本发明涉及三维模型网格生成及实时网格重构，尤其涉及一种基于unity的数字孪生铣削加工仿真实时材料去除方法。
背景技术：
1、在计算机应用水平较低的阶段，研究人员通常采用大量切削实验的方式对铣削加工过程中的参数旋转、材料变形机理、铣削数据监控等进行研究，由于需要进行反复的刀具拆卸、工件安装、对刀调试等步骤，往往需要耗费大量的人力物力。因此，对铣削加工进行仿真模拟能够显著降低时间和成本，同时还增加了加工监控的可视性。
2、数字孪生技术通过对铣削加工过程的数字孪生进行研究，采集并分析加工的数据并通过这些数据在虚拟空间中对铣削加工过程进行几何仿真和物理仿真，实时监控甚至预测铣削加工进程和参数变化。目前对于数字孪生铣削加工仿真实时材料去除方法的研究通常采用两种思路：一是构造csg或brep模型，对三维空间中刀具和工件进行实时布尔运算，实现材料去除的切削仿真过程。该方法能够准确描述模型外观，具有精度高的优点；但由于模型三角面片数量多，存在计算量庞大、计算效率低、易产生错位误差等问题，并且在多次切削后，三维模型的面片数会出现几何式爆炸增长，会进一步加剧计算机负荷。因此，通常只能用于模型分割，无法适用于铣削加工的数字孪生实时仿真模拟。另一种研究思路为了避免计算复杂和计算耗时长的问题，采用空间分割法，构造dexel模型，把三维的几何形体分解为一系列基本元素的几何，把材料去除过程从三维布尔运算转为基本元素的布尔运算，提升切削效率。进一步的，考虑到材料去除是由于刀具和工件产生了相对位移，因此对工件dexel模型与刀具的brep模型形成的扫掠体进行布尔运算，实现刀具在运动过程中对工件的材料去除。这类研究思路虽然进一步减少了计算机的计算压力，但由于扫掠体需要刀具在一定运行时间内产生与工件的相对位移才能形成，在刀具移动的过程中无法对材料进行切除，因此该类方法实时性较差。
3、为克服上述问题，本发明提出一种基于unity的数字孪生铣削加工仿真实时材料去除方法。。
技术实现思路
1、针对铣削加工的实时仿真难以准确描述和表征工件材料去除过程这一问题，本发明提供了一种基于unity的数字孪生铣削加工仿真实时材料去除方法，用以背景技术中提出的技术问题，实现了具有优异实时性、高度可视化的铣削加工的材料去除过程的仿真。
2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
3、一种基于unity的数字孪生铣削加工仿真实时材料去除方法，包括以下步骤：
4、s1.建立待铣削工件孪生体模型：采用三角面片的三维渲染方式在unity搭建的数字孪生铣削加工仿真平台中建立待铣削工件的孪生体模型；包括以下子步骤：
5、s11.针对不同来源及不同外观形状的待铣削工件，根据仿真效果所需要的细化程度，进行孪生体模型的搭建。待铣削工件分为内部动态建立和外部导入两种类型，其中：
6、通过c#脚本手动设置内部动态生成的工件模型，在数字孪生铣削加工仿真平台中手动设定外观尺寸及细化程度，并根据外观尺寸和细化度计算各顶点坐标和三角面索引顺序并存入相应数组中。
7、对于外部导入的工件模型，使用3dmax软件进行细化，然后以fbx格式导出至数字孪生铣削加工仿真平台中。
8、s12.为待铣削工件的孪生体模型添加mesh组件，在渲染模型的同时获取其网格信息；所述网格信息包括顶点坐标数组及三角面索引数组。
9、s2.建立刀具孪生体模型：将刀具的三维模型以fbx格式导入数字孪生铣削加工仿真平台中，建立刀具的孪生体模型；包括以下子步骤：
10、s21.从外部导入刀具模型。
11、s22.设定刀具半径r；相应地，对刀具模型进行水平方向的缩放。
12、s23.创建名为t的空物体，作为刀具模型的孪生体的子物体；其中，t的坐标设为刀具模型的最底端中心处，代表刀具的实际切削位置。
13、s3.切削算法：在unity的帧更新中调用切削算法，动态重构工件mesh网格，实现材料去除过程的实时动态仿真；包括以下子步骤：
14、s31.筛选满足条件的待铣削工件mesh网格顶点：y坐标大于t，且水平坐标位于以t坐标为圆心，以r为半径的圆形范围内的所有顶点。
15、s32.将步骤s31筛选出的所有顶点的y坐标更改为t的y坐标。
16、s33.重新加载mesh网格，刷新待铣削工件模型。
17、实现铣削加工仿真过程中实时材料去除的算法原理是：在unity引擎中，工件及刀具等三维模型均是通过三角面片的方式进行渲染并呈现在计算机屏幕上。因此，孪生体模型中存储了工件的mesh网格信息，其中的顶点坐标数组中记录了每个顶点的位置坐标；
18、另一方面，在铣削加工时，刀具处于高速旋转中的刚体，可视为在t位置上形成了以r为底面半径的圆柱区域。因此，在实际铣削过程中，工件一旦与该圆柱范围产生接触，就会被铣削掉部分材料。
19、相应地，从工件的mesh网格角度分析铣削加工过程，则可以视为：一旦有某个网格顶点处于圆柱范围内，则表示该顶点被铣削，应向内坍缩至刀具的最底面，即该顶点的y坐标变更为t的y坐标。
20、例如工件的某个网格顶点a，其坐标为（x1,y1,z1），而t的坐标为（x2,y2,z2），在进行铣削仿真去除材料时，当y1>y2且x12+z12<r2时，则代表顶点a处于被铣削的圆柱范围内，则将其坐标更改为（x1,y2,z1）。
21、于是，可以在unity的每次帧更新中，遍历工件的所有顶点坐标，筛选出在上述圆柱范围内的顶点，并修改其坐标值，实现对材料去除过程的实时动态仿真模拟。
22、而且，由于顶点数组的坐标信息是数值类型，且数量有限，因此判断比较的计算过程并不会给计算机带来运算负荷。
23、与现有技术相比，本发明具有如下优点或技术效果：
24、传统材料去除方法中采用刀具扫掠体与工件进行布尔交互运算的方式实现铣削过程中的材料去除，但考虑到unity三维引擎是按照一定的帧率，在每一帧中对孪生场景中的物体对象进行刷新、渲染并生成在电脑屏幕中；因此在等待若干次帧更新完成之后才能生成刀具扫掠体，即需要一定的响应时间才能完成扫掠体构建，进而进行布尔运算，所以实时性不足。
25、本发明与传统方法相比，考虑到实际铣削加工中刀具高速回转形成圆柱形刚体这一特征，通过在每一次帧更新中对工件孪生模型mesh网格的顶点坐标数组进行遍历、比较、修改的方式实现了工件孪生体模型的动态网格重构，满足了铣削加工仿真过程中对材料去除的实时性的要求。
26、本发明能够在unity搭建的数字孪生铣削加工仿真平台中实现材料的实时去除过程，除了在计算上具有高效性，还具备对不同工件模型的通用性。
27、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
1.一种基于unity的数字孪生铣削加工仿真实时材料去除方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于unity的数字孪生铣削加工仿真实时材料去除方法，其特征在于，所述步骤s11中，待铣削工件分为内部动态建立和外部导入两种类型：
