（机械制造及其自动化专业论文）基于opengl的数控加工仿真软件系统的研究.pdf

l - - 、 】： 卜i 1 r a d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o 1 1 1 11 1i ii ii ii iii ii ii ii y 18113 14 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fp h i l o s o p h y t h er e s e a r c ho fn u m e r i a ic o n t r o i m a c h i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do n o p e n g l s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n c a n d i d a t e ：r u ig u a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f c h u a n m i nz h u m a r c h ，2 0 0 6 j ，。 hf：j ，一 1 产 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：官昏 棚年弓月w 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在生年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：牛谚s 夫 学位论文作者签名：官睿 乙卯否年弓月2o 日弘昭年弓月抛e t 一 f 。 *；：，一 1； ， 1 一 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 官睿 伽年；月阳日 广 t；， 一 ， 摘要 摘要 数控加工仿真是计算机辅助设计与制造技术的底层关键技术，是利用计算 机来模拟实际的加工过程，验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的有力 工具，能够避免在实际加工时可能出现的碰撞、过切等现象，提高加工的效率， 同时给优化加工的路径做好准备。 本文针对典型的三轴联动立式加工中心的加工过程，设计了一种基于 o p e n g l 的数控加工仿真系统，该系统以w i n d o w s 为开发平台，v i s u a l c + + 6 0 为 开发工具，采用o p e n g l 技术，来实现其加工仿真，该系统是验证数控加工程序的 可靠性和预测切削过程的有力工具，能减少工件的试切，提高生产效率，对验 证加工n c 程序和优化数控加工工艺具有一定的指导意义。系统的主要内容包括： ( 1 ) 基于o p e n g l ，深入研究了三维实体的建模技术，对计算机仿真、建 模作了一定的探讨； ( 2 ) 深入研究o p e n g l 三维图形制作技术，并研究了o p e n g l 与v i s u a lc + + 6 0 间的接口类c g l ，方便地实现了在v c + + 6 0 中调用o p e n g l 函数： ( 3 ) 建立了数控加工机床的3 d 虚拟模型； ( 4 ) 设计开发了手工编写n c 代码的编辑器，建立了数控文件输入输出接 口，既可读取已有的n c 程序，又可新建和保存新的n c 程序；设计了数控程序 检查器和解释器，很好的解决了数控代码的计算机识别和分析问题； ( 5 ) 采用基于数控代码的仿真方法，针对典型的切削加工数控机床，实现 三维几何仿真的动画演示。 关键词：数控机床：加工仿真；布尔运算；加工碰撞 a b s t r a c t a b s t r a c t i ti si m p o r t a n tt oi m p r o v et h eq u a l i t ya n dm a c h i n i n ge f f i c i e n to ft h ep r o d u c t t h e s i m u l a t i o n t e c h n o l o g yo fn u m e r i c a l c o n t r o lp r o c e s s i n gi so n eo ft h ee s s e n t i a l t e c h n o l o g i e so fc a d c a m ，a n di s a l s ot h eo v e r l a p p i n gd i s c i p l i n e so fn u m e r i c a l c o n t r o lt e c h n o l o g y , t h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , a n dt h ev i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y t h e n u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n gs i m u l a t i o ni st os i m u l a t e st h ea c t u a lp r o c e s su s i n gt h e c o m p u t e r , t oc o n f i r mt h en u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e d u r er e l i a b i l i t y a n dt of o r e c a s t m a c h i n i n gr e s u l t s ，w h i c hc a nd e c r e a s et h ec o s to fp r o d u c t ，r e d u c et h ew o r kt i m ea n d e n h a n c et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t h i sa r t i c l ei st od e s i g nt h es y s t e mo fh i g h - s p e e dn cm i l l i n gs i m u l a t i o nb a s e d o no p e n g l t h eo p e r a t i n gs y s t e mo fm i r c o s o f tw i n d o w si su s e da st h ep l a t f o r mo f t h ep r o c e s s i n gs i m u l a t i o ns y s t e m t h es i m u l a t i v es y s t e mi sd e v e l o p e du s i n gt h e o p e n g lt e c h n o l o g yt o r e a l i z ei t sp r o c e s s i n gs i m u l a t i o n t h es y s t e mm a i nc o n t e n t i n c l u d e s ： ( 1 ) t os t u d yt h et h r e ed i m e n s i o n a le n t i t ym o d e l l i n gt e c h n o l o g ya n d t h ec o m p u t e r s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do i lo p e n g l ； ( 2 ) t os t u d yt h eo p e n g l t h r e ed i m e n s i o n a lg r a p hm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n d t h ec o n n e c t i o nt e c h n o l o g yf o ro p e n g la n dv i s u a lc + + 6 0 ； ( 3 ) t oe s t a b l i s ht h ev i r t u a lm o d e lo f t h eh i g hs p e e dn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e ； ( 4 ) t od e s i g nt h en cc o d ee d i t o rt h ee d i t o rw h i c hi su s e dt om a n u a l l yc o m p i l e t h en cc o d e ，t od e s i g nt h en cp r o c e d u r ec h e c k e ra n dt h ei n t e r p r e t e rw h i c hi su s e dt o s o l v et h ec o m p u t e ri d e n t i f y i n ga n da n a l y s i sp r o b l e mo ft h en c c o d e ( 5 ) t ob u l i d t h es i m u l a t i o nm o d u l ew h i c hc a nr e a l i z et h e3 ds i m u l a t i o no ft h e n c m i l l i n g a l la b o v ea r ed e s i g n e db yt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n i q u eb a s e do n o p e n g l k e yw o r d s ：n cs i m u l a t i o n ；b o o l e a nc a l c u l a t i o n ：m a n u f a c t u r i n g c o l l i s i o n 玎 ， 一， 广 r 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 数控加工概述1 1 2 数控加工仿真技术2 1 3 本课题研究的目的及意义3 第2 章数控加工仿真软件系统的总体设计5 2 1 仿真软件系统的总体设计原则5 2 1 1 系统总体设计原则5 2 1 2 仿真算法的要求6 2 2 仿真软件系统的总体结构设计7 2 2 1 数控加工仿真系统的基本组成及功能分析7 2 2 2 数控仿真系统的结构框架的设计8 2 3 仿真软件系统的功能模块划分9 2 3 1 数控加工仿真的工作过程1 0 2 3 2 仿真系统的功能模块划分1 0 2 4 本章小结1 3 第3 章加工环境仿真模块的开发1 4 3 1o p e n g l 概述1 4 3 2 基于o p e n g l 标准的应用程序框架的创建2 0 3 3 数控加工虚拟环境模块的开发2 8 3 3 1 模块的作用2 8 3 3 2 仿真环境坐标系的建立2 9 3 4 本章小结：3 3 第4 章n c 代码分析与处理模块的开发3 4 i i i 目录 4 i 模块的作用3 4 4 2n c 代码的结构分析3 4 4 3n c 代码的编辑、检查功能的开发3 5 4 4 数控加工程序的编译功能的开发3 8 4 5 本章小结4 6 第5 章加工过程仿真模块的开发4 7 5 1 模块的作用及工作原理：4 7 5 2 基于实体的布尔运算的理解4 8 5 3 数控加工过程仿真中的关键技术5 0 5 4 数控加工过程可视化仿真的实现5 l 5 5 本章小结5 3 第6 章数控加工仿真软件的实现5 4 6 1 软件系统介绍5 4 6 2 软件系统的仿真流程5 8 6 3 数控n i 仿真实例5 9 6 4 本章小结6 l 第7 章结论与展望6 2 7 1 研究内容总结6 2 7 2 进一步工作的方向6 2 致谢6 4 参考文献6 5 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果6 8 _ l ， 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 数控a n _ t _ 概述 计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 技术是近年来工程领域中发展最迅速最 引人注目的高技术之一。随着计算机软、硬件技术和其它科学技术的进步与发 展，c a d c a m 技术日趋完善，今天的c a d c a m 已经广泛应用于数值计算、工程绘 图、工程信息管理、生产控制等设计生产的全过程中。c a d c a m 技术的发展与 应用水平已成为衡量一个国家科学技术现代化和工业现代化的重要标志之一， 在一定程度上能反映出一个国家的综合实力。 数控加工是c a d c a m 技术中最能明显发挥经济效益的生产环节之一，是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种机床自动控制技术。3 0 多年来随着计算机、传感与 检测、自动控制及机械制造等技术的不断进步，机床数控技术得到了迅速发展。 它可以保证产品达到极高的加工精度和稳定的加工质量；操作过程容易实现自 动化；生产准备周期短，适宜产品快速更新换代的需要。生产对象的几何形状 越复杂，加工精度要求越高，生产批量越小，数控加工的优越性就越能得到发 挥。 数控机床作为典型的机电一体化产品是高新技术的重要组成部分，采用数 控机床提高机械工业的数控化率，已成为当前机械制造技术更新的必由之路。 近年来，数控机床在制造行业得到了越来越广泛的应用。 我国许多数控机床是由传统机床改造而来的经济型数控机床，功能尚不完 善；大量的数控加工程序还要靠手工编程或半自动的方式生成，完全采用实际 切削的方法实现数控加工程序的检验成本高、危险系数大，尤其对复杂曲面类 零件，加工难度更大。随着经济全球化发展，竞争同益加剧，谁能够迅速的设 计开发出新的产品、谁能够迅速的制造出新的产品，谁就能迅速占领市场。 c a d c a m 软件的广泛运用，为产品的发展起了巨大的推动作用，而相应的榆测手 第1 章绪论 段却成了产品生产的瓶颈。计算机加工仿真的出现，正是针对这一问题而应运 而生。所以，将计算机仿真一技术应用到制造业，根据实际需要研究开发满足 一定要求的数控加工仿真系统具有重要意义。 1 2 数控加工仿真技术 数控加工仿真是c a d c a m 技术的底层关键技术，也是数控技术、仿真技术、 与虚拟现实技术等先进技术的交叉应用学科之一。数控加工仿真是利用计算机 来模拟实际的加工过程，验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的有力工 具，能减少工件的试切，提高生产效率。人们一直在研究能逐步代替试切的计 算机仿真方法，并在使制造环境的模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了 重要的进展，目前正向提高模型的精确度、仿真计算实时化和改善图形显示的 真实感等方向发展。 在数控加工过程中，随着数控机床性能、零件复杂程度的不断提高，数控 加工编程的难度日益加大，数控程序的故障率也越来越高。无论采用什么系统 进行数控程序的编制，都可能发生错误，编程人员事先对这些错误往往很难预 料，尤其是对于多坐标数控手工编程产生的数控程序，由于其复杂性和不可靠 性，在进行产品加工前，往往要进行多次检查和程序调整，包括模拟零件的加 工过程，检验刀位计算是否正确、加工过程是否过切、所选刀具、走刀路线、 进退刀方式是否合理、刀具和约束面是否干涉与碰撞等等，否则，如果n c 代码 生成不正确，很可能发生零件被多切或少切，刀具和零件、刀具和夹具、刀具 和工作台之间的干涉和碰撞等现象。 为检查数控程序的正确性，传统上采用试切的方法，但这种方法费工费料， 代价昂贵，延长了产品的生产周期。后来又采用轨迹显示法，即用计算机控制 铅笔绘图器，以笔代替刀具，以纸代替毛坯来仿真刀具运动轨迹的二维图形。 这种方法可以显示三轴加工轨迹，也可以检查一些大的错误，但其运动仅限于 平面，局限性很大。为此，人们一直在研究能逐步代替试切的仿真方法，并在 试切环境的模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了重要进展。在这种情况 r 第1 章绪论 下，数控加工的计算机仿真技术应运而生。 如果使用计算机研制出数控加工过程三维动态仿真系统，就可以采用可视 化技术，通过仿真和建模软件，模拟实际的加工过程，在计算机屏幕上将车、 铣、钻、镗等加工方法的加工路线描绘出来，动态模拟数控切削的加工过程， 既可以检验数控程序的可靠性，防止干涉和碰撞的发生，有效地减少或消除因 程序错误而导致的机床损坏、夹具或刀具折断、零件报废等问题，同时通过提 供错误信息的反馈，使工程技术人员能预先看到制造过程，及时发现生产过程 中的不足，有效预测数控加工过程和切削过程的可靠性及高效性，从而减少产 品的设计制造周期，降低生产成本。此外，还可以对一些意外情况进行控制。 数控加工仿真代替了试切等传统的走刀轨迹检验方法，大大提高了数控机 床的有效工时和使用寿命，在制造业得到了越来越广泛的应用。在信息化时代， 数控仿真技术不仅是编程工具，而且还将成为在网络平台上面向制造业的高效 数控加工编程服务平台。 1 3 本课题研究的目的及意义 目前流行的计算机数控加工仿真系统，主要有以下几种：u n i g r a p h i c s ， p r o e n g i n e e r ，c i m a t r o n 9 0 ，m a s t e rc a m ，c a x a m e 等等。其中，u n i g r a p h i c s 是高档c a m 软件的代表，其加工方式完备，计算准确，实用性强，是航空、汽 车、造船行业的首选。c i m a t r o n 9 0 是中档c a m 软件的代表，该软件产自以色列， 其实用性强，也是航空、汽车、电子、模具行业广泛应用的c a m 软件。m a s t e rc a m - _ 一 则是低档c a m 软件的代表，主要应用在中小企业的模具行业。c a x a m e 是国内 c a m 软件的代表，主要面向中小企业。 目前国内对于数控机床加工仿真的研究工作主要集中在机床运动仿真、刀 具与央具和机床的干涉检查，相应地也出现了一些仿真软件。但关于加工时间 的仿真及成本估算方面的研究还有待继续投入。在保证产品质量的情况下，如 能对加工程序文件和工艺进行优化处理，就可以大大提高零件的加工效率和机 床的利用率。 3 第1 章绪论 目前的关于运动加工仿真方面的软件，有的借助于a u t o c a d 绘图软件来实 现仿真，有的则是选择u g 或者v e r y c u t 等大型的建模软件来实现仿真。目前典 型的三轴联动立式加工中心，是由计算机控制的数控机床，其功能很强，但具 有自己独立的操作环境，不可能把任意机床的加工程序拿来直接应用，而且这 其中涉及到所借助的软件( 如u g 、v e r y c u t 等) 版权的问题。 本课题对数控加工机床的加工进行仿真操作，就是针对这种状况进行独立 的软件开发，创建基于o p e n g l 的仿真环境和仿真动画模块，这样我们的加工仿 真软件就具有较大的适用性，并且可以享有自己独立的知识产权，这样的控制 平台对于我们而言也就更有实际应用的价值和意义。本课题主要研究基于 o p e n g l 的计算机仿真和动画技术，在v i s u a lc + + 程序开发环境下，针对典型的 切削加工数控机床，研究与开发了数控加工过程的三维动态几何仿真系统。使 用该系统可避免在实际加工时可能出现的碰撞，过切等现象，提高加工的效率， 优化加工的路径，并实现加工数据的实时提取，达到现场加工实时监控的目的。 同时加工过程的仿真也给了我们优化工艺的时间标准，并可估算2 n t _ 成本。常 见的立式数控加工中心如下图所示。 本课题的研究具有一定的前沿性，应用计算机技术，对产品的设计、加工、 装配等工序统一建模，形成虚拟的生产过程，我们称之为虚拟制造，而加工过 程仿真是就是虚拟制造技术的基础。本课题对计算机仿真的研究和加工过程仿 真的实现，就是对虚拟制造技术的有益探索。 4 第2 章数控加i ：仿真软件系统的总体设计 第2 章数控加工仿真软件系统的总体设计 准确地应用数控加工仿真软件系统，对于数控力n - r _ 有着至关重要的作用。 而一个完善的数控加工仿真软件系统，不可以捏造，也不能是功能的随意组合， 它必然是遵循一定的设计原则，采用科学的仿真计算方法，在完善的总体设计 思路的基础上，设定完善的结构体系，从而最终建立起来的。 2 1 仿真软件系统的总体设计原则 2 1 1 系统总体设计原则 在进行系统总体设计时，我们必须要遵循一定的原则： ( 1 ) 可用性 即仿真的设计应该具有一定应用价值。系统设计出来的应用目的各有不同， 但即使某些系统不能直接应用于生产实践，但也可以供数控编程人员来学习和 了解数控编程的过程，让他们对真正的数控加工有所感觉，可以减少培训人员 费用； ( 2 ) 界面的友好性 设计界面时应使界面友好，容易理解和操作，便于初学者使用； ( 3 ) 可靠性 即系统应能根据输入的符合要求的数控代码，计算出刀具位置轨迹，利用 三维图形，可靠的反映出实际的加工过程，能够准确的模拟出数控加工的过程， 仿真结果真实可信； ( 4 ) 可移植性 为了使仿真系统减少对硬件的依赖，应该采用标准的编程语言和图形软件 进行编码。本系统采用的v i s u a l c + + 6 0 和o p e n g l 图形系统都是与硬件无关的 编程工具： ( 5 ) 可扩展性 第2 章数控加工仿真软什系统的总体设计 由于本系统尚处于研究和探索的阶段，故应为以后的进一步研究工作打下 良好基础，保证以后的工作能够使本软件系统得到功能上的扩充和完善。 2 1 2 仿真算法的要求 有了系统总体设计的原则，我们必须同时结合正确的j n ：i ：过程仿真算法， 这样才能使得仿真系统更加实用完善。一个有效的、能替代试切来验证数控程 序的加工过程仿真算法应满足以下要求： ( 1 ) 适应多种刀具切削过程的仿真处理，提高仿真算法的实用范围； ( 2 ) 能检验走刀过程中发生的碰撞、干涉和已加工表面是否符合精度要 求； ( 3 ) 合理的数据结构，方便于仿真切削过程以及表示在此过程中所形成的 零件； ( 4 ) 加工过程仿真应当生动、直观； ( 5 ) 尽可能减少仿真过程所占的内存空间和c p u 时间的消耗，以便在非高 档的硬件配置环境下也能正常工作； ( 6 ) 突出数控加工的特点，) r o t 过程仿真应尽可能模拟实际加工，表达准 确； ( 7 ) 在保证仿真精度的前提下，简化仿真算法，减少数据存储量。 对某一个仿真算法而言，很难同时满足上述多条要求。目前国内外有许多 学者，都在致力于这方面的研究，主要是采用工件逐步成型法模拟材料去除过 程，其基本方法可分为两类：基于造型的仿真方法和基于视坐标系的图象仿真 方法。其中，基于造型的加工过程仿真法具有比较高的表示精度，仿真结果能 和设计零件进行精确的精度检验，但这种方法比较耗费时间，而且受到造型系 统的造型可靠性的制约；基于视坐标系的加工过程图象仿真法能较快地、甚至 实时地仿真切削过程，但用这种方法进行仿真时，视向固定，要想察看仿真结 果的另一面，即改变视向，必须再从头丌始，而且仅限于三轴加工过程的仿真。 6 f 第2 章数控加i ：仿真软件系统的总体设计 在确定了仿真的对象为切削数控机床的情况下，通过比较上面几种算法， 本系统最终选择了基于视坐标系的图象仿真方法，来作为本系统的仿真算法。 这要求我们进行独立的软件开发，创建基于o p e n g l 的仿真环境。同时作为仿真 系统，这也将是相比于一般数控机床更有意义的控制平台。 2 2 仿真软件系统的总体结构设计 2 2 1 数控加工仿真系统的基本组成及功能分析 作为仿真软件系统的本体，数控机床加工系统由数控机床、刀具、工件和 夹具等几部分组成。数控加工的过程是数控机床在n c 代码的驱动下带动刀具对 使用夹具固定在工作台上的工件，进行切削加工的过程。简单的数控加工过程 仿真系统，就是对n c 代码驱动刀具加工工件的过程的仿真。要实现对数控加工 过程的仿真，就需要我们建立机床、刀具、工件的几何模型，在几何模型的基 础上建立数控机床的运动模型。 一般来说，数控加工仿真系统由两个模块组成：仿真环境模块和加工仿真 模块。其中，仿真环境模块由机床、工件、夹具、刀具库构成；加工仿真模块 则包括几何仿真和力学仿真两个部分h 3 。几何仿真是将刀具与零件视为刚体，不 考虑切削参数、切削力等其它物理因素的影响，只通过仿真刀具、工件几何体 的运动来验证n c 程序的正确性；而切削过程的力学仿真属于物理仿真的范畴， 它需要考虑精度分析等影响加工质量的因素，通过仿真切削过程的动态力学特 性来预测刀具磨损、刀具振动等现象，进行切削参数的控制，从而达到优化切 削过程的目的。 对于数控加工仿真系统，目前较流行的有四种实现方案： ( 1 ) 基于v c + + 和o p e n g l 技术的丌发： ( 2 ) 基于v c + + 与现有造型软件结合的开发； ( 3 ) 基于v r m l 技术的丌发： ( 4 ) 基于现有c a d c a m 软件的二次丌发。 7 第2 章数控加t 仿真软件系统的总体设计 其中第1 种方案和第2 种方案都需要进行代码的编写；第3 种方案的优点 是可以开发出基于网络的仿真系统，缺点是对于机床的加工仿真尚需大量的编 程工作，而且缺乏相应的技术基础；第4 种方案是对基于特征的通用机械c a d c a m 软件系统进行二次开发，提供功能强大的二次开发模块，例如u g 、p r o e n g i n e e r 、 c a t i a 等著名的大型c a d c a m 软件都提供了m sv c + + 的开发方法和接口， s o li d w o r k s 提供了基于c o m 和o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ，对象链 接与嵌入，简称o l e ) 技术的二次开发接口h 1 。如果能够采用以上软件系统作为 仿真系统的图形显示平台，那么我们就无须考虑环境光源、材质等影响真实感 的因素，从而可以大大降低编程的难度和强度；但是考虑到，这样编制完成的 仿真加工系统，我们研究所不具备自己独立的知识产权，而且对于典型的三轴 联动立式加工中心不具有针对性和通用性，所以这里我们选择的是第一种实现 方法，也就是说，我们是以w i n d o w s 系统作为操作平台，利用y i s u a lc + + 6 0 作为开发工具进行程序编制，利用基于o p e n g l 的计算机仿真和动画技术，模拟 实际设备加工环境及其工作状态，数控机床的模拟操作通过计算机屏幕上的仿 真操作面板进行，而零件的切削过程在机床仿真模型上三维动画演示，这不仅 可以应用于制造中对数控加工程序进行快速、准确的仿真，验证数控程序的可 靠性、防止干涉和碰撞等情况的发生，而且还可以用作数控操作技能的技术培 训。 2 2 _ 2 数控仿真系统的结构框架的设计 数控机床加工系统由数控机床、刀具、工件和央具组成。数控加工的过程 是数控机床在n c 代码的驱动下带动刀具对固定在工作台上的工件进行切削加工 的过程。 而数控加工仿真系统则是对n c 代码驱动刀具加工工件的过程的仿真。要实 现对数控加工过程的仿真，必须建立机床、刀具、工件的几何模型，在几何模 型的基础上建立数控机床的运动模型。 8 第2 章数控加一i ：仿真软件系统的总体 攻计 我们对本仿真系统的结构总体框图，作了如图2 1 所示的设定。 图2 1 仿真系统结构总体框图 图2 1 可知，该系统主要由数控加工仿真环境模块、n c 代码( n u m e r i a l c o n t r o lc o d e ) 分析与处理模块和加工过程仿真模块三大结构组成。在仿真环 境中，我们需要建立机床、刀具、工件等的几何模型，在几何模型的基础上建 立数控机床的运动模型；n c 代码检查器检查错误，并通过编译得出可执行数据， 从而得到刀具轨迹，以此来驱动加工过程；动画仿真是由n c 代码驱动仿真环境 的模型，实时地将加工过程的动画实现可视化，这也是整个系统的核心模块。 2 3 仿真软件系统的功能模块划分 为了验证数控程序的准确性，仿真模块的功能首先必须能够访问并读取数 控加工程序文件的内容；数控加工程序的编制必须符合相应数控机床的指令格 式规定；仿真模块的第二个功能是将文件内容翻译成刀位轨迹的数据信息以便 于计算机处理，仿真模块得到刀位轨迹的数据信息后，必须处理这些信息，将 它们转化成绘图所需的图形信息；仿真模块的第三个功能是将数据信息转化成 图形信息：第四个功能是根据这些图形信息，绘制出相应的图形：并且将图形 动态地显示给用户，方便工艺人员检查数控程序的f 确性；仿真模块的第五个 9 第2 章数控加工仿真软件系统的总体设计 功能是满足从程序到图形之间的可视化对应。同时仿真模块在设计时应方便扩 展，能够根据用户的需要进行功能扩充。 2 3 1 数控加工仿真的工作过程 在竺竺竺工竺三量统譬滩竺竺枷揪l 吣艮雩躺私擞 控加工仿真的工作过程，如图2 2 所示。 n 图2 2 数控加工仿真的工作过程 从图2 2 可以看出，数控加工仿真的过程如下：首先，从计算机读取或者 人工编写数控加工程序，然后由计算机利用仿真程序对n c 代码进行翻译、处理 与计算，在代码通过翻译及检查之后，将有关信息处理成计算机绘图的有关数 据，再利用计算机的绘图功能和动画技术，在屏幕上形象模拟数控机床加工零 件的过程。若屏幕上的图形与被加工零件不符，则说明数控加工程序编制有误， 返回修改，直到正确为止。 2 3 2 仿真系统的功能模块划分 本数控加工仿真系统的主要功能为：仿真环境功能、n c 代码处理和加工过 程模拟仿真。仿真系统功能结构图如图2 3 所示。 1 0 第2 章数控d 1 1 ：1 ：仿真软件系统的总体设计 图2 3 仿真系统功能结构 ( 1 ) 仿真环境功能，即数控加工虚拟环境的建模。 这里我们将采用基于三维实体建模技术o p e n g l 的方法，将数控加工系统映 射到计算机仿真模型中，构建数控d n - r 的可视化仿真环境，实现了毛坯、刀具、 央具及机床的仿真建模。 虚拟环境建立之后，我们需要对加工环境进行一定的设置，即通过加工环 境设置对数控加工系统( 包括机床、工件、刀具、夹具等) 的特征参数进行配 置，包括机床设置、工件设置、刀具设置、刀柄设置和夹具设置。上述部件的 特征参数都是可变的，以适应不同的加工环境。以普通圆柱铣刀为例，刀具描 述包括刀具号、刀具类型、刀具直径、刀具长度、刀具补偿等特征参数。 ( 2 ) n c 代码处理模块，主要包括n c 程序的管理，n c 代码处理。 ( a ) n c 程序的管理 用来实现对n c 程序文件的编辑与存储。n c 文件可以在编辑界面上直接由手 工编写，或者从计算机中直接读耿文件；用户可以在n c 程序编辑窗口中方便地 对n c 程序进行修改，从而增强了系统的适应性。 l l 第2 章数控加t 仿真软件系统的总体设计 ( b ) n c 代码处理，其作用是对n c 程序进行检查纠错，然后把n c 代码转换 为数控加工仿真系统能够识别的仿真系统刀位文件，并提取加工过程仿真中的 有用信息，将其转换成驱动仿真模型动作的数据( 我们将其称为三维仿真空间 刀具运动轨迹) ，为后面的数控加工过程的动态仿真作好准备。 n c 代码的处理过程包括3 个阶段：n c 代码检错、n c 代码翻译处理、刀心轨 迹计算。如图2 4 所示。 n n c 代码检错 n c 代码翻译 刀心轨迹计算 图2 4n c 代码处理过程 第一阶段，n c 代码检错：任何未经检验的n c 代码都有可能包含错误，包括： n c 程序的语法和词法错误、非法代码的使用、切削参数选择错误、刀具选择错 误以及刀具路径错误等，其中前两项错误主要在人工编写时出现。图2 - 4 中n c 代码检错主要检验前3 个方面的错误。 第二阶段，n c 代码翻译：在n c 程序经检验无错的情况下，提取加工过程 仿真中的有用信息，并将其转换成驱动仿真模型动作的数据，即三维仿真空间 刀具运动轨迹，从而为数控加工过程的动态仿真作好准备。 第三阶段，刀心轨迹计算：即进行刀心运动轨迹或刀位点运动轨迹的计算。 对于旋转型刀具，刀位点的选择一律应使刀位点位于刀具轴心线的某一确定的 位置上。如平底铣刀，选择刀底中心为刀位点，对于球型立铣刀则可采用球心 作为刀位点。由于目前数控系统基本都具备了刀具补偿功能，一般进行n c 编程 时是按照工件的被加工轮廓进行编程。、在实际n c 加工时，数控系统按事先给定 的刀具补偿值进行刀心轨迹计算，然后发出指令使刀具按刀心轨迹运动。在进 行n c 加工仿真时，根据刀具补偿值计算刀心轨迹这个工作需要由计算机自身完 成，刀心轨迹计算将完成这方面的工作。 ( 3 ) 加工过程模拟仿真模块 1 2 第2 章数控加。1 ：仿真软件系统的总体设计 加工过程仿真模块包括模型运动仿真模块和去除材料仿真模块，其工作过 程为：首先由模型运动仿真模块根据n c 代码编译模块所产生的仿真系统刀位文 件，对数控机床模型中各运动部件的运动进行模拟，刀具的运动也通过齐次坐 标变换实现，从而实现刀具和工件之间的相对运动；然后由材料去除仿真模块 根据刀具和工件之间的相对运动，将刀具与工件进行布尔差运算来实现材料去 除过程仿真。在切削过程动态仿真的同时，实时地检验刀具与工作台、夹具、 零件的碰撞干涉情况，如果出现干涉或碰撞，则给出报警信息和标志，便于用 户检查和修改错误。 2 4 本章小结 本章主要说明了数控力n - t _ 仿真软件在设计时，应该遵循的设计原则和仿真 算法，然后提出了本仿真系统的总体结构框架，并在结构框架的基础上，提出 了系统的功能模块的组成。这对于整个仿真系统的设计起到了重要的方向引导 作用。 第3 章加t 环境仿真模块的建立 第3 章加工环境仿真模块的开发 加工环境仿真模块主要包括机床模型、毛坯模型、刀具模型、夹具模型等， 这些模型在n c 代码驱动下相互协同工作，完成加工的仿真。根据有效、简化的 原则，这些几何模型可以认为是由一些零件装配而成，运动模型则是建立在装 配模型基础上。在这里我们需要0 p e n g l 和v is u a lc + + 6 0 来建立模型，从而 建立符合功能要求的加工环境仿真模块。 3 1o p e n g l 概述 科学可视化、计算机动画和虚拟现实是近年来的热门话题，而这些热门话 题中的核心技术就是三维真实感图形显示。当i j 三维图形显示在各个领域内都 有广泛的应用。0 p e n g l 被认为是高性能图形和交互式视景处理的标准，是目前 比较完善的三维图形标准。 一、o p e n g l 的认识与理解 0 p e n g l ( 0 p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 是一种图形与硬件的接口，被认为是高 性能图形和交互式视景处理的标准，它由几百个指令或函数组成，是一个三维 的图形和模型库。它本身是一个与硬件无关的编程接口，提供了诸如基本图元 绘制、变换矩阵、着色模式、光照、反走样等方法来控制三维图形的绘制，可 以在不同的硬件平台上得到实现，绘制出具有优秀性能的三维真实感图形哺1 。特 别是v i s u mc + + 等集成开发环境的出现，提供了0 p e n g l 的静态库，使得在计算 机上用0 p e n g l 实现高品质、交互式的三维图形更加方便，在c a d c a m 等需要高 级三维对象可视化和图形绘制的领域被广泛应用。 0 p e n g l 不是像c 或c + + 那样的编程语言，而是一种a p i ( h p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，应用程序编程接口) ，即我们常说的3 da p i ，它是3 d 加速卡硬件和3 d 图形应用程序之间一座非常重要的沟通桥梁。也可以说，0 p e n g l 是一个功能强大，调用方便的底层3 d 图形库。 1 4 第3 章加r ：环境仿真模块的建立 o p e n g l 作为一个性能优越的图形应用程序设计界面( a p i ) 而适合于广泛的 计算环境，从个人计算机到土作站和超级计算机，o p e n g l 都能实现高性能的三 维图形功能。由于许多在计算机界具有领导地位的计算机公司纷纷采用o p e n g l 作为三维图形应用程序设计界面，并且它具有广泛的移植性，因此o p e n g l 已成 为目前广为流行的三维图形开发标准，是从事三维图形开发工作的技术人员所 必须掌握的开发工具。 o p e n g l 并没有提供三维模型的高级命令，它也是通过基本的几何图元( 点、 线及多边形等) 来建立三维模型的。目前，有许多优秀的三维图形软件( 如3 d m a x ) 可以较方便地建立物体模型，但又难以对建立的模型进行控制，若把这些模型 转化为o p e n g l 程序，则可随心所欲地控制这些模型来制作三维动画，实现仿真 数据的可视化和虚拟现实。 二、o p e n g l 的功能 o p e n g l 对软硬件的要求并不高，事实上由于采用了o p e n g l 技术，大大降低 了开发高质量图形软件对软、硬件的依赖程度。 当我们说某个程序是基于o p e n g l 的或者说它是个o p e n g l 程序时，意思是 说它是用某种编程语言如c 或c + + 编写的，其中调用了一个或多个o p e n g l 库函 数。o p e n g l 具有如下功能： ( 1 ) 建模：o p e n g l 图形库除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外， 还提供了复杂的三维物体( 球、锥、多面体、茶壶等) 以及复杂曲线和曲面( 如 b e z i e r 、n u r b s 等曲线或曲面) 绘制函数。 ( 2 ) 变换：o p e n g l 图形库的变换包括基本变换和投影变换。基本变换有 平移、旋转、变比和镜像四种变换，投影变换有平行投影( 又称j 下射投影) 和 透视投影两种变换。 ( 3 ) 颜色模式设置：o p e n g l 颜色模式有两种，即r g b a 模式和颜色索引 ( c o l o ri n d e x ) 。 ( 4 ) 光照和材质设置：o p e n g l 光有辐射光( e m it t e dl i g h t ) 、环境光 1 5 第3 章加t 环境仿真模块的建立 ( a m b i e n tl i g h t ) 、漫反射光( d i f f u s el i g h t ) 和镜面光( s p e c u l a rl i g h t ) 。 材质是用光反射率来表示。场景( s c e n e ) 中物体最终反映到人眼的颜色是光的 红绿蓝分量与材质红绿蓝分量的反射率相乘后形成的颜色。 ( 5 ) 纹理映射( t e x t u r em a p p i n g ) - 利用o p e n g l 纹理映射功能可以十分 逼真地表达物体表面细节。 ( 6 ) 位图显示和图象增强：图象功能除了基本的拷贝和象素读写外，还 提供融合( b l e n d i n g ) 、反走样( a n t i a l i a s i n g ) 和雾( f o g ) 的特殊图象效果 处理。以上三条可是被仿真物更具真实感，增强图形显示的效果。 ( 7 ) 双缓存( d o u b l eb u f f e r i n g ) 动画：双缓存即前台缓存和后台缓存， 简而言之，后台缓存计算场景、生成画面，前台缓存显示后台缓存已画好的画 面。 此外，利用o p e n g l 还能实现深度暗示( d e p t hc u e ) 、运动模糊( m o t i o nb l u r