三维虚拟加工环境及其关键技术的研究.pdf

第 13 卷 第 10 期2001 年 10 月计算机辅助设计与图形学学报JOU RNAL O F COM PU T ER2A ID ED D ES IGN & COM PU T ER GRA PH ICSV o l. 13,N o. 10O ct. , 2001三维虚拟加工环境及其关键技术的研究沈春龙张友良(南京理工大学 C IM S 研究所南京 210094)摘 要 在分析虚拟制造特点的基础上 , 提出了三维可视化虚拟加工环境的系统结构 , 介绍了支持三维建模仿真的组件设计、基于装配模型的三维实体建模方法、 N C 代码解析器的设计方案以及基于毛坯表面三角片离散化的加工过程仿真算法 , 并开发了虚拟加工环境原型系统 . 该系统能够实时地反映零件虚拟原型的加工成形过程仿真 , 并进行可加工性分析 .关键词 虚拟制造 , 虚拟加工环境 , 数控代码 , 加工过程仿真中图法分类号 T P391Research on 3D V irtua l M ach in ing Env ironm en t and Key TechnologySH EN Chun2L ong ZHAN G You2L iang(Institu te of C IM S , N anj ing U niversity of S cience and T echnology , N anj ing 210094)Abstract A system arch itectu re of 3D virtualm ach in ing environm en t is p resen ted based on theanalysis of characteristics of virtual m anufactu ring. Its m ain con stituen ts include: com ponen t de2sign suppo rting 3D m odeling and sim u lation, m odeling of virtual m ach in ing cen ter based on itsassem b ly m odel, N C code parser and sim u lation of m ach in ing p rocess based on triangu lar facetedm odel of w o rk2p iece. D etails of their im p lem en tation are illu strated. T he p ro to type system of vir2tual m ach in ing environm en t has been developed to realize the in tegrated sim u lation of m ach in ingp rocess of w o rk2p iece and to analyze the m ach inab ility of virtual p ro to type part.Key words virtual m anufactu ring, virtual m ach in ing environm en t, N C code, m ach in ing p rocesssim u lation原稿收到日期 : 2000207212; 修改稿收到日期 : 2000211228. 本课题得到国防预研基金 (18. 4. 2. 1) 和香港科技学院“虚拟制造”项目资助 .沈春龙 , 男 , 1970 年生 , 博士研究生 , 主要研究方向为 CAD CAM、虚拟制造环境等 . 张友良 , 男 , 1941 年生 , 教授 , 博士生导师 , 主要研究方向为先进制造技术、虚拟制造等 .1引言虚拟制造作为敏捷制造的一种使能技术 , 一直受到工业界和学术界的广泛关注 . 虚拟制造通过对现实制造环境的对象和活动进行建模与仿真 , 在计算机构造的虚拟环境中 , 及时、并行地模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响 , 以缩短产品的开发周期 , 使产品迅速占领市场 1 . 目前 , 国内关于虚拟制造的研究 , 大多尚停留在系统框架和总体技术的研究层次上 , 而对于实质性的面向应用的关键技术的研究则相对较少 2 .本文从虚拟产品的可加工性角度出发 , 对虚拟加工环境的结构及其关键技术进行了研究 , 并开发了一个三维虚拟加工环境原型系统 , 其中的设备单元为一个虚拟车削加工中心和一个虚拟铣削加工中心 . 系统在 N C 代码或刀位文件的驱动下运行时 , 在加工过程中可连续不断地改变视角 , 以观察加工过 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 程中加工中心的部件运动、零件和型腔的成型过程 .该原型系统的仿真效果具有真实感强 , 实时性好的优点 , 可用于对设计的产品虚拟原型进行可加工性验证和加工误差分析 . 本文重点介绍三维虚拟加工环境的系统结构和开发过程中的关键技术 .2虚拟加工环境的系统结构及其特点虚拟加工环境是实际的加工系统在不消耗能源和资源的计算机虚拟环境中的完全映射 , 其必须与实际加工系统具有功能和行为上的一致性 324 . 在一个虚拟加工环境中 , 主要包括虚拟加工设备模型、毛坯模型、刀具模型、夹具模型、 N C 代码解析模块、加工过程仿真模块等 . 这些模型和模块在 N C 代码驱动下相互协同工作 , 完成毛坯的加工成型 . 系统的三维图形绘制是由基于 OpenGL 的组件“ 3DV S”来实现的 , 整个虚拟加工环境的总体结构如图 1 所示 .三维虚拟加工环境相对于二维仿真更具直观性 , 可以全方位地观察整个加工过程 , 能够更客观地反映实际加工情况 , 但其存在开发难度大、运算工作量大、信息存储量大及处理过程复杂等缺点 . 零件、夹具、刀具库、加工中心等均需进行三维几何造型 ,建模比较复杂 , 特别是加工中心 , 既要保证模型具有结构和功能的相似性 , 又要保证加工过程中部件间运动行为的一致性 . 其主要问题有以下几个方面 :(1) 由于不同数控系统扩展标准的不一致性、功能与地址码非一一对应性 , 以及地址码与数值组合的灵活性 , 给刀位轨迹的数据提取带来了极大的困难 .(2) 加工过程是一个动态过程 , 且往往是连续加工 , 进行动态连续过程描述的难度较大 .(3) 在由毛坯加工成零件的过程中 , 其形状和尺寸会随工序而变化 , 在加工过程动画显示的实时性和图形真实感方面 , 难度较大 .下面对虚拟加工环境开发过程中的关键技术进行论述 .3 基于装配关系的虚拟铣削加工中心的建模虚拟加工环境中的实体模型包括虚拟加工设备模型、夹具模型、刀具模型以及其它制造资源和环境物的仿真模型 . 在虚拟加工之前 , 需要定义这些模型 . 本文以虚拟铣削加工中心为例来说明实体的建模方法 , 其余仿真模型则相对比较简单 .由于虚拟立式铣削加工中心是立式铣削加工中心在虚拟环境中的映射 , 其模型在组成结构上应满足与现实加工中心具有一定的可比性 . 为了简化建模过程和节约计算资源 , 模型只要能表达出加工中心的形状特征和功能特征即可 , 一些与仿真过程无关的部件可以不予考虑 . 如加工中心的液压系统、电气系统、保护罩、排屑系统、冷却系统等 .由于数控加工中心的几何模型是一个装配体 ,运动模型是建立在装配模型基础上的 , 装配模型中定义了各零部件之间的相对位置和装配层次关系 ,它反映了部件间的相互约束关系 . 约束关系主要包括几何关系和运动关系 . 几何关系主要描述零部件以及部件间的几何元素 (点、线、面 ) 之间的相互关系 ; 运动关系是描述零部件之间存在的相对运动 , 称为运动链接关系 , 其是保证运动模型的建立和零部件运动过程仿真的重要前提 , 因此 , 运动链接关系必须在加工中心的模型描述和数据组织之前考虑 . 在铣削加工中心中存在运动链接关系的部件有 : 床身与 X 向导轨 , X 向导轨与 Y 向导轨 , Y 向导轨与工件 , 立柱与刀架 , 刀架与刀库 , 主轴箱与刀具之间等等 . 这种层次链接关系 (h ierarch ical linkage) 是由部件层次树来描述的 , 如图 2 的加工中心装配层所示 ,19810 期 沈春龙等 : 三维虚拟加工环境及其关键技术的研究 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 加工中心的部件装配关系也是以此为依据的 . 因此 ,模型的相应数据结构描述包括两方面的内容 , 一是用来存储加工中心零部件间的装配关系 ; 二是描述各零部件几何模型的几何信息和拓扑信息 .加工中心作为一个设计产品 , 其几何模型可以通过三个层次的聚类关系来描述 , 即加工中心装配层、部件装配层和零件构造层 . 加工中心的装配正是基于这三层结构树的 . 加工中心的几何模型用三层结构树来描述 , 如图 2 所示 , 高层为加工中心装配树 , 中间层为部件装配树 , 底层为零件构造树 . 这种层次结构能够实现加工中心的零部件重构和属性修改 , 同时将装配关系和运动链接关系统一在几何模型中 , 便于加工中心模型仿真过程的描述和三维图形显示 .加工中心模型的三维图形生成基于我们设计的“ 3DV S”组件 , 该组件是基于 OpenGL 的可重用的动态链接库 , 其包含 OpenGL 的基本功能 , 并提供一些基本体素 (voxel) 级的图元 (p rim itive) 生成 , 如球体、长方体、圆柱体、圆环体、棱柱体等 , 还能根据拓扑对象 (点、线、面 ) 构造一些不规则体素 . 本文采用 CSG 方法来进行加工中心的三维实体造型 . 整个数控加工中心由部件组装而成 , 部件由零件装配而来 , 零件的造型由体素通过布尔运算 (并、或、差 ) 来实现 .4虚拟铣削加工中心的运动模型铣削加工中心的运动是由数控代码或刀位文件来驱动的 , 其运动的零部件之间存在明显的主从关系 , 部件间的运动关系是典型的正向运动 (fo rw ardk inem atics) , 即主部件的运动影响从部件的空间位置变化 , 而从部件的运动不会影响主部件的空间位置变化 . 在图 2 所示的加工中心装配层中 , 上层部件相对于下层部件为主部件 , 下层部件相对于上层部件为从部件 , 因此 , 整个加工中心某一时刻的运动状态是各层零部件运动合成的结果 .加工中心运动模型的建立是实现加工过程运动仿真的关键 . 加工中心运动模型涉及三个坐标系 : 世界坐标系、参考坐标系 (运动坐标系 ) 和局部坐标系(静坐标系 ). 世界坐标系决定了整个加工中心的空间位置 , 它在窗口中的位置和姿态的变化取决于视点和坐标原点的变化 , 分别由视点变换矩阵 VW 和窗口投影变换矩阵 SW 表示 ; 参考坐标系定义了被研究的零部件在运动时的参考坐标系 , 加工中心零部件的运动可分解成参考坐标系下的直线运动和旋转运动 ; 局部坐标系固连在加工中心运动的零部件上 , 它反映零部件在参考坐标系下的位置和方向 . 这三个坐标系是求解加工中心的仿真过程中各部件在世界坐标系下位置的有效手段 .对加工中心而言 , 世界坐标系的原点通常建立在加工中心的床身基座上 , 采用笛卡尔坐标系 ; 局部坐标系的原点建立在运动部件上 , 坐标轴的方向与世界坐标系的方向一致 ; 参考坐标系是描述零部件运动关系时引进的坐标系 , 它实际是以被研究零部件作为从部件的主部件的局部坐标系 .现以运动链中的部件 i 为研究对象来说明零部件的运动合成 , 约定部件 (i- 1) 为部件 i 的主部件 ,部件 ( i+ 1) 为部件 i 的从部件 , 部件 0 为运动链的起始部件 , 其上固连着世界坐标系 X 0Y 0Z 0. 因此 , 部件 i 的位置可用局部坐标系 X iY iZ i 的坐标原点 O i在世界坐标系 X 0Y 0Z 0 下的坐标值描述 , 部件 i 的姿态可用局部坐标系 X iY iZ i 的单位向量 ii, j i, k i 在X 0Y 0Z 0 坐标下的坐标描述 .整个运动链的正向运动过程是通过齐次坐标变换来实现的 , 为了描述方便 , 记局部坐标系 X iY iZ i到参考坐标系 X i- 1Y i- 1Z i- 1的齐次坐标变换矩阵为A i (i- 1) , 部件 i 在局部坐标系下的运动矩阵为 B i. B i矩阵由平移和旋转运动合成而来 , 可表示为B i= C im C irx C iry C irz.其中 , 矩阵 C im 指部件在 X i, Y i, Z i 方向上分别平移T ix , T iy , T iz; 矩阵 C irx是指部件绕 X 轴旋转 A角 ; 矩阵 C iry是指部件绕 Y 轴旋转 B角 ; 矩阵 C irz是指部件绕 Z 轴旋转 C角 .因此 , 部件 i 在参考坐标系下的运动形式可用矩阵变换 T i (i- 1) = A i (i- 1) B i 表示 . 部件 i 的运动在世界坐标系下的总变换矩阵 T i0可以从 T i (i- 1) 开始 ,沿运动链回溯到基准为世界坐标系为止 , 将所有各层的部件运动矩阵相乘便得到了该部件的变换矩阵 , 可表示为T i0= T10 T21 T i (i- 1).相应的部件 i 的每一步运动和位置变化都可根据T i0求其在世界坐标系中的位置 . 这样 , 加工中心上隶属于部件 i 上的任一点 P , 在窗口坐标系下的位置为 P = P T i0 VW SW , 其中 , VW 为视点变换矩阵 , SW 为窗口投影变换矩阵 .在系统实现中 , 每一种加工单元设备的模型均以可重用的类来描述 . 在加工仿真时 , 基类实例化为298 计算机辅助设计与图形学学报 2001 年 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 三维图形 , 如图 3 所示 . 这种方法保证了虚拟加工环境的可扩展性和可重用性 .5 NC 代码解析模块5. 1 NC 代码解析的特点及 NC 代码解析器的解决方案N C 代码是驱动整个加工环境运作的执行依据 , 但很少直接通过 N C 代码来驱动仿真加工过程 ,一般采用将 N C 代码解析成表征加工中心运动部件和刀具轨迹的内部数据 , 并用相应的数据结构来记录这些数据 .N C 代码解析的难点在于 , 对不同的数控系统而言 , 虽然大部分系统依据 ISO 标准 , 但一般都有功能扩展 , 如果对每个系统都设计一个解析模块 , 运行时再切入相应的模块 , 就显得太冗余 , 太繁琐 . 一种较好的解决方案是建立两个知识库 (KB ) , 一个通用知识库 (GKB ) 记录和识别标准功能 N C 代码规则 , 一个专用知识库 (SKB ) 记录和识别不同数控系统扩展的功能 N C 代码规则 . 该方法的优点是解析器具有开放性 , 同时维护比较方便 , 在对 N C 代码进行解析之前 , 必须对数控系统的类型进行配置 .5. 2 NC 代码解析器的结构与实现方法N C 代码解析器的结构如图 4 所示 . 预处理模块的主要功能是使 N C 代码格式规范化 , 如统一地址符和数值之间的空格数 , 去除手工编程时产生的T ab 字符 , 为后续的分析做准备等 . 词法分析和语法检查是按照指定数控系统的编程规定和有关数控加工的知识 , 对 N C 代码进行语法和词法检查 . 其必须以两个规则库为依托 , 规则形式是典型的 if (条件 )T hen (规则结构 ) , 如果有错误 , 则将错误和 N C 代码同时显示出来 , 以便修改 . 在通过词法和语法分析检查后 , 进入解析阶段 . 解析模块的功能是从 N C 代码中提取控制加工中心部件运动的有关命令动作、状态信息以及刀位轨迹 , 将运动 (直线和圆弧 ) 数据按照位移和速度的变化划分成一系列的时间片段 ,计算出各时间片段的加工中心的各部件坐标的位移 , 从而驱动加工中心模型的运动及刀具切削毛坯的加工成型过程 .代码解析的具体实现方法如下 : 首先建立两个结构体变量来记录加工中心的状态 (主轴转速 S , 进刀深度 F , 切削刀具 T 等 ) 和刀具运动形式 . 前一个变量记录上一句 N C 代码经解析所获得的加工中心的状态和刀具运动形式 , 后一个变量记录当前 N C代码解析所获得的加工中心的状态和刀具运动形式 . 词法分析将 N C 程序的地址码及其后的数据分离出来 , 并检查地址字符是否在本系统的 N C 代码集内 , 发现异常代码则进行出错显示处理 ; 同时 , 供用户编辑修改 N C 代码 ; 然后 , 根据代码类型调用与此代码相关的规则进行语法检查 , 提取数值并保存在结构体变量的代码功能所对应的项内 ; 最后 , 根据两个变量的值来决定刀具的运动轨迹 . 该方法能够解决特定数控系统 N C 代码的解析问题 .6加工过程仿真模块加工过程仿真模块是整个虚拟加工环境的核心 , 一直是研究的热点 . 其研究的内容主要集中在三维仿真过程的算法效率和数据结构表示 , 以及仿真过程的实时性和图形的真实感效果方面 . 目前 , 仿真算法主要集中在视向离散法和 Z2buffer 方法 , 一般的数据结构采用八叉树或扩展的八叉树 , 其显著的缺点是在仿真加工过程中无法改变用户的视角 , 不能全方位地观察到整个加工过程 . 如果用户想改变视角 , 则需要重新运行加工过程仿真 , 其原因为上述两种算法都是基于起始视角计算的 5 .本文提出与起始视角无关的、基于毛坯表面三角片的离散方法 , 该方法已在毛坯车削成型和毛坯39810 期 沈春龙等 : 三维虚拟加工环境及其关键技术的研究 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 三轴铣削成型仿真中得到了应用 . 相对于上述两种方 法而言 , 其具有加工仿真过程连续、视角可变、数据描述计算简单、实时性强等特点 .该算法基于以下假设 : 铣削加工毛坯 (一般为长方体 ) 的上表面是加工表面 ; 车削毛坯 (一般为棒状圆柱体 )的内外表面为加工表面 ; 平行于刀轴的一条直线对铣削加工毛坯的上表面的交点有且仅有一个 ; 加工零件的表面形状是由加工过程中毛坯表面上每点的不同坐标值来表征的 . 该算法的步骤如下 :Step1. 根据应用需要 , 设定毛坯和刀具加工的离散化精度 .Step2. 将毛坯待加工表面离散为均匀点阵 , 并将这些点阵连接为三角面片 ; 同时 , 将由刀具切削表面运动构成的包络面沿刀具进给方向也离散为与毛坯表面等间距的均匀点阵 .Step3. 加工仿真时 , 刀具包络面沿刀具路径扫过毛坯表面时 , 刀具包络面离散化点的坐标不断与毛坯待加工表面点的坐标进行比较 ; 如果 Z 刀具 Z 毛坯 , 则修改毛坯表面与刀具包络面相交点的坐标 , 以刀具包络面离散化点的坐标来代替毛坯的坐标 ; 若 Z 刀具 Z 毛坯 , 则不产生切削效果 .Step4. 重新计算加工表面坐标修改点与其相邻点组成三角面片的法向量、三角面片的明暗度 , 再进行局部加工区域的三维真实感图形刷新和渲染 , 就可以达到实时显示加工过程的效果 .需要说明的是 , 为了提高加工过程的真实感 , 可进一步提高待加工表面的三角面片划分的数目 , 但是三角面片数随精度的提高呈几何级数增长 , 相应的存储资源和计算资源消耗也大大提高 . 利用种子算法求解三角面片内的象素点的明暗度 , 导致资源的更大消耗 . 虽然从理论上提高了真实感 , 但实际表明 , 视觉效果的提高不明显 .从总体上看 , 用八叉树描述毛坯和用离散化体素描述毛坯的方法相比 , 由于该方法描述和处理域面的减少 , 大大地减少了数据存储空间 , 节省了内存容量和计算资源 ; 对铣削毛坯而言 , 只需记录离散化点的序列和 Z 向坐标值 ; 对车削毛坯而言 , 只需记录离散化点的序列和 X , Z 向坐标值 , 同时将三维体素的布尔运算转化为一维的数值比较运算 , 使计算简单化 . 该方法还可以对加工零件表面点的坐标值进行统计 , 计算加工零件的表面粗糙度和分析加工误差 . 图 5 为车削加工的齿轮轴 , 图 6 为铣削加工的型腔的放大显示 . 从加工的显示效果看 , 加工完成后的图形真实感非常强 , 质感非常明显 , 球头刀的加工残痕非常清晰 .7结论本文基于以上关键技术 , 建立了一个虚拟的三维加工环境 , 该系统由 N C 代码驱动 , 在毛坯随加工中心的加工成形过程中 , 用户可以全方位地观察加工过程中的碰撞 (干涉 )以及毛坯的过切和欠切等情况 , 可以评价零件虚拟原型的可加工性和可制造性 ,还可以供培训和教学使用 . 该原型系统在微机的虚拟加工环境仿真中具有一定的先进性 , 有实用价值 .参 考 文 献1 Fum ih iko Kim ura. P roduct and p rocess modeling as a kernel fo rvirtual m anufacturing environm ent. A nnals of the C IRP, 1993,42 (1) : 147- 1502 X iao T ian2Yuan, H