虚拟折弯机及板料动态柔体仿真的研究与实现_彭良友

FORGING&STAMPINGTECHNOLOGY

2011年2月

Feb.2011

虚拟折弯机及板料动态柔体仿真的研究与实现

彭良友,张李超,赵祖烨,李　敏,周　强

(华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室,湖北武汉430074)

摘要:研究并实现了一种基于虚拟现实的动态虚拟折弯机场景仿真系统。采用OpenGL构建图形控制平台实现立体三维效果;基于场景图形技术和参数化拉伸体建模构建和组织各种尺寸的场景元素;建立动画管理器对场景元素进行更新遍历实现运动序列控制;同时,应用变形体技术,完成工艺流程和板料柔体仿真,并且通过板料展开计算实现其长度变化。应用分析表明,该系统可提高折弯场景运动控制和工艺成形的真实感,并可扩展应用于板料成形的其他领域。

关键词:折弯机;柔体板料;虚拟现实;场景图形;拉伸体DOI:10.3969/j.issn.1000-3940.2011.01.019

中图分类号:TP391.7;TG385　　　文献标识码:A　　　文章编号:1000-3940(2011)01-0082-06

Researchandimplementationofvirtualsceneforpressbrakeand

dynamicflexiblesheetmetalsimulation

PENGLiang-you,ZHANGLi-chao,ZHAOZu-ye,LIMin,ZHOUQiang

(StateKeyLabofPlasticFormingSimulationandMold&DieTechnology,HuazhongUniversityof

ScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Abstract:Asimulationsystemofdynamicvirtualsceneofpressbrakebasedonvirtualrealitywasinvestigatedandim-plemented.Inthesystem,thegraphicsplatformwithstereo3DeffectswasestablishedbyusingOpenGL.Thevirtualsceneofpressbrakewasbuiltbasedonscenegraphandextrudemodeltechniquesfororganizingandmodifyingiteasi-ly.Thecontrolstrategywascompletedbybuildingtheanimationmanagertoupdatethescenegraph.Simultaneously,flexiblesimulationofsheetmetalandbendingprocesswereachievedbymorphtargetanimationtechnologyandthelengthofboardcantransforminthebendingprocess.Theapplicationshowsthatthedevelopedsystemcanmakethevirtualscenemorerealisticandbeusedinotherfieldsofsheetmetalwidely.

Keywords:pressbrake;flexiblesheetmetal;virtualreality;scenegraph;extrudemodel

　　板料折弯作为一种传统的成形工艺,随着应用

收稿日期:2010-09-20;修订日期:2010-11-22

作者简介:彭良友(1986-),男,硕士研究生;通讯作者:张李超电子信箱:mickal@163.com;elegantteac@263.net

的不断发展和延伸,对于折弯工艺控制软件的要求

越来越高,原有的纯文字或者2D显示界面已经无法满足需要[1]。国外的折弯机厂商针对这个问题,开始对原有的系统进行更新,但是显示效果仍束缚于原有的系统框架。另外,如何有效的进行折弯板

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5　结语

通过对冷锻压力机广义肘杆机构的运动和静力

分析,获得了广义肘杆机构冷锻压力机运动曲线,各杆的受力和偏心轴所需输入扭矩的变化规律及影响因素,为各杆的强度设计和离合器的扭矩选择提供了依据。同时,分析了不同润滑状态下压力机可能出现的打滑和闷车等情况,为该压力机的正常安全使用提供了理论指导。

参考文献:

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料的柔体仿真和运动控制,模拟板料变薄、展开、回弹等特性也一直是虚拟板料折弯领域的热点问题。但是,这些研究成果都基于公式推导或者模

拟软件[6],在实际应用的折弯机工艺系统中缺少一个虚拟平台来模拟仿真板料的柔体变换和折弯机的运动控制。

随着计算机技术的发展,虚拟现实(VirtualReality,简称VR)技术的发展和应用有了越来越广阔的天空,诸如场景图形(SceneGraph)和变形体动画等技术也开始应用于各个领域的虚拟场景中,为各个领域提供了更加富有真实感的虚拟场景。拉伸体建模(又名扫描变换法)作为一种基本的CAD建模方法,在计算机三维建模领域有着广泛的研究与应用。可以细分为:平行扫、旋转扫、广义扫等[7]。其中,平行扫变换通常由用户提供截面轮廓,然后沿指定方向平行延伸一定的距离生成模型。基于OpenGL建立显示平台,应用拉伸体建模和虚拟现实技术,动态的虚拟折弯机场景的构建过程分为3个步骤:(1)建立基于场景图形技术的三维静态折弯机场景,使用拉伸体建模技术构建了折弯机的各个组成部件的三维模型,并装配在折弯机三维场景中;(2)实现动态的虚拟折弯机场景。通过建立动画控制管理器,完成对折弯机场景中运动部件的装配信息的更新回调,该模块直接与折弯虚拟机进行交互,和折弯机硬件控制模块使用一样的接口,实现折弯机各控制轴的运动仿真;(3)实现折弯板料的运动控制和柔体仿真,基于变形体技术,通过计算折弯板料每道工序的起始顶点数据和终止顶点数据,实时插补出柔体运动的中间顶点数据,完成了板料的折弯柔体运动,并根据折弯展开长度计算公式实现了板料折弯展开长度变化的模拟显示。

图1　折弯机场景图形Fig.1　Scenegraphofpressbrake

[2-6]

一共有2×N!种可能[9](N为板料折弯的次数)。为了判断每种折弯是否可行,需要进行大量的模型

计算(基于包围框或者包围球的三维碰撞检测技术)。根据折弯机的特点,使用了拉伸体的建模技术(扫描变换法),将三维的模型数据简化为二维的数据降低了碰撞检测计算的维度,达到提高计算效率的目的。

在模型数据建立的同时,提出使用一种抽象的表达式数据来存储拉伸体的界面轮廓。即使用抽象化的数据信息和参数表,如P1(L1+L2,L3)等。工程人员可以通过修改关键参数(关键参数和各点的关系可以由用户自定义设计)达到修改模型的截面轮廓,生成同种类型但是尺寸有差别的多个模具,适应模具多样化的需要,如图2所示。

1　折弯场景设计与建立

1.1　场景图形设计

场景图形[8],即采用一种自顶向下的,分层的树状数据结构来组织空间数据集,以提升渲染的效率。将折弯机的各个部件以场景图形的树状形式组织起来,图1所示为折弯机树状场景,不仅可以方便地对折弯机的各个部件进行控制和修改,同时也便于场景的遍历,实现各种控制能,提升计算效率。1.2　拉伸体技术

在折弯机系统领域,折弯的工序规划(根据用户的板料设置计算出可行的折弯序列)一直是一个核心功能和研究热点。如果考虑所有的折弯序列,

图2　参数化拉伸体模型(a)参数化截面轮廓　(b)拉伸体Fig.2　Parametricextrudemodel(a)Parametriccontour　(b)Extrudemodel

1.3　折弯机场景建立

根据场景图形的设计来建立折弯机场景:(1)首先根据折弯机的每个部件构建出其对应的拉伸体实现,保存为部件的叶子节点(拉伸体实现)。(2)

84锻　压　技　术　　　　　第36卷

根据场景设计图建立如图3所示的场景实现,其中对于每个拉伸体部件配置旋转和平移矩阵,图中以

装配节点表示(装配节点用于存储各个拉伸体的旋转和平移矩阵信息)。

图3　折弯机场景树实现Fig.3　Scenetreeofpressbrake

1.4　运动仿真设计及管理

折弯机的数控轴,即其运动控制部分(图4)

共有以下几类:(1)Y1,Y2轴,控制上滑块上下运行,实现折弯机的主要工作行程;(2)X1,X2,Z1,Z2轴,均为后定位系统控制轴,控制后挡料定位;(3)V轴,控制机床挠度补偿量;(4)A1,A2轴,伺服随动托料,折弯时托料板与被加工板料随动,托住被加工板料。

为了实现折弯机各轴的运动,根据需要对折弯机场景的运动控制管理器进行建立和配置。该运动

控制管理器通过遍历折弯机场景根节点(绘制遍历之前),更新场景树信息(比如更新上滑块的装配节点的位移矩阵信息实现上滑块下压运动),达到动画仿真控制的效果。仿真动画控制管理器中具有多个运动控制部件,每个部件中都存储了一组数据。这组数据存储了包括控制部件的名称(用于更新遍历时确定控制的目标装配节点),控制类型(位移和旋转等),关键帧信息(存储关键帧时刻的位移和旋转信息)。运动动画控制管理器直接与折弯机虚拟机交互,获取各个轴的运动控制信息,并生成各个运动控制部件以及数据信息。更新遍历场景树之后,绘制遍历根据新的场景信息就可以更新模型显示。

2　板料模型及动画过程实现

板料成形过程中,板料的动画过程不同于普通的折弯机部件的刚体动画,不仅仅需要更新板料的位姿信息,更重要的要实现其柔体变换的过程,并且提供有效的方法表达折弯工艺诸如展开长度、变薄等特殊效果的方法。因此,还需要对板料模型数据本身进行更新,才能实现柔体的变化效果。2.1　变形体动画解析

变形体动画

[10]

(MorphTargetAnimation),

通常又称为逐顶点动画(Per-vertexAnimation),

图4　折弯机运动控制与管理Fig.4　Controlstrategyofpressbrake

是一种常见的三维动画表现形式。它记录了一系列顶点位置的坐标和偏移,并在动画运行的每一帧中将各个顶点移动到新的位置,形成持续、平滑的运动效果。变形体动画可以精确地表达一个物体,尤

第1期彭良友等:虚拟折弯机及板料动态柔体仿真的研究与实现　　85

其是自然界生物体的运动和变形过程,比如板料的折弯运动等。物体中定义的可变化顶点数越多,变形体动画就会越复杂,可表达的意境就越丰富。例

如人物的表情、动态的布料和衣物等都可以使用变形体动画来表达,而骨骼动画以及传统的刚体路径动画是几乎不可能实现这一点。

变形体动画同折弯机部件的刚体路径动画一样,也采用关键帧来表示模型的变换信息,不过变形体的关键帧信息保存的是变形体模型的所有顶点信息,通过在相邻关键帧信息之间进行插值运算来求得每个时刻实际的模型顶点位置信息,其算法实现如下:(1)针对某一时刻,为变形体节点(板料节点)获得在距该时刻最近的前后两个关键帧信息,即得到前后两个关键帧时刻的模型的全部顶点信息;(2)计算当前时刻与关键帧时刻的比值;(3)通过得到的比值,使用相应的插值算法,计算得到该时刻的模型的顶点信息,并更新当今模型顶点信息,这里的插值算法可以选用线性插值或者球形插值等,通常情况下线性插值可以满足一般的变形体动画需要,同时计算效率最高;(4)根据该时刻更新后的模型的顶点信息,即可以使用相应的OpenGL底层代码,比如计算法矢、绘制模型细节等。最终完成模型的绘制工作实现流畅的变形体动画过程。2.2　板料模型构建

板料模型的构建分为两个步骤:(1)用户构建板料折弯的基础数据,包括板料每道折弯的半径和角度(正负确定方向)、直板区域的长度以及板料厚度、材质和宽度等整体参数,通过这些参数就可以计算出整个板料的顶点数据集合;(2)板料各个关键帧的模型顶点数据的计算,根据已有的每道折弯的半径和角度信息、直板区域长度和板料厚度、宽度等信息,计算生成出每道折弯的变形体动画的板料顶点数据集合。每道折弯的顶点数据集合都包含一个当前折弯前的板料顶点数据和折弯后的板料顶点数据。2.3　板料折弯过程仿真2.3.1　折弯柔体仿真

使用变形体动画原理,以及已经计算出的每道折弯前后顶点数据集合来完成板料的柔体动画过程,在具体的实现上,通过对板料叶子节点模型数据的更新实现,即在遍历整个场景树的时候根据折弯序列完成对板料叶子节点模型的更改。在原有的控制管理器中,添加板料叶子节点的运动控制部件,该部件储存了板料叶子柔体动画所需要的关键帧的数据(折弯前后的顶点数据)。在控制管理器遍历整个场景树的过程中,实现对板料模型的插值计算。图5为板料的线框模型演示:折弯处离散成多个分段(N个顶点,N越大仿真精度越高),仿真的时候就可以通过控制折弯处的N个顶点变化实现各种仿真效果,图5中折弯处N为20。

图5　板料起始数据和柔体目标数据线框和实体Fig.5　Wireframeandsolidoforiginalsheetandtargetsheet

下面以板料的展开长度计算与仿真模拟为例,介绍通过控制折弯离散点实现特殊的柔体模拟要求,此外类似的可以实现板料下压深度、变薄、回弹等折弯板料特有效果。

板料折弯时,弯曲角内侧受压,尺寸变短,外侧受拉,尺寸变长。中性层(板料折弯时的长度不变层)会向折弯内侧移动,所以板料的展开长度即为中性层的长度[11],见图6。

图6中可以看到,板料弯曲的直线部分长度a和b是不变的,弯曲部分l的长度是变化的,总的长度公式可以表达为:

L=a+b+l

长度;l为弯曲部分的展开长度。

l=π×ρ×αρ=r+x×t

(2)(3)(1)

式中:L为展开长度;a,b分别为弯曲件直线部分

式中:l为弯曲部分的展开长度;ρ为中性层曲率半

径;x为中性层内移系数,与变形程度有关,一般采用实验建立表格,按材料及相对弯曲半径查取;t为板料厚度。

86锻　压　技　术　　　　　第36卷

图6　折弯展开长度计算Fig.6　Bendunfoldinglength

图7　板料的位姿矩阵信息计算Fig.7　Positionandposematrix

在实际的板料折弯模拟中,折弯前,即每道折弯的起始顶点数据的折弯部分的展开长度使用公式(1)、(2)和(3)进行计算,同时将其离散成N个直线段(l/N)。折弯后,即每道折弯的目标顶点数据的折弯部分使用原来的r和r+t(内弧和外弧)进行圆弧的插补计算N个点。这样就建立了折弯部

分的顶点一一对应关系,模拟板料折弯的长度变化的效果。此处的展开长度计算还直接与挡指的运动位置相关联。2.3.2　折弯过程设计

一个连续且完整的折弯过程中,不仅包括柔体运动(起始顶点数据和目标顶点数据轮廓形状信息的变化),同时由于每道折弯的前后方向信息(板料放置到折弯机上的方向,前面或者后面)和正反面信息(折弯的加工面,正面或者反面)不一样(比如第一道折弯为前面和正面,后一道折弯为后面和反面),所以需要人工或者机器人手臂进行板料位姿调整以进行连续的折弯过程。

这样在模拟过程中就需要计算板料的位姿信息(位移和姿态旋转信息)完成连续的板料折弯工序,即计算板料的平移和旋转运动关键帧信息,如图7所示。

(1)旋转矩阵信息计算。根据板料前后信息,板料正反面信息和前后两道折弯的角度差值计算板料的旋转角度。

(2)平移矩阵信息计算。根据前后两道折弯的折弯线(二维投影为一个点)的差值进行计算,同时还要考虑板料的推进和退出运动的矩阵信息。

此外,一个连续的折弯工艺还包括安全距离的退让以及后挡料系统的运动,如图8为板料折弯整体仿真流程,包含了安全距离退让、挡料系统以及

与折弯机上滑块运动的同步。

图8　板料折弯工艺流程设计Fig.8　Designofbendingprocess

3　系统实现及效果

基于上述的系统设计和关键技术,华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室开发了

数控板料折弯机控制和工艺软件中的三维仿真系统,

第1期彭良友等:虚拟折弯机及板料动态柔体仿真的研究与实现　　87

该系统已经作为该软件的核心模块组件,取得了很好的效果,图9、图10为虚拟折弯机场景和板料折弯的最终演示效果。

4　结语

本文通过应用拉伸体建模和虚拟现实技术,研

究并实现了动态的折弯机场景,同时根据折弯工艺的特性模拟仿真板料折弯的柔体运动过程,适用于金属板料成形的三维模拟仿真领域。

通过应用在实际折弯机系统中,在折弯机工艺核心的工序规划部分,将三维的碰撞检测降低为使用二维运算,也不需要再进行模型的二维投影,简化了工序规划的计算过程,同时直观的板料折弯演示效果更容易被工程人员所使用,进行折弯工艺设计和分析。

图9　近景图Fig.9　Close-rangeview

图10　折弯仿真过程

(a)退让安全距离(初始)　(b)进料与挡指　(c)第1道折弯　(d)退让安全距离(e)平移折弯线　(f)板料姿态调整　(g)进料与挡指　(h)板料折弯全部完成

Fig.10　Simulationofbending

(a)Safedistance(origin)　(b)Feedandbackstop　(c)1stbend　(d)Safedistance

(e)Translation　(f)Rotate　(g)Feedandbackstop　(h)Completebending

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