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高真感数控车削加工过程仿真研究

　
内容提要：采用光线跟踪技术实现高真感数控车削加工的图形生成，并以离线方式实现其加工过程仿真。在仿真过程中利用特征造型技术避免了繁复的布尔运算，对光线跟踪技术在整体光照模型下实时地产生高真感画面进行了探讨。（作者：葛研军 高国利 王启义）
    0、引言
    目前加工过程仿真趋势已由仅对单个工件的操作发展到对整个加工环境的操作，以适应未来制造业虚拟现实发展的需要。近年来科技文献中所谓屏幕制造(Manufacturing on Screen)、虚拟制造(Virtual Manufacturing)、像素制造(Manufacturing on Pixels)、软机床(Soft Machines)等均为此类仿真。
    虚拟现实是一种高度逼真的模拟人在自然环境中视、听、动等行为的人机界面，它由沉浸- 交互- 构想(Immersion- Interaction- Imagination)组成，为使用户对虚拟环境产生身临其境的感觉，计算机生成图形的逼真性无疑是至关重要的，因此图形生成一直是虚拟现实中的关键技术。
    为适应虚拟现实图形生成技术的这种要求，并使其在制造业中得以应用，我们以Fagor 8025数控车削加工中心为例，采用整体光照模型下的光线跟踪技术，开发了一个高真感虚拟数控车削加工系统，与传统加工过程仿真相比，该系统有如下几个突出特点：(1)具有金属体光滑表面高光效果；(2)可产生逼真的粗、半精及精加工纹理；(3)具有高真感所必需的阴影效果；(4)可使物体表面透明，以显示刀具加工工件内表面时的状态；(5)必要时，可根据Przemyslaw Rokita算法产生景深效果。    
    1、选择光照模型
    为计算屏幕象素上相应景物可见点颜色，需建立一个能计算物体表面在空间给定方向上光亮度的光照模型。目前计算机生成高真感三维场景的绘制方法主要有两种：(1)采用整体光照模型下的光线跟踪算法；(2)辐射度算法。考虑到数控加工工件经常是光滑或较光滑表面，并且光线跟踪算法简单，实现方便，因此本文采用第一种方法。与之相应的光照模型则选取在光线跟踪中经常使用的Torrance-Sparrow光照模型，该模型与实验结果拟合较好，利用它不仅可以模拟出多个点光源的照射效果，而且还可描述出数控加工中不同切削条件下所形成的物体表面粗糙度，特别是光滑表面由于镜面反射所引起的高光效果。为节省计算时间，随机朝向微平面在物体表面可按Phong型分布。
    ２、基于特征构造高真感三维场景
    考虑光线跟踪的求交计算量较大，若采用传统的布尔(集合)运算去实现数控加工过程仿真，则计算机的计算与图形显示速度都是令人无法接受的。因此，我们用特征造型技术取代了传统的布尔(集合)运算，以使计算机在几何造型上的计算更加简洁、高效。
    特征造型的关键技术之一就是构造完善的特征库。为使研究问题简化，我们假定虚拟车削加工中心只由卡盘、车刀、钻头、回转体工件以及盘状刀库组成，并将其作为构型特征。对构型特征进一步进行几何形状细分，最终可将其抽象为由两个基本几何体素 圆锥体与平面组成(圆柱体可视为圆锥体的特例)。其中由圆锥体特征构造卡盘、钻头及回转体工件等，由平面特征构造卡盘爪、车刀及导轨等。
    光线跟踪算法的基本特点是射(光)线与场景中所定义的物体进行求交运算，本系统特征体的求交即是射(光)线与有限区域的平面或二次曲面(圆锥面)求交。
    求出光(射)线与基本形体的交点后，即可按视(始)点与物体交点距离值的大小对场景中每一物体进行排序，以便进行消隐计算。然后根据该点法向量的方向，确定射线在此点的反射或折射(当物体为透明体时)方向，把该反射或折射光线做为入射光线进一步对场景中的其它物体进行求交计算，如此递归下去，直至满足递归条件，完成光线跟踪计算，求出场景中所有物体对该点的亮度(颜色)贡献值。计算过程中由交点向各光源发射阴影探测线，完成阴影计算。  
    ３、利用特征造型完成数控加工过程仿真
    由于回转体类都可视为由微小圆锥体组成，对圆锥体外表面法向量取反便可生成描述内孔的形体特征。有了这些基本形体模型后，即可将零件视为由若干加工特征按一定拓扑关系的组合。按序实现各特征的加工，也就完成了对整个零件的加工。
    图1为我们在Windows 95下，利用Visual C++开发的一个高真感虚拟数控车削加工过程仿真，图中成组框内的控制按钮为Fagor 8025面板的命令输入键。由图可清楚看到金属光滑表面所特有的高光带，两个点光源所形成场景中各个物体的阴影，以及物体表面由于每个像素的亮度(颜色)值都单独计算所形成丰富的层次感，其逼真度可近似一幅摄影照片。

    4、实时仿真可行性讨论
    由于单个CPU的运算速度不可能无限制地提高，所以目前人们把多CPU的并行处理作为大幅度提高计算机运算速度的主要途径。而光线跟踪算法中屏幕每一像素均是相互独立的，所以非常适合计算机并行处理[7]。目前已有基于DMPC(多指令、多数据、高性能计算机)对光线跟踪并行处理的算法[8]。因此，我们有理由相信，若能进一步提高算法效率，减少图形画面的复杂度，将基于光线跟踪算法所产生的每帧画面时间限制在以分钟计时之内，那么在配以适当的硬件设施后(如安装图形加速卡，采用64位或更高位的总线结构，增加芯片的并行处理功能等)，则实时地用光线跟踪产生高真感图像仿真是极有可能实现的。
    由于计算机显示时间的限制，我们预先将每帧仿真画面计算好，然后将其转换成.avi文件格式，利用Windows 95中的媒体播放器进行播放。

    5．结论
    高真感图形是对虚拟现实中虚拟环境产生器的基本要求，光线跟踪是实现高真感图形的有效方式。由于其算法适合计算机并行处理，因而最有希望成为未来虚拟现实的图形生成工具。
　

要参考文献
    [1] Paul Giaconia, Trends in NC simulation. Tooling & Production, 1996, 6: 31~42
    [2] Jean V.Owen, Making virtual manufacturing real. Manufacturing Engineering, 1994, 11: 33~37
    [3] Soft machines. http://www. silma.com/Softm.html. 1996
    [4] 汪成为, 灵境技术与人机和谐仿真环境. 计算机研究与发展, 1997, 34(1): 1~12
    [5] Przemyslaw Rokita, Generating depth-of-field effects in virtual reality applications.
        IEEE Computer Graphics and Applications, 1996, 5: 18~21
    [6] 孙家广, 计算机图形学(新版). 北京: 清华大学出版社, 1995
    [7] C.D 沃特金森., C 语言成像与光线跟踪程序设计. 北京: 科学出版社, 1995
    [8] Didier Badonel, et al, Distributing data and control for ray tracing in parallel.
        IEEE Computer Graphics and Applictions. 1994, 7: 69~77