TWI912161B - 多軸銑削加工之模擬方法 - Google Patents

Abstract

本發明有關一種多軸銑削加工之模擬方法，首先使用一三維射線模型建立一工件模型，藉由三維射線模型可以加快運算速度，接著使用一符號距離函數建立一刀具模型，藉由符號距離函數可以快速地模擬出工件模型的輪廓，最後使用一光跡步進演算法取得一刀具-工件接觸區域，並根據前述刀具-工件接觸區域計算刀具模型之一切削路徑是否會造成刀具模型與工件模型發生不當碰撞。藉此，本發明之模擬方法可以有效提升模擬效率，並能快速計算切削路徑和瞬時切削力，以優化實際加工過程的刀具路徑和進給速度。

Description

多軸銑削加工之模擬方法

本發明與多軸加工技術有關，特別是指一種多軸銑削加工之模擬方法。

CNC銑削加工是目前業界中十分常見的產品製造方法，在進行實際加工之前，操作者大多會先使用模擬軟體（例如B-rep Model或Voxel Model）模擬加工模擬，以確保製作流程的正確性。以邊界表示法模型（Boundary-Representation Model，簡稱B-rep Model）來說，當要計算刀具模型和工件模型的接觸區域時，因為過於複雜的相交曲面而需要極大的運算效能，導致效率低落。至於體素模型（Voxel Model）是利用多個立方體塊組合成刀具模型和工件模型的輪廓，由於立方體塊的數量龐大，導致記憶體在運算過程中所需要的使用量也會相當多，這個問題也會造成運算效能低落。

由上述可知，在模擬實際加工的過程中，由於需要不斷計算並更新工件模型的輪廓，若選擇前述任一模擬軟體，勢必會極大影響模擬結果與模擬效率。而且，若想要針對加工過程作進一步分析（例如計算瞬時切削力），通常也會面臨硬體設備計算能力不足的問題，除了改善硬體設備之外，如何找出更適合的工件模型及刀具模型並且搭配適合的演算法正是目前面臨的難題。

本發明之主要目的在於提供一種多軸銑削加工之模擬方法，其能提升模擬效率，並能快速計算切削路徑和瞬時切削力，以優化實際加工過程的刀具路徑和進給速度。

為了達成上述主要目的，本發明所提供的多軸銑削加工之模擬方法包含下列步驟：(a) 使用一三維射線模型建立一工件模型；(b) 使用一符號距離函數建立一刀具模型；以及(c) 使用一光跡步進演算法取得一刀具-工件接觸區域，並根據該刀具-工件接觸區域計算該刀具模型之一切削路徑是否會造成該刀具模型與該工件模型發生不當碰撞。

由上述可知，本發明之模擬方法使用該三維射線模型建立該工件模型，相較於傳統B-rep Model可以加快運算速度，另外相較於Voxel Model可以減少記憶體的使用量。其次，本發明之模擬方法使用該符號距離函數結合該光跡步進演算法可以用很快的速度尋找該刀具-工件接觸區域並更新該工件模型的輪廓，在更新該工件模型的輪廓的同時即能獲得該刀具-工件接觸區域的數據資料，前述數據資料即為用來計算該切削路徑的重要條件，若預估可能會發生不當碰撞，則需要調整該切削路徑，以確保雙方不會發生互相碰撞的問題，進而能夠達到優化實際加工過程的效果。

較佳地，除了獲得該切削路徑以外，在步驟(c)中還可以根據該刀具-工件接觸區域計算一瞬時切削力，如此可以模擬該刀具模型在接近該瞬時切削力的臨界值的狀況下對該工件模型進行加工，以優化實際加工的進給效率。

較佳地，在步驟(c)中使用該光跡步進演算法配合一圖形處理器進行平行運算以取得該刀具-工件接觸區域的數據資料，如此可進一步提升運算效率。

有關本發明所提供對於多軸銑削加工之模擬方法的詳細構造、特點、組裝或使用方式，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。

申請人首先在此說明，於整篇說明書中，包括以下介紹的實施例以及申請專利範圍的請求項中，有關方向性的名詞皆以圖式中的方向為基準。其次，在以下將要介紹之實施例以及圖式中，相同之元件標號，代表相同或近似之元件或其結構特徵。

本發明之模擬方法主要是在實際加工前模擬刀具對工件進行多軸銑銷加工的過程，以確保加工流程的精度及正確性，所謂多軸可以是雙軸、三軸、四軸或五軸，在此不加以限定。請參閱圖1，本發明之模擬方法包含下列步驟：

(a) 如圖1所示之步驟S1，使用一三維射線模型（Tri-Dexel Model）建立一工件模型10。

在此步驟中所使用的三維射線模型（Tri-Dexel Model）是利用三個不同方向的射線平面發出射線，藉此建立工件模型10的輪廓，在本實施例中，如圖2所示，工件模型10以牙齒模型為例，但不以其為限，在其他實施例中，亦可於不同產業類別如：製造業(航太、汽車、電子產品、能源設備、工具、模具或機床)、醫療產業(牙科、骨科、整形外科、醫療設備、手術規劃或導板)、學術界(機械工程、製造工程、工業設計、航太工程或材料工程)…等產業應用。三維射線模型（Tri-Dexel Model）的優點在於非常適用平行演算法，相較於B-rep Model可以大幅縮短加工模擬所需要的時間，而且，三維射線模型（Tri-Dexel Model）所消耗的記憶體相較於Voxel Model是非常小的，每一條射線的端點都能攜帶各個瞬間所產生的物理現象數值（例如切削區域），也因此擁有相當好的擴展性。

(b) 如圖1所示之步驟S2，使用一符號距離函數（Signed Distance Function，簡稱SDF）建立一刀具模型20。

在此步驟中所使用的符號距離（Signed Distance Function，簡稱SDF）是直接定義數學模型，以隱函數的形式計算給定座標點至目標物件的距離，以正負號分別表示位於物件的內、外部，藉此建立刀具模型20的輪廓並能快速了解與工件模型10之間的位置關係（如圖2所示）。

(c) 如圖1所示之步驟S3，使用一光跡步進（Ray Marching）演算法取得一刀具-工件接觸區域30（Cutter-Workpiece Engagement，簡稱CWE），並根據刀具-工件接觸區域30計算一瞬時切削力(Instantaneous Cutting Force)及計算刀具模型20之一切削路徑是否會造成刀具模型20與工件模型10發生不當碰撞。

在此步驟中所使用的光跡步進（Ray Marching）演算法是在已知光線起點與方向後，便可以開始搜尋最接近物體的距離，接著從光線原點向光線方向移動此一距離，接著更新起點位置，然後不斷重複上述動作，直到接觸到物體或是確定光線發散。由於使用三維射線模型（Tri-Dexel Model）所建立的工件模型10是由多條線段構成，可以視為許許多多的光線。因此，光跡步進（Ray Marching）演算法以原本工件模型10的輪廓快速搜尋刀具模型20的邊界，藉以更新工件模型10的輪廓，在更新工件模型10的輪廓的同時即能獲得刀具-工件接觸區域30（Cutter-Workpiece Engagement，簡稱CWE）的數據資料（如圖2所示），前述數據資料即為用來計算切削路徑及瞬時切削力的重要條件。在此所謂的瞬時切削力是指刀具對工件進行加工時受到的瞬間阻力，若瞬時切削力過大，可能會造成刀具或/及工件的損壞，如此即可模擬刀具模型20在接近瞬時切削力的臨界值的狀況下對工件模型10進行加工，使實際加工的進給效率能極大化的提升。請參閱圖3，圖3顯示在加工模擬中，刀具模型20的移動距離和三軸切削力之間的曲線關係圖。然而實際上，也可以使用時間來取代移動距離，亦即顯示刀具模型20在加工一特定時間（例如10秒）的情況下所對應的三軸切削力大小。

值得一提的是，光跡步進（Ray Marching）演算法還可以同時配合一圖形處理器（Graphics Processing Unit，簡稱GPU）進行平行運算，從原本取得單一射線的起點與方向變成同時取得多條射線的起點與方向，藉以更進一步對工件模型10提升在更新輪廓時的運算速度。

下表一顯示以三維射線模型（Tri-Dexel Model）分別搭配傳統分割包圍體積層次結構（Splits Bounding Volume Hierarchies，簡稱SBVH）及本發明所使用的符號距離函數（Signed Distance Function）和光跡步進（Ray Marching）演算法的組合所設計的切削路徑在效率方面的差異進行比較。

表一

次數	SBVH（單位：秒）	SDF+Ray Marching（單位：秒）
1	15.5336	9.30046
2	15.6123	9.27029
3	15.5674	9.26721
4	15.6874	9.26484
5	15.6036	9.29699
6	15.7078	9.30935
7	15.665	9.29641
8	15.8078	9.32197
9	15.6415	9.29707
10	15.8343	9.28962
11	15.5664	9.31953
12	15.6826	9.2958
13	15.9124	9.29946
14	15.5686	9.30116
15	15.5628	9.30366
平均時間	15.6636	9.29559

由上表可以發現，傳統模擬方法的平均運算時間約15.6636秒，每秒可以找出約702.329個刀尖點（Cutter Location Point），本發明之模擬方法的平均運算時間約9.29559秒，每秒可以找出約1183.464個刀尖點（Cutter Location Point），相較之下，本發明之模擬方法的運算時間明顯縮短，運算速度可以大幅提升約68.51%。

綜上所述，本發明之模擬方法透過三維射線模型（Tri-Dexel Model）、符號距離函數（Signed Distance Function）及光跡步進（Ray Marching）演算法的組合可以大幅提升運算速度，節省下來的運算時間不但可以用來分析瞬時切削力的大小，還可以計算刀具模型20之切削路徑是否會造成刀具模型20與工件模型10發生不當碰撞，若預估可能會發生不當碰撞，則需要調整切削路徑，以確保雙方不會發生互相碰撞的問題。

S1:步驟 S2:步驟 S3:步驟 10:工件模型 20:刀具模型 30:刀具-工件接觸區域

圖1為本發明之模擬方法的流程圖。 圖2為本發明之模擬方法所提供之工件模型和刀具模型的立體圖。 圖3為本發明之模擬方法所提供之移動距離及切削力的曲線圖。

S1:步驟

S2:步驟

S3:步驟

Claims (3)

1. 一種多軸銑削加工之模擬方法，包含下列步驟： (a) 使用一三維射線模型建立一工件模型； (b) 使用一符號距離函數建立一刀具模型；以及 (c) 使用一光跡步進演算法取得一刀具-工件接觸區域，並根據該刀具-工件接觸區域計算該刀具模型之一切削路徑是否會造成該刀具模型與該工件模型發生不當碰撞。
2. 如請求項1所述之多軸銑削加工之模擬方法，在步驟(c)中，根據該刀具-工件接觸區域計算一瞬時切削力。
3. 如請求項1或2所述之多軸銑削加工之模擬方法，在步驟(c)中，使用該光跡步進演算法配合一圖形處理器進行平行運算以取得該刀具-工件接觸區域。