),圖1所示為折彎?rùn)C(jī)樹(shù)狀場(chǎng)景,不僅可以方便地對(duì)折彎?rùn)C(jī)的各個(gè)部件進(jìn)行控制和修改,同時(shí)也便于場(chǎng)景的遍歷,實(shí)現(xiàn)各種控制能,提升計(jì)算效率。1.2建立模型與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在折彎?rùn)C(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域,折彎的工序規(guī)劃(根據(jù)用戶的板料設(shè)置計(jì)算出可行的折彎序列)一直是一個(gè)核心功能和研究熱點(diǎn)。如果考慮所有的折彎序列,一共有2×N!種可能(N為板料折彎的次數(shù))。為了判斷每種折彎是否可行,需要進(jìn)行大量的模型計(jì)算(基于包圍框或者包圍球的三維碰撞檢測(cè)技術(shù))。根據(jù)折彎?rùn)C(jī)的特點(diǎn),使用了拉伸體的建模技術(shù)(掃描變換法),將三維的模型數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化為二維的數(shù)據(jù)降低了碰撞檢測(cè)計(jì)算的維度,達(dá)到提高計(jì)算效率的目的。在模型數(shù)據(jù)建立的同時(shí),提出使用一種抽象的表達(dá)式數(shù)據(jù)來(lái)存儲(chǔ)拉伸體的界面輪廓。即使用抽象化的數(shù)據(jù)信息和參數(shù)表,如P1(L1+L2,L3)等。工程人員可以通過(guò)修改關(guān)鍵參數(shù)(關(guān)鍵參數(shù)和各點(diǎn)的關(guān)系可以由用戶自定義設(shè)計(jì))達(dá)到修改模型的截面輪廓,生成同種類型但是尺寸有差別的多個(gè)模具,適應(yīng)模具多樣化的需要,如圖2所示。1.3出相應(yīng)的拉伸體實(shí)現(xiàn)根據(jù)場(chǎng)景圖形的設(shè)計(jì)來(lái)建立折彎?rùn)C(jī)場(chǎng)景:(1)首先根據(jù)折彎?rùn)C(jī)的每個(gè)部件構(gòu)建出其對(duì)應(yīng)的拉伸體實(shí)現(xiàn),保存為部件的葉子節(jié)點(diǎn)(拉伸體實(shí)現(xiàn))。(2)根據(jù)場(chǎng)景設(shè)計(jì)圖建立如圖3所示的場(chǎng)景實(shí)現(xiàn),其中對(duì)于每個(gè)拉伸體部件配置旋轉(zhuǎn)和平移矩陣,圖中以裝配節(jié)點(diǎn)表示(裝配節(jié)點(diǎn)用于存儲(chǔ)各個(gè)拉伸體的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣信息)。1.4折彎?rùn)C(jī)運(yùn)動(dòng)控制管理折彎?rùn)C(jī)的數(shù)控軸,即其運(yùn)動(dòng)控制部分(圖4)共有以下幾類:(1)Y1,Y2軸,控制上滑塊上下運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)折彎?rùn)C(jī)的主要工作行程;(2)X1,X2,Z1,Z2軸,均為后定位系統(tǒng)控制軸,控制后擋料定位;(3)V軸,控制機(jī)床撓度補(bǔ)償量;(4)A1,A2軸,伺服隨動(dòng)托料,折彎時(shí)托料板與被加工板料隨動(dòng),托住被加工板料。為了實(shí)現(xiàn)折彎?rùn)C(jī)各軸的運(yùn)動(dòng),根據(jù)需要對(duì)折彎?rùn)C(jī)場(chǎng)景的運(yùn)動(dòng)控制管理器進(jìn)行建立和配置。該運(yùn)動(dòng)控制管理器通過(guò)遍歷折彎?rùn)C(jī)場(chǎng)景根節(jié)點(diǎn)(繪制遍歷之前),更新場(chǎng)景樹(shù)信息(比如更新上滑塊的裝配節(jié)點(diǎn)的位移矩陣信息實(shí)現(xiàn)上滑塊下壓運(yùn)動(dòng)),達(dá)到動(dòng)畫仿真控制的效果。仿真動(dòng)畫控制管理器中具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)控制部件,每個(gè)部件中都存儲(chǔ)了一組數(shù)據(jù)。這組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)了包括控制部件的名稱(用于更新遍歷時(shí)確定控制的目標(biāo)裝配節(jié)點(diǎn)),控制類型(位移和旋轉(zhuǎn)等),關(guān)鍵幀信息(存儲(chǔ)關(guān)鍵幀時(shí)刻的位移和旋轉(zhuǎn)信息)。運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫控制管理器直接與折彎?rùn)C(jī)虛擬機(jī)交互,獲取各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)控制信息,并生成各個(gè)運(yùn)動(dòng)控制部件以及數(shù)據(jù)信息。更新遍歷場(chǎng)景樹(shù)之后,繪制遍歷根據(jù)新的場(chǎng)景信息就可以更新模型顯示。2更新板料的柔性處理板料成形過(guò)程中,板料的動(dòng)畫過(guò)程不同于普通的折彎?rùn)C(jī)部件的剛體動(dòng)畫,不僅僅需要更新板料的位姿信息,更重要的要實(shí)現(xiàn)其柔體變換的過(guò)程,并且提供有效的方法表達(dá)折彎工藝諸如展開(kāi)長(zhǎng)度、變薄等特殊效果的方法。因此,還需要對(duì)板料模型數(shù)據(jù)本身進(jìn)行更新,才能實(shí)現(xiàn)柔體的變化效果。2.1可表達(dá)的意境變形體動(dòng)畫(MorphTargetAnimation),通常又稱為逐頂點(diǎn)動(dòng)畫(Per-vertexAnimation),是一種常見(jiàn)的三維動(dòng)畫表現(xiàn)形式。它記錄了一系列頂點(diǎn)位置的坐標(biāo)和偏移,并在動(dòng)畫運(yùn)行的每一幀中將各個(gè)頂點(diǎn)移動(dòng)到新的位置,形成持續(xù)、平滑的運(yùn)動(dòng)效果。變形體動(dòng)畫可以精確地表達(dá)一個(gè)物體,尤其是自然界生物體的運(yùn)動(dòng)和變形過(guò)程,比如板料的折彎運(yùn)動(dòng)等。物體中定義的可變化頂點(diǎn)數(shù)越多,變形體動(dòng)畫就會(huì)越復(fù)雜,可表達(dá)的意境就越豐富。例如人物的表情、動(dòng)態(tài)的布料和衣物等都可以使用變形體動(dòng)畫來(lái)表達(dá),而骨骼動(dòng)畫以及傳統(tǒng)的剛體路徑動(dòng)畫是幾乎不可能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。變形體動(dòng)畫同折彎?rùn)C(jī)部件的剛體路徑動(dòng)畫一樣,也采用關(guān)鍵幀來(lái)表示模型的變換信息,不過(guò)變形體的關(guān)鍵幀信息保存的是變形體模型的所有頂點(diǎn)信息,通過(guò)在相鄰關(guān)鍵幀信息之間進(jìn)行插值運(yùn)算來(lái)求得每個(gè)時(shí)刻實(shí)際的模型頂點(diǎn)位置信息,其算法實(shí)現(xiàn)如下:(1)針對(duì)某一時(shí)刻,為變形體節(jié)點(diǎn)(板料節(jié)點(diǎn))獲得在距該時(shí)刻最近的前后兩個(gè)關(guān)鍵幀信息,即得到前后兩個(gè)關(guān)鍵幀時(shí)刻的模型的全部頂點(diǎn)信息;(2)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻與關(guān)鍵幀時(shí)刻的比值;(3)通過(guò)得到的比值,使用相應(yīng)的插值算法,計(jì)算得到該時(shí)刻的模型的頂點(diǎn)信息,并更新當(dāng)今模型頂點(diǎn)信息,這里的插值算法可以選用線性插值或者球形插值等,通常情況下線性插值可以滿足一般的變形體動(dòng)畫需要,同時(shí)計(jì)算效率最高;(4)根據(jù)該時(shí)刻更新后的模型的頂點(diǎn)信息,即可以使用相應(yīng)的OpenGL底層代碼,比如計(jì)算法矢、繪制模型細(xì)節(jié)等。最終完成模型的繪制工作實(shí)現(xiàn)流暢的變形體動(dòng)畫過(guò)程。2.2模型點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)集合的計(jì)算板料模型的構(gòu)建分為兩個(gè)步驟:(1)用戶構(gòu)建板料折彎的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),包括板料每道折彎的半徑和角度(正負(fù)確定方向)、直板區(qū)域的長(zhǎng)度以及板料厚度、材質(zhì)和寬度等整體參數(shù),通過(guò)這些參數(shù)就可以計(jì)算出整個(gè)板料的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)集合;(2)板料各個(gè)關(guān)鍵幀的模型頂點(diǎn)數(shù)據(jù)的計(jì)算,根據(jù)已有的每道折彎的半徑和角度信息、直板區(qū)域長(zhǎng)度和板料厚度、寬度等信息,計(jì)算生成出每道折彎的變形體動(dòng)畫的板料頂點(diǎn)數(shù)據(jù)集合。每道折彎的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)集合都包含一個(gè)當(dāng)前折彎前的板料頂點(diǎn)數(shù)據(jù)和折彎后的板料頂點(diǎn)數(shù)據(jù)。2.3板材材料的彎曲過(guò)程模擬2.3.1板料折彎模擬仿真使用變形體動(dòng)畫原理,以及已經(jīng)計(jì)算出的每道折彎前后頂點(diǎn)數(shù)據(jù)集合來(lái)完成板料的柔體動(dòng)畫過(guò)程,在具體的實(shí)現(xiàn)上,通過(guò)對(duì)板料葉子節(jié)點(diǎn)模型數(shù)據(jù)的更新實(shí)現(xiàn),即在遍歷整個(gè)場(chǎng)景樹(shù)的時(shí)候根據(jù)折彎序列完成對(duì)板料葉子節(jié)點(diǎn)模型的更改。在原有的控制管理器中,添加板料葉子節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)控制部件,該部件儲(chǔ)存了板料葉子柔體動(dòng)畫所需要的關(guān)鍵幀的數(shù)據(jù)(折彎前后的頂點(diǎn)數(shù)據(jù))。在控制管理器遍歷整個(gè)場(chǎng)景樹(shù)的過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)對(duì)板料模型的插值計(jì)算。圖5為板料的線框模型演示:折彎處離散成多個(gè)分段(N個(gè)頂點(diǎn),N越大仿真精度越高),仿真的時(shí)候就可以通過(guò)控制折彎處的N個(gè)頂點(diǎn)變化實(shí)現(xiàn)各種仿真效果,圖5中折彎處N為20。下面以板料的展開(kāi)長(zhǎng)度計(jì)算與仿真模擬為例,介紹通過(guò)控制折彎離散點(diǎn)實(shí)現(xiàn)特殊的柔體模擬要求,此外類似的可以實(shí)現(xiàn)板料下壓深度、變薄、回彈等折彎板料特有效果。板料折彎時(shí),彎曲角內(nèi)側(cè)受壓,尺寸變短,外側(cè)受拉,尺寸變長(zhǎng)。中性層(板料折彎時(shí)的長(zhǎng)度不變層)會(huì)向折彎內(nèi)側(cè)移動(dòng),所以板料的展開(kāi)長(zhǎng)度即為中性層的長(zhǎng)度,見(jiàn)圖6。圖6中可以看到,板料彎曲的直線部分長(zhǎng)度a和b是不變的,彎曲部分l的長(zhǎng)度是變化的,總的長(zhǎng)度公式可以表達(dá)為:式中:L為展開(kāi)長(zhǎng)度;a,b分別為彎曲件直線部分長(zhǎng)度;l為彎曲部分的展開(kāi)長(zhǎng)度。式中:l為彎曲部分的展開(kāi)長(zhǎng)度;ρ為中性層曲率半徑;x為中性層內(nèi)移系數(shù),與變形程度有關(guān),一般采用實(shí)驗(yàn)建立表格,按材料及相對(duì)彎曲半徑查取;t為板料厚度。在實(shí)際的板料折彎模擬中,折彎前,即每道折彎的起始頂點(diǎn)數(shù)據(jù)的折彎部分的展開(kāi)長(zhǎng)度使用公式(1)、(2)和(3)進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)將其離散成N個(gè)直線段(l/N)。折彎后,即每道折彎的目標(biāo)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)的折彎部分使用原來(lái)的r和r+t(內(nèi)弧和外弧)進(jìn)行圓弧的插補(bǔ)計(jì)算N個(gè)點(diǎn)。這樣就建立了折彎部分的頂點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,模擬板料折彎的長(zhǎng)度變化的效果。此處的展開(kāi)長(zhǎng)度計(jì)算還直接與擋指的運(yùn)動(dòng)位置相關(guān)聯(lián)。2.3.2板料位姿調(diào)整與折彎工序信息一個(gè)連續(xù)且完整的折彎過(guò)程中,不僅包括柔體運(yùn)動(dòng)(起始頂點(diǎn)數(shù)據(jù)和目標(biāo)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)輪廓形狀信息的變化),同時(shí)由于每道折彎的前后方向信息(板料放置到折彎?rùn)C(jī)上的方向,前面或者后面)和正反面信息(折彎的加工面,正面或者反面)不一樣(比如第一道折彎為前面和正面,后一道折彎為后面和反面),所以需要人工或者機(jī)器人手臂進(jìn)行板料位姿調(diào)整以進(jìn)行連續(xù)的折彎過(guò)程。這樣在模擬過(guò)程中就需要計(jì)算板料的位姿信息(位移和姿態(tài)旋轉(zhuǎn)信息)完成連續(xù)的板料折彎工序,即計(jì)算板料的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵幀信息,如圖7所示。(1)旋轉(zhuǎn)矩陣信息計(jì)算。根據(jù)板料前后信息,板料正反面信息和前后兩道折彎的角度差值計(jì)算板料的旋轉(zhuǎn)角度。(2)平移矩陣信息計(jì)算。根據(jù)前后兩道折彎的折彎線(二維投影為一個(gè)點(diǎn))的差值進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)還要考慮板料的推進(jìn)和退出運(yùn)動(dòng)的矩陣信息。此外,一個(gè)連續(xù)的折彎工藝還包括安全距離的退讓以及后擋料系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng),如圖8為板料折彎整體仿真流程,包含了安全距離退讓、擋料系統(tǒng)以及與折彎?rùn)C(jī)上滑塊運(yùn)動(dòng)的同步。3虛擬折彎?rùn)C(jī)應(yīng)用基于上述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù),華中科技大學(xué)塑性成形模擬及模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了數(shù)控板料折彎?rùn)C(jī)控制和工藝軟件中的三維仿真系統(tǒng),該系統(tǒng)已經(jīng)作為該軟件的核心模塊組件,取得了很好的效果