【摘 要】
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机床作为“工业母机”主导着制造业的智能化进程。大量研究通过数字孪生来实现机床加工过程的可视化监控,但其对加工过程和机床状态的呈现多以二维电子看板和图表为主,与实际生产过程差距较大,缺少三维可视化与过程分析,监控的信息展示不够直观,感知效率较低。针对上述问题,本文以五轴数控机床为研究对象,基于数控加工仿真技术和加工过程数据,研究并实现了面向数控机床加工过程的三维可视化监控。根据加工过程数据的类型,设
【基金项目】
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国家自然科学基金:制造装备可编程自动化控制器安全集成设计理论与方法（U19A2072）；
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机床作为“工业母机”主导着制造业的智能化进程。大量研究通过数字孪生来实现机床加工过程的可视化监控,但其对加工过程和机床状态的呈现多以二维电子看板和图表为主,与实际生产过程差距较大,缺少三维可视化与过程分析,监控的信息展示不够直观,感知效率较低。针对上述问题,本文以五轴数控机床为研究对象,基于数控加工仿真技术和加工过程数据,研究并实现了面向数控机床加工过程的三维可视化监控。根据加工过程数据的类型,设计了三维可视化监控方案:1.将数控加工仿真的输入数据替换为实时的位置数据,以实现机床运动的三维可视化;2.利用Voxel模型实现机床状态数据的可视化以及加工过程的分析。使用基于八叉树的Voxel建模法完成了毛坯建模。为了减少内存占用和提高切削加工过程模拟的布尔运算速度,首先根据监控时目标零件外形已知的特点,通过提取毛坯待切削部分的Voxel减少了需要建模和保存的Voxel数量;其次改进了八叉树的数据结构,实现了节点层次遍历并将节点查询效率提升至O（1）;最后基于刀具的AABB-OBB混合包围盒,使用先层次包围盒检测后顶点干涉检测的布尔运算算法,完成了毛坯的切削加工过程模拟。使用NC-Link协议采集了多种类型的加工过程数据,利用Voxel在切削过程中对机床状态数据进行了保存和可视化。基于保存的指令行号数据,对“欠切”“过切”等加工异常进行了检测,并实现了机床加工过程的回溯（以任意视角查看）。基于自研的三维可视化开发平台Visual Field System,完成了面向数控机床加工过程的三维可视化监控系统的原型开发,并对其功能进行了实验验证与分析。
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