基于opengles的板料折彎仿真的可視化研究

隨著高效、智能、精細(xì)、可視化技術(shù)的發(fā)展。國外的數(shù)控折彎機(jī)系統(tǒng)已由傳統(tǒng)的純文本或2D顯示發(fā)展到3D幾何模擬效果的折彎數(shù)控系統(tǒng)。用戶根據(jù)產(chǎn)品的3D建?？梢钥吹阶罱K產(chǎn)品的空間三維效果。也可以根據(jù)3D成形仿真模擬直觀板料加工的全部過程,使用戶能夠時(shí)刻掌握板料從建模到最終實(shí)際產(chǎn)品的整個(gè)過程。國內(nèi)的折彎機(jī)廠商雖然生產(chǎn)了各種不同型號(hào)的折彎機(jī),但所配置的折彎機(jī)數(shù)控系統(tǒng)基本上購于國外廠商,如:荷蘭Delem、瑞士Cybelec和美國AutoBend20等數(shù)控系統(tǒng)。本文通過分析板料折彎產(chǎn)品的結(jié)構(gòu),以樹狀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),在保證產(chǎn)品與機(jī)床和其他部件不發(fā)生干涉碰撞的條件下,結(jié)合工藝可選項(xiàng),自動(dòng)計(jì)算出最優(yōu)的板料折彎成形工序。并結(jié)合板料的V型自由折彎,通過OpenGLES渲染,可以直觀顯示板料折彎成形工序的搜索結(jié)果。13d彎頭建模1.1折彎機(jī)設(shè)計(jì)模型建立場景圖(scenegraph)是組織和管理三維虛擬場景的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),是一個(gè)有向無環(huán)的圖,經(jīng)常用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,用于表現(xiàn)二維或三維圖形場景的邏輯關(guān)系和空間表達(dá)。根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)和3D建模需要,將折彎機(jī)簡化為8個(gè)部分,分別為機(jī)床框架、工作臺(tái)、滑塊、后擋料、上模夾具、上模、下模、產(chǎn)品。折彎機(jī)的場景圖如圖1所示。1.2基于gles的信息存儲(chǔ)OpenGLES是針對(duì)嵌入式設(shè)備而設(shè)計(jì)的、功能完善的2D和3D圖形應(yīng)用程序接口API。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的柔性化,將折彎機(jī)各部件的渲染方式,采用參數(shù)化建模和人機(jī)交互性建模,再由OpenGLES繪制到HMI上,直觀顯示折彎機(jī)3D效果。圖2表明了折彎機(jī)3D虛擬仿真的數(shù)據(jù)流向。系統(tǒng)主要采用數(shù)據(jù)庫的形式存儲(chǔ)機(jī)床加工的相關(guān)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)庫的資源不斷擴(kuò)展和積累,從而形成一個(gè)學(xué)習(xí)型控制系統(tǒng);而另一種以xml的存儲(chǔ)方式為輔,保存當(dāng)前機(jī)床配置的信息,實(shí)現(xiàn)一個(gè)記憶型控制系統(tǒng),使得整個(gè)折彎機(jī)數(shù)控系統(tǒng)能快速恢復(fù)到斷電等突發(fā)事件之前的狀態(tài)。在折彎機(jī)3D場景中要實(shí)現(xiàn)折彎機(jī)工藝成形模擬仿真還要通過OpenGLES分別要對(duì)產(chǎn)品、模具及機(jī)床其他部件的渲染,使得整個(gè)場景更鮮明。2折彎工序分析在折彎機(jī)上進(jìn)行的板料折彎成形通常為V型自由折彎。折彎工序計(jì)算是板料折彎成形工藝規(guī)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié),而折彎工序直接影響板料折彎成形的精度、效率。在折彎工序計(jì)算中必須滿足無碰撞干涉條件的要求,即產(chǎn)品與機(jī)床框架、滑塊、工作臺(tái)、模具、后擋料不發(fā)生干涉碰撞,若是搜尋到所有工序都有干涉的情況下,則需要修改板料形狀設(shè)計(jì)或者更換其他模具,再次進(jìn)行工序搜索。而且在滿足整個(gè)板料折彎成形工序不發(fā)生干涉的條件下,盡量保證折彎精度和生產(chǎn)效率。2.1維板料折彎產(chǎn)品模型板料折彎產(chǎn)品是板材經(jīng)過冷加工折彎成形的空間三維實(shí)體,通過投影把三維板料折彎產(chǎn)品模型抽象成二維的一系列矩形、扇環(huán)形,經(jīng)過布爾和運(yùn)算形成組合體,每兩個(gè)矩形之間由一個(gè)扇環(huán)形連接,而且首、尾都是矩形,如圖3所示。2.2干涉碰撞的位置關(guān)系通過分析產(chǎn)品和機(jī)床的機(jī)構(gòu),把三維圖形根據(jù)投影性質(zhì)轉(zhuǎn)化為簡單的平面二維圖形,再根據(jù)二維直線的位置關(guān)系:相交或相離,計(jì)算產(chǎn)品與機(jī)床各部件是否發(fā)生干涉碰撞。根據(jù)單步折彎工藝是否完成,干涉碰撞檢測分為:折彎前干涉檢測和折彎后干涉檢測。折彎前的干涉檢測計(jì)算主要是產(chǎn)品與下模、工作臺(tái)、機(jī)床框架之間干涉碰撞;而折彎后的干涉碰撞檢測是計(jì)算產(chǎn)品和上模、滑塊、機(jī)床框架之間的干涉檢測。2.3工序的搜索及計(jì)算在板料折彎成形工序中采用了樹狀圖搜索法優(yōu)化工藝。樹是樹型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的簡稱,是一種重要的非線性結(jié)構(gòu)。它是數(shù)據(jù)元素(在樹中稱為結(jié)點(diǎn))按分支關(guān)系組織起來的結(jié)構(gòu)。樹(tree)有且僅有一個(gè)根結(jié)點(diǎn),其余所有結(jié)點(diǎn)分屬于互不相交的集合中,每個(gè)集合又構(gòu)成一個(gè)樹,稱為樹根結(jié)點(diǎn)的子樹,每個(gè)子樹又同樣是一棵樹。折彎工序的搜索過程如就如同樹一般,圖4為一個(gè)三步折彎的板料折彎成形工序搜索的樹狀圖。如圖3所示,板料折彎成形工序的計(jì)算方式從已成形的產(chǎn)品開始搜索,即從板料折彎成形工藝相反的順序開始進(jìn)行工序計(jì)算,目的是為了快速排除干涉碰撞問題,提高板料折彎成形工序計(jì)算的搜索效率。板料在加工過程中的外形變化是由簡單趨向于復(fù)雜的,通常隨著板料折彎成形工藝的逐步進(jìn)行,中間產(chǎn)品通過干涉碰撞檢測的可選方案也在逐漸降低,而且板料在第一步加工時(shí)的可選方案總是最多的,最后一步往往只有較少的、能通過干涉碰撞檢測的工序可供選擇。但是這種樹結(jié)構(gòu)工序搜索方式的計(jì)算量很大,如果再考慮板料折彎成形工藝的每步折彎的掉頭信息,即前置折彎和后置折彎(根據(jù)單步工件首段末端出現(xiàn)的位置,前置折彎是將圖中的末端標(biāo)記置于機(jī)床前方向即產(chǎn)品前段的折彎,后置折彎與之相反),則搜索的計(jì)算量是現(xiàn)在的兩倍。這是因?yàn)槟＞叩妮喞灰欢▽?duì)稱,板料的前、后置折彎的選擇將影響干涉碰撞計(jì)算結(jié)果。通過以上搜索工序的方法,結(jié)合工藝可選項(xiàng)優(yōu)化工序,計(jì)算得到板料折彎成形工序。2.3.1中間產(chǎn)品—單步折彎工序產(chǎn)品退化方法為簡化產(chǎn)品與模具分段干涉的計(jì)算量,本文采用在干涉檢測前合并直段的方法,將每一步加工過程中沒有變形的折彎部分與前后相鄰的直段合并計(jì)算,使得參與相交運(yùn)算的線段數(shù)目隨搜索深度增加而減少,即運(yùn)算量逐漸減少。退化后的板料產(chǎn)品定義為中間產(chǎn)品,以三段折彎產(chǎn)品為例,如圖5所示。圖5表示具有三段折彎的板金產(chǎn)品,一個(gè)黑點(diǎn)代表一個(gè)折彎工步,圖示(2)是正在折彎的工步,(1)、(3)為還未折彎處。合并前彎段(2)前后分別都有兩段直段,退化后彎段(2)前后各只有一段直段,比較兩種中間產(chǎn)品干涉碰撞檢測的計(jì)算量(在同一機(jī)床模型上),前者的計(jì)算量是后者的兩倍,推廣到更多段的產(chǎn)品模型,干涉碰撞檢測計(jì)算量更大。2.3.2板料折彎成形工序計(jì)算板料折彎成形的工序計(jì)算包含兩個(gè)層次的內(nèi)容:每個(gè)單步中需要計(jì)算并存貯的數(shù)據(jù)信息和工序的搜索及排序方法。為提高算法效率,同時(shí)覆蓋盡可能多的折彎工序,工序計(jì)算方法設(shè)計(jì)以如下3個(gè)方面為出發(fā)點(diǎn):(1)在每個(gè)單步中不必儲(chǔ)存其他(之前或之后)折彎節(jié)點(diǎn)的狀態(tài);(2)每一次單步干涉判斷算法是一致的,工藝可選項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)一致;(3)遍歷當(dāng)前結(jié)點(diǎn)所有可能工步;(4)減少無用的單步計(jì)算的次數(shù)。根據(jù)第(4)點(diǎn),板料折彎成形的工序計(jì)算需按照實(shí)際折彎工序的倒序進(jìn)行計(jì)算,可以盡早排除中間產(chǎn)品模型與機(jī)床各部件之間的干涉碰撞問題,提高板料折彎成形工序計(jì)算的搜索效率。結(jié)合第(1)~(3)點(diǎn),可以構(gòu)造一個(gè)遞歸的函數(shù),圖6為板料折彎成形工序搜索的流程圖。根據(jù)以上討論的折彎產(chǎn)品樹結(jié)構(gòu)的搜索方式,板料折彎成形的工序是從已折彎成形的產(chǎn)品模型開始計(jì)算。首先計(jì)算一個(gè)N步折彎產(chǎn)品模型P最后一步的、所有可行的折彎方式,比較當(dāng)前結(jié)點(diǎn)所有可行的、折彎方式的工藝可選項(xiàng),選擇最優(yōu)的工步,然后記錄該折彎位置M1,并構(gòu)造出新的中間P(N-1),并判斷P(N-1)最后一步的N-1種折彎方式。以此類推,直到形成一個(gè)第一步的中間產(chǎn)品P(1),退出迭代,此時(shí)將每一步記錄的M1M2……MN值序列及其對(duì)應(yīng)的其他折彎信息與計(jì)算值存入結(jié)果列表中。若是迭代到最后又回到原來N步折彎的產(chǎn)品模型P,則直接退出循環(huán),即找不到可行板料折彎成形的工序。根據(jù)以上搜索方式,計(jì)算出來的板料折彎成形工序保存在結(jié)果列表中,通過OpenGLES直觀地顯示效果,如圖7所示。2.3.3實(shí)際折彎與模擬仿真板料的折彎角度誤差檢驗(yàn)根據(jù)本文提出的方法進(jìn)行試驗(yàn)加工驗(yàn)證,加工產(chǎn)品如圖8所示。經(jīng)過實(shí)際測量,實(shí)際折彎與模擬仿真的板料各折彎角度誤差符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(90°角在30'以內(nèi)、135°角在45'以內(nèi)),而且各段直線長度誤差在10絲以內(nèi)也符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),證明該方法能夠?qū)Π辶线M(jìn)行快速、精確地折彎成形。3板料折彎成形工藝計(jì)算(1)根據(jù)折彎機(jī)機(jī)床結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了折彎機(jī)場景邏輯圖,再根據(jù)場景圖設(shè)計(jì)了折彎機(jī)虛擬仿真數(shù)據(jù)流向,實(shí)現(xiàn)了3D折彎機(jī)虛擬仿真。(2