机械电子工程硕士论文-基于OpenGL的数控车床加工仿真系统研究与分析.pdf

华北电力大学（保定） 硕士学位论文 基于opengl的数控车床加工仿真系统研究与分析 姓名：焦梓实 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：张文建 20071220 华北电力大学硕十学位论文摘要 摘要 虚拟数控技术是2 0 世纪9 0 年代中后期随着虚拟制造技术的发展而提出的一个新的 研究领域，它是虚拟制造的支撑技术之一。虚拟数控技术所具有的巨大经济效益及广阔 的应用前景，使其正r 益成为国内外研究的热点之一。 本文是在0 p e n g l ( 即：o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 的基础上，在w i n d o w sx p p r o f e s s i o n a l 的系统坏境下，以v i s u a lc + + 6 0 为丌发工具，建立了三维车削仿真系统 模型，实现了车削系统对n c 代码识别验证及在加工时碰撞检验，并对数控车削物理仿 真的切削力做了探讨。 关键字：o p e n g l ，数控仿真，碰撞检测 a b s t r a c t t h ev i r t u a ln ct e c h n o l o g y ，w h i c hw a sp u tf o r w a r di ni9 9 0 s ，i san e wr e s e a r c h f i e l dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fv i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ( v m ) ，i t so n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e so fv m t h ev i r t u a ln ct e c h n o l o g yh a se n o r m o u se c o n o m i cb e n e f i t s a n dw i d e s ta p p l i c a t i o no u t l o o k ，s oi t sg r a d u a l l yb e c o m i n gar e s e a r c hf o c u si nt h e w o r l d t h ea r t i c l ei sb a s e do no p e n g l ( o p e ng r a p h i c s l i b r a r y ) a n di n t h e e n v i r o n m e n to fw i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l ，d e v e l o p e dw i t hv i s u a lc + + 6 0 ，b u i l tu p n cl a t h ep r o c e s s i n ge m u l a t i o nm o d e l ，a c c o m p l i s h e dt h es y s t e m r e a d i n ga n de x a m i n i n gn c c o d e s ，a n di n s p e c t i n gc o l l i s i o ni np r o c e s s i n g t h ea r t i c l ea l s op r o b e si n t oc u t t i n gf o r c ei nn c l a t h ep h y s i c se m u l a t i o n j i a oz i s h i ( m a c h i n e r ya n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gw e n ji a n k e y w o r d s ：o p e n g l ，n ce m u l a t i o n ，c o l l i s i o ni n s p e c t i n g 华北电力大学硕十学位论文摘要 摘要 虚拟数控技术是2 0 世纪9 0 年代中后期随着虚拟制造技术的发展而提出的一个新的 研究领域，它是虚拟制造的支撑技术之一。虚拟数控技术所具有的巨大经济效益及广阔 的应用前景，使其正r 益成为国内外研究的热点之一。 本文是在0 p e n g l ( 即：o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 的基础上，在w i n d o w sx p p r o f e s s i o n a l 的系统坏境下，以v i s u a lc + + 6 0 为丌发工具，建立了三维车削仿真系统 模型，实现了车削系统对n c 代码识别验证及在加工时碰撞检验，并对数控车削物理仿 真的切削力做了探讨。 关键字：o p e n g l ，数控仿真，碰撞检测 a b s t r a c t t h ev i r t u a ln ct e c h n o l o g y ，w h i c hw a sp u tf o r w a r di n19 9 0 s ，i san e wr e s e a r c h f i e l dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fv i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ( v m ) ，i t so n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e so fv m t h ev i r t u a ln ct e c h n o l o g yh a se n o r m o u se c o n o m i cb e n e f i t s a n dw i d e s ta p p l i c a t i o no u t l o o k ，s oi t sg r a d u a l l yb e c o m i n gar e s e a r c hf o c u si nt h e w o r l d t h ea r t i c l ei sb a s e do n o p e n g l ( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) a n di n t h e e n v i r o n m e n to fw i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l ，d e v e l o p e dw i t hv i s u a lc + + 6 0 ，b u i l tu p n cl a t h ep r o c e s s i n ge m u l a t i o nm o d e l ，a c c o m p l i s h e dt h es y s t e m r e a d i n ga n de x a m i n i n gn c c o d e s ，a n di n s p e c t i n gc o l l i s i o ni np r o c e s s i n g t h ea r t i c l ea l s op r o b e si n t oc u t t i n gf o r c ei nn c l a t h ep h y s i c se m u l a t i o n j i a oz i s h i ( m a c h i n e r ya n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gw e n ji a n k e y w o r d s ：o p e n g l ，n ce m u l a t i o n ，c o l l i s i o ni n s p e c t i n g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于o p e n g l 的数控车床加工仿真系 统研究与分析，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盔盈 日期：妒勿 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：丝数 日 期：巡! ! ：竺 导师签名： 日 期： 0 8 i t0 华北电力人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 虚拟制造技术的概念及其发展状况 在经济全球化、贸易自由化和社会信息化的新形势下，世界市场由过去传统的 相对稳定逐步演变成动态多变的特征，由过去的局部竞争演变成全球范围内的竞 争；同行业之间、跨行业之间的相互渗透、相互竞争闩益激烈，因此，制造业的经 营战略发生了很大变化，t q c s 成为现代制造企业适应市场需求、提高竞争力的关键 因素，即以最快的上市速度( t - t i m et om a r k e t ) 、最好的质量( q o u a l i t y ) 、最低 的成本( c - c o s t ) 、最优的服务( s - s e r v i c e ) 来满足不同顾客的需求。 与此同时，信息技术取得了迅速发展，特别是计算机技术、计算机网络技术、 信息处理技术等取得了人们意想不到的进步。进入九十年代以来，技术更新的速度 明显加快，新兴知识转化成尘产力推动力量的时间间隔越来越短。如何利用新技术 所提供的机遇，抓住用户需求，以最短的时间丌发出用户能够接受的产品，已成为 市场竞争的焦点。 多年来的实践证明，将信息技术应用于制造业，进行传统制造业的改造，是现 代制造业发展的必由之路。自7 0 年代以来，c a d 技术是众多计算机应用技术中推广 应用最为深入和最为广泛的专业应用领域之一，特别在制造业中的影响力更为突 出。8 0 年代初，以信息集成为核心的计算机集成制造系统( c i m s ，c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 丌始得到实施；8 0 年代术，以过程集成为核 心的并行工程( c e ，c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 技术进一步提高了制造水平；进入 9 0 年代，先进制造技术迸一步向更高水平发展，出现了虚拟制造( v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ) 、精益生产( l p ，l e a np r o d u c t i o n ) 、敏捷制造( a m ，a g il e m a n u f a c t u r i n g ) 、虚拟企业( v e ，v i r t u a le n t e r p r i s e ) 等新概念。 尽管各种新的制造概念的侧重点不同，但都无一例外地强调了充分利用现代信 息技术的成果。但是，当人们试图利用信息技术工具解决制造系统的问题时，必然 会遇到制造系统和信息系统之间的“语义鸿沟”( s e m a n t i cg a p ) 。也就是说，必 须解决如何用信息工具描述制造系统、处理制造活动，如何在信息世界完整地再现 真实的制造系统m 1 。 虚拟制造是沟通信息系统与制造系统的桥梁，为沟通信息技术与制造系统间的 “语义鸿沟”提供了有效的工具和环境，它能够提供给我们有效的制造系统及制造 活动信息化方法，使制造系统的产品及其制造过程数字化，以便计算机系统处理。 因此，在这些诸多新概念中，“虚拟制造”引起了人们的广泛关注，不仅在科技界， 华j 匕电力人学硕十学位论文 而且在企业界，已经成为研究和应用的热点之一。 1 1 1 虚拟制造技术的概念 虚拟制造( v m ，v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 被定义为：它是一个集成的，综合的 可运行制造环境，用来提高各个层次的决策和控制。它的内涵是n 引： ( 1 ) v m 通过建模和仿真，提高加工过程的质量。 ( 2 ) v m 最重要的作用是为实施i p p d ( i n t e g r a t e dp r o d u c t p r o c e s s d e v e l o p m e n t ) 提供一个工具，特别是用于预测产品成本和控制功能。 ( 3 ) v m 根据计算机模拟的产品丌发环境，使设计者在真正加工之前就模拟地制 造产品。这里所谓产品开发不仅包括技术上和商业上的，而且还包括了产品的设计 和生产。但是，v m 并不仿真所有的这些方面。 ( 4 ) v m 是基于模型的制造，使用的工具反过来影响这些模型。最初的工具是仿 真，利用仿真可以降低制造成本，而且可以检查真实空间和虚拟空问的许多参数。 因此，虚拟制造技术是由多学科知识形成的综合技术，其本质是以计算机支持 的仿真技术为前提，对设计、制造等生产过程进行统一建模，在产品的设计阶段实 时、并行地模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产 品制造技术、产品的可制作性，从而更有效、更经济、更柔性灵活地组织生产。 1 1 2 虚拟制造技术的发展现状 当今全球制造企业之间的竞争越来越激烈，企业要赢得竞争，就要以市场为中 心，以用户为中心，快速地响应市场的需求，快速地满足用户的需要。 在3 0 - 6 0 年代，制造业追求的是规模效益。美国首先提出了大规模、大批量、 流水线生产，以更大的经济实力去占领市场，降低经营风险。其代表是福特和通用 两大汽车公司，他们生产的产品占领了7 0 的美国市场。这时的欧洲一些企业家尚 未意识到美国人创造的生产方式的优势和竞争性，整整耽误了近一代人的时间，使 得美国迅速成为头号工业大国。 进入7 0 年代，制造业更加重视降低产品制造成本，以同本为代表，特别是丰 阳公司，发展了精益生产( l p ，l e a np r o d u c t i o n ) 方式，摒弃了流水线生产中所存 在的库存大、周转慢的浪费现象，在不太大的批量下，仍获得了低的成本和高的效 益。 进入8 0 年代，为适应市场和用户的要求，产品质量是企业界和各个制造商们 的主要追求目标，因此相应地实施发展了质量控制技术和全面质量管臻! 技术。质量 观点从符合性质量进而发展剑适用性质量，近年来又向满意性质量发展。 9 0 年代以来，对市场的快速响应( 交货期) 在工业发达国家成为竞争的焦点，于 2 华北电力人学硕十学位论文 是敏捷制造、智能制造、虚拟制造等新概念、新的生产组织方式、新的生产规模相 继出现。企业的柔性和快速响应市场的能力成为竞争能力的主要标志。与此同时， 信息技术取得了迅速发展，特别是计算机技术，计算机网络技术，信息处理技术等 取得了人们意想不到的进步。二十多年来的实践证明，将信息技术应用于制造业， 进行传统制造业的改造，是现代制造业发展的必由之路。8 0 年代初，先进制造技术 以信息集成为核心的计算机集成制造系统( c i m s ，c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 丌始得到实施；8 0 年代末，以过程集成为核心的并行工程 ( c e ，c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 技术进一步提高了制造水平；进入9 0 年代，先进 制造技术进一步向更高水平发展，出现了虚拟制造( v m ，v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 、 精益生产( l p ，l e a np r o d u c t i o n ) 、敏捷制造( a m ，a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 、虚拟企 业( v e ，v i r t u a le n t e r p r is e ) 等新概念。 国内也有许多高校、科研机构在数控仿真方面丌展了研究工作，取得了一些成 果。早期丌发了一些二维数控仿真系统，利用二维动画图形仿真n c 程序加工过程。 随着研究的深入以及技术水平的逐渐成熟，数控仿真也转向真实感较好的三维仿 真。1 9 9 4 年清华大学和华中理工大学在国家高技术发展计划( 8 6 3 ) c i m 主题支持下 研制了由n c 代码驱动加工过程的仿真器h m p s ；哈尔滨工业大学也在国防科工委“八 五“ 预研项目柔性制造系统( f m s ) 关键技术研究计划支持下研制了数控加工过程三 维动态图形仿真器n c m p s 。南京航空航天大学开发了基于a c i s 平台的s u p e r m a n c a d c a m2 0 0 0 的车铣仿真模块，不仅实现了基于实体的数控三维图形仿真，而且 还提出了基于精确扫描体构造的c u b o i d - a r r a y 数控仿真验证算法：四川大学丌发 了基于v r m l 的面向w e b 的数控仿真系统，根据v r m l 的造型机制与仿真机制，结合 数控加工的特点，提出了基于v r m l 的组件化建模思想。大连铁道学院研究丌发了 集几何仿真、加工过程仿真及加工质量仿真为一体的虚拟数控车削加工环境，并对 车削切屑建模仿真。 目前，国内市场上也有一些功能较完善的数控仿真软件，如南京宇航自动化研 究所的y h c n c 系列数控仿真软件，支持多种数控系统，具有良好的用户界面，真实 感图形显示的效果也较好，系统运行效率高。此外，还有上海天傲科技有限公司的 t n s 数控仿真系统，广州红地技术有限公司和韩国c u b i c t e k 公司合作丌发的金银花 v - c n c 仿真软件，上海盖勒普工程技术有限公司的数控加工编程校验和仿真软件 p r e d a t o rv i r t u a lc n c 等。 1 2 论文研究的意义 随着数控车床性能、零件复杂度的不断提高，数控( n c ) 编程的难度也同益加人， n c 程序的敞障率也越来越高。如果n c 代码生成不讵确的话，很可能发生零件的过 3 华北电力火学硕+ 学位论文 切或少切，刀具和零件、刀具和工作台之间的干涉和碰撞现象，过切和少切都会使 零件成为不合格品，而刀具与部件之间的碰撞是十分危险的。为验证和保证数控n c 程序的正确性，在进行正式加工之前，一般都要经过试加工这一阶段，试加工的过 程也就是对c a m 生成的n c 代码检验的过程。而采用数控加工过程的动念图形仿真 技术，可动态模拟数控切削的加工过程，刀具在数控代码的控制下实时地在屏幕上 移动，刀具与工件接触之处，工件的形状就按刀具的轨迹发生相应的变化；从而可 以在计算机上动态显示加工过程，并可根据仿真结果很容易发现n c 程序中的错误， 并将加工过程中可能发生的干涉、碰撞等问题，直观逼真的反映出来，这大大降低 了数控加工中可能出现的故障或事故，并以此修改n c 程序一直达到要求为止，不 仅方便而且十分可靠。这样就省去了以往加工中的试切阶段，节约了人力，物力， 缩短了生产周期，降低了产品的丌发成本，减少了废品率，从而达到改善系统性能、 提高其竞争力的目的。 虚拟车床应用的另外一个重要领域是数控操作人员的培训，在实际数控车床进 行数控操作人员培训，是一个极具风险的行为，特别是价格昂贵的加工中心，一个 小小的误操作，都可能会造成数控设备损坏或人员伤害。而且占用价格昂贵的加工 中心做培训，也会造成巨大的资源浪费，利用虚拟车床作为操作人员的培训平台可 以避免这些弊端。 。 所以，在虚拟制造技术的研究中，建立虚拟车床的几何模型，研究基于o p e n g l 的数控车床加工仿真，具有很重要的意义。 1 3 论文研究的主要内容 利用计算机进行虚拟制造过程的仿真是现代制造技术发展的必然趋势。本课题 在大量研究的基础上，利用基于o p e n g l 的计算机仿真和动画技术，在v is u a lc + + 6 0 的环境下j 研究与丌发了通用数控车削加工过程的三维动态几何仿真系统，并集成 了刀位轨迹检查、n c 代码验证、碰撞干涉检验系统及切削参数检测系统。 l 、虚拟制造系统的建模 使用o p e n g l 将复杂的机床形体的主要部分通过点、线、面的组合构造出来， 并将其布置在合适的位置，调用视点变化函数来确定观看场景的位置和角度，并利 用o p e n g l 的双缓存技术获得平滑逼真的动画效果，通过鼠标、键盘、菜单等进行 人机交互，以对场景中的各种参数进行改变，从而改变效果，为下一阶段的加工过 程几何仿真打好基础。 2 、刀位轨迹检查、n c 代码验证、碰撞干涉检验系统的开发 通过检测刀具轨迹来验证n c 代码的正确性，从而可以知道刀具在运动中是否 会发生干涉。系统采用数控程序直接驱动仿真系统，由于考虑了加工环境，加工状 4 华北电力人学硕十孑：位论文 态等因素，仿真结果更加接近实际，适合精确、功能完备的数控加工仿真。因此， 必须建立进行准确无误的数控加工代码识别与分析系统，将其作为系统的驱动数 据，以驱动仿真系统进行模拟。 3 、切削参数检测系统 切削力不仅影响工件的加工质量、工件尺寸精度和刀具使用寿命，严重情况下 将损坏机床和危机使用者的人身安全。本系统综合应用理论分析和实验相结合的方 法建立数控加工中车削力的模型，对切削力进行了一定的研究。 5 华北电力大学硕十学位论文 2 1o p e n g l 概述 第二章系统开发的关键技术 o p e n g l 是一个优秀的专业化的3 d 的a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ， 应用程序接口) ，最早是以s g i 为图形工作站开发的图形丌发接口i r i xg l ，它可以 独立于操作系统与硬件环境。 o p e n g l 只要按照规定的格式书写，应用程序就可以在支持该语言的硬件环境中 运行，因而其具有高度的可重用性。在o p e n g la r b ( o p e n g la r c h i t e c t u r er e v i e w b o r a d ，o p e n g l 体系结构审查委员会) 的努力下，o p e n g l 已经成为高性能图形与交 互式视景处理的工业标准，并且逐步成为高档的三维工作站的专业标准。 o p e n g l 是一种硬件图形发生器的软件接口，同时它又是与设备无关的图形丌发 平台，它的图形a p i 以函数形式提供了1 1 5 个核心库函数，4 3 个实用库函数g l u ，3 1 个编程辅助库函数g l a u x 及若干个xw i n d o w m s w i n d o w 专用库函数g l x w g l ，丌发 者可以利用这些函数来构造景物模型，进行三维图形交互软件的开发。同时，o p e n g l 是网络透明的，可以通过网络发送图形信息，可以发送图形数据置远端的计算机、 屏幕或者与其他系统共享处理数据。 2 2o p e n g l 工作方式 o p e n g l 指令模型是c s ( c i i e n t s e r v e r ，客户机服务器) 模型，通常用户程 序( 客户机) 发送命令提交给内核程序( 服务器) ，内核程序在对各种指令进行解 释，并初步处理，之后交给操作系统服务而转交给硬件。 上述过程可以在同一台计算机上完成，也可以在网络坏境中，由不同的计算机 合作完成，o p e n g l 通过上述合作实现网络透明。简单的工作流程如图2 - i 所示。 o p e n g l 库函数被封装在动态链接库o p e n g l 3 2 d l l 中，应用程序发出o p e n g l 命 令后，o p e n g l 函数调用被动念链接库o p e n g l 3 2 d 1 1 处理。然后传递服务内核处理 后进一步交由操作系统，操作系统根据具体的硬件，例如不同的显示卡进行具体处 理，最后传递给视频显示驱动，而驱动程序驱动显示卡向显示屏幕提供显示。整个 处理过程都在计算机后台完成，基本不需要程序员参与，程序员只需要丌发应用程 序部分，具体工作交由计算机完成。 6 华北电力人学硕十学位论文 2 3o p e n g l 功能描述 l 显示器 ， l显示卡 i t l 显示驱动 t i 操作系统服务 图2 - 1o p e n g l 工作流程 o p e n g l 具有八大功能，即：模型绘制、坐标变换、颜色模式设置、光照和材质 设置、管理位图和图像增强、纹理映射( t e x t u r em a p p i n g ) 、实时动画和交互技术引。 1 ) 模型绘制 o p e n g l 提供了能够绘制点、线和多边形等基本图元的绘制函数。应用这些基本 的图元，可以构造复杂的三维模型。o p e n g l 中点、线、多边形的定义都是通过对顶 点坐标的定义来获得的，所有的几何物体最终都是按顶点的定义顺序进行绘制。故 只要构造出物体的顶点三维模型，就可绘出此物体。 2 ) 坐标变换 坐标变换可以看作是一切图形绘制程序的基础，任何图形绘制程序都必须不同 程度地依赖于坐标变换。o p e n g l 提供了丰富的坐标变换功能，包括造型和视图变换、 投影变换、视口变换以及裁剪变换等。坐标变换给程序设计人员提供了灵活的手段 来构造三维几何模型。通过坐标变换，设计人员可以用简单的几何实体构造出复杂 的几何模型，坐标变换还是o p e n g l 实现三维动画仿真的基础。 3 ) 颜色模式设置 在o p e n g l 中可以使用两种颜色模式，即r g b a 模式与颜色索引模式。在r g b a 模式下，所有的颜色均使用红、绿、蓝三种颜色分量表示，即对三个分量r 、 g 、b 值分别定义，并根据它们的比例来决定模型的最终颜色。在颜色索引模式下每个像 素点的颜色由查色表中某个颜色的索引值表示，该索引值唯一指定了对应的r 、g 、 b 值。 4 ) 光照和材质设置 7 华北电力人学硕十号：何论文 要生成具有真实感的三维图形，实现三维物体在光照下的特性是必不可少的， 没有光照提供重要的视觉感应，三维物体看起来根本就不像三维的。o p e n g l 支持四 种类型的光照：发射光、坏境光、镜面反射光和散射光。此外，还可以指定不同材 质模型的表面反射属性，这些不同的属性使物体各表面对光照产生不同的反射效 果，从而使物体各表面显现出不同的颜色。设计人员可以通过在o p e n g l 中调整光 照和物体在场景中的关系，产生出各种各样的效果。 5 ) 图像功能 o p e n g l 除了提供点、线、面等基本几何图元绘制功能之外，还支持另外两种重 要的图形对象。一种图形对象就是位图，它是用来生成简单图像的单色掩码；另一 种图形对象就是图像。事实上，位图和图像数据都是由矩形的像素数组组成。这两 种图形数据类型可以通过绘制这些像素数据来生成一幅图像。 6 ) 纹理映射 纹理映射是o p e n g l 中非常重要的功能，在三维图形的绘制中被广泛使用。三 维模型因缺少模型表面的具体细节而显得不够真实，纹理映射可以把物体各表面的 纹理图像粘贴到物体表面，从而获得具有真实感效果的物体模型。 7 ) 实时动画 o p e n g l 通过支持双缓存功能实现实时动画，双缓存分别被称为自订缓存与后缓 存。当在o p e n g l 中使用双缓存时，绘制命令总是将图像绘制到当前的后缓存中， 用户不会看到屏幕上的绘制操作。当程序绘制完图像后，交换前缓存和后缓存，则 新的图像就显示在屏幕上。然后程序在新的后缓存中构造动画的下一帧图像，并再 一次交换缓存，这个过程在动画运行当中一直进行下去，只要图像绘制的速度足够 快，那么每秒钟可以显示的图像帧数就会越多，图像看起来也就越平滑。一般来说， 实时动画是动态仿真系统所必需的。 8 ) 交互技术 o p e n g l 的交互技术是通过选择、拾取、反馈操作来实现的。选择实际上是o p e n g l 的一种操作模式，而拾取则是选择操作模式的一种扩展，它允许用户用光标操作屏 幕窗口内的物体。首先计算光标的屏幕坐标，再判断屏幕坐标在哪一个物体的绘制 区域内，然后拾取该物体，后续o p e n g l 操作都是对该物体的操作。反馈是o p e n g l 的另一种操作模式，在这种操作模式下，图形硬件或o p e n g l 进行通常的绘制计算， 但并不把计算结果绘制到屏幕上，而是把它再反馈给应用程序，供程序进一步处理。 2 4o p e n g l 绘制过程 o p e n g l 具有超强的图形绘制能力，包括绘制物体、启动光照、管理位图、纹理 8 华北电力人学硕十学位论文 映射、动画、图形增强及交互技术等功能。综合以上功能，作为图形硬件的软件接 口，o p e n g l 主要是将三维的物体投影到一个二维平面上，之后处理得到像素，进行 显示。 o p e n g l 首先将物体转化为可以描述物体几何性质的顶点( v e r t e x ) 与描述图像 的像素( p i x e l ) ，在执行一系列操作后，最终将这些数据转化成像素数据。也就是 说，o p e n g l 是基于点的。在o p e n g l 中，无论何种情况，指令总是被顺序处理。有 一组顶点定义的图元( p i r m i t i r e ) 执行完绘制操作后，后继图元才能作用。简单 的图形生成过程如图2 - 2 所示。 顶点 法向颜色纹理像素 i图元、像素操作 i l 光栅化 上 基本操作 上 帧缓冲 图2 - 2 图形绘制过程 寺主 图元 l 土王 i 顶点 卷i 毕f i n t ( 1 ) 对图元的定义：图元由一组顶点定义，这一组顶点可以是一个或是多个 顶点。每个顶点信息可以是二维的也可以是三维的，可以使用2 4 个坐标。顶点 信息可以由位置坐标、颜色值、法向量、纹理坐标组成。法线、纹理、颜色值会在 处理每个顶点的过程中被使用和改变。纹理坐标决定图元上纹理图像的映射方式； 法线是用于光照计算的；颜色与颜色的变化取决于是否有光照。o p e n g l 将点、线段、 多边形等通过在函数g l b e g i n ( ) 和g l e n d ( ) 之间一系列顶点的数据绘制出图形。 ( 2 ) 对图元的操作：0 p e n g l 用交换矩阵、光照、反走样、像素操作等方法控 制图元的绘制。图元的操作处理过程结束后，只留下图元可见部分，准备进行光栅 化( 投影) 处理。像素处理比较特殊：对像素、位图、影像直接进行像素操作，然 后进行光栅化，后者是有些数据被存储在纹理中供顶点使用。 ( 3 ) 光栅化( r a s t e r i z a t i o n ) 过程：将图元转化为二维图像，完成每个图像 点的颜色与深度的计算，生成结果为基片( f r a g m e n t ) ，即各图元的二维结果。 ( 4 ) 基片操作：处理过程包括基片足否遮挡、测试、融合等，最后得到像素， 9 华北电力人学硕十学位论文 存入显示帧缓冲中，完成整个绘制过程。 2 5v c 环境下o p e n g l 的编程步骤 v is u a lc + + 是i i c r o s o f t 公司推出的一个基于w i n d o w s 系统平台、可视化的集 成丌发环境。从v i s u a lc + + 2 0 丌始，就内置了o p e n g l ，使得o p e n g l 可以与v c 紧 密接合，便于实现有关三维图形算法，使用更简便，效率更高，为o p e n g l 在微机 上的应用创造了条件。 本课题的丌发环境将选用v c + + 6 0 ，在v c + + 6 0 环境下丌发o p e n g l 应用程序需 解决o p e n g l 与v c + + 6 0 窗口系统的接口问题，主要是为o p e n g l 创建适当的图形操 作描述表并设置正确的像素格式。此外就是要将o p e n g l 编程与v c + + 6 0 事件编程 相结合，在v c + + 6 0 事件处理程序中利用o p e n g l 进行图形绘制，从而真正地将 o p e n g l 融入到程序中，使之于程序的其他部分有机地结合成为一个整体。下面是用 v c + + 6 0 编写o p e n g l 程序的基本步骤： 1 ) 利用m f ca p p w i z a r d 建立一个单文档应用程序框架。在文档视图结构中， 视图负责窗口中内容的显示，因此所有的o p e n g l 绘制工作应放在视图类中进行。 2 ) 打丌资源编辑器对程序界面上的菜单、对话框等资源进行必要的修改。 3 ) 对工程中的设置选项进行设置，主要是在弹出的工程设置窗口中的链接项 的对象库模块一栏旱加入o p e n g l 3 2 1 i b 和g l u 3 2 1 i b 这两项。 4 ) 在程序中包含进o p e n g l 的头文件和库函数文件。在视图类c v i e w 的头文件 v i e w h 中，添加有关o p e n g l 的头文件，如下： t t i n c l u d e “g l 9 1 h t t i n c l u d e “g l g l u h “ 其中9 1 h 文件是o p e n g l 必不可少的，g l u h 文件表示要用到o p e n g l 实用库函 数。 5 ) 利用c l a s s w i z a r d 进行o p e n g l 所必须的初始化工作。o p e n g l 的初始化工作 包括：设置象素格式、建立绘制描述表以及初始化o p e n g l 投影观察体系等工作。 通过象素格式的设置，规定了o p e n g l 对象素进行操作的基本方式，绘制描述表指 明了w i n d o w s 进行图形显示的基本属性。 6 ) 根据用户对程序的功能要求，利用v c + + 6 0 中的各种编辑工具，给视图类 c v i e w 或其它类，添加具有相应功能的成员函数，以及进行相应的事件处理。运用 o p e n g l 建立实体几何模型以及实现动画显示等功能，均在这部分完成，这足程序丌 发的核心内容。 7 ) 利用v c + + 6 0 的编泽工具，进行程序的编泽、链接及调试等工作。 l o 华北电力人学硕十学位论文 第三章数控车床加工仿真系统总体设计 3 1 数控车床的系统设计 利用仿真系统可以研究、实验、设计数控加工过程。把仿真技术应用于数控( n c ) 加工过程领域，可以解决数控加工n c 程序检验问题，并可模拟机床的加工过程， 解决碰撞、干涉问题。利用仿真技术可以模拟制造过程，通过计算机屏幕又能够把 工件的加工路径描绘过来，使用户能及时发现生产过程的不足之处，而且依靠加工 前进行检验和对方案进行评估的能力，可使材料消耗和成本保持最低程度。 3 1 1 系统总体设计的基本原则 设计和建立数控车削加工过程仿真系统的总体结构的依据是制造业对数控加 工过程仿真的功能要求，可大致规划出系统总体设计的基本原则和要求： 准确性：准确的表达数控加工环境中的主要对象和数控加工过程的功能和特 占 、 有效性：在保证数控加工系统和数控加工过程的功能和特点的前提下，简化系 统结构，使得设计和建立的系统可靠而有效； 实用性：要满足实际工作中对数控加工过程仿真提出的要求，使得设计和实现 的数控加工过程仿真系统具有实用价值； 可扩展性：随着科学技术的不断发展，数控的功能将不断加强，而且还会不断 涌现新的数控系统，因此，系统在设计时要考虑能方便的增添新的数控功能及新的 加工环境以适应新的形势的需要。 3 1 2 系统设计的内容 软件设计是一项十分复杂的工作， 范进行设计，才能得到高质量的软件， 的内容： 通过需求分析确定系统目标； 进行系统概要设计； 它分阶段进行，只有严格的按照软件设计规 软件设计在总体设计阶段主要包括三个方面 选择丌发环境，包括硬件环境和软件坏境。 3 2 系统的需求和功能描述 为了缩短零件从设计到加工的时问，提高零件加工的质量，减少制造费用，目 自订国内外均努力采用仿真技术作为支撑工具。目f j 订在工厂巾，零件在证式投入加：- “ 华北电力人学硕十学位论文 之前，为了检验零件设计的正确性、工艺规程的有效性和数控程序的f 确性，一般 要经过试切这一步骤。这就需要有模拟加工过程的软件系统。 3 2 1 系统的需求规定 基于上述的需求和分析，对系统的功能规定如下： ( 1 ) 定义加工环境及加工任务； ( 2 ) 提供车床设备的交互式定义功能，包括设备的装配、运动定义等； ( 3 ) 实现三维仿真动画显示加工过程，可任意视角观察加工的过程仿真； ( 4 ) 加工过程仿真由n c 代码驱动，即本系统采用零件加工的n c 代码作为加工 过程仿真的驱动数据； ( 5 ) 能对n c 代码进行f 确性和有效性的检验； ( 6 ) 对加工过程中可能发生的碰撞情况能实时检测。 3 2 2 系统的功能描述 根据前面的功能要求，可得到仿真系统的功能框图，如图3 一l 所示： 本系统的输入为设备信息和被仿真零件的n c 代码，输出是零件加工过程的仿 真动画和加工仿真过程的碰撞检测，实现本系统的机制是用户、计算机。 图3 - 1 仿真系统的功能框图 3 3 数控加工仿真总体结构设计 数控车床加工仿真系统主要是提供一个逼真的仿真加工环境，在此平台上，通 过交互完成数控车床加工的动念仿真等功能，其实质就是在计算机上利用虚拟车床 模型对实际车床进行模拟仿真的过程，也是数控车床本体及其行为在计算机虚拟环 境中的一种映射过程。 因此，我们以实际数控车床的组成、功能为对象，根据实际需要，提出了如下 的数控肌l 工仿真系统的总体设计结构体系，如图3 - 2 所示。 1 2 华北电力人学硕士学位论文 3 4 数控仿真系统图形界面设计 在仿真系统中，对数控车床的观察、操作与控制将主要是通过图形界面上的窗 口、菜单和工具栏上的相关按钮来实现的。因此，图形界面的设计应该满足美观， 简洁，易操作等特点。 在系统的丌发中，将充分地利用v c + + 中的m f c 编程的优点来丌发本系统的图形 界面。本系统的图形界面主要设有主菜单、工具栏、图形显示区和状态栏。其中点 击图形界面中工具栏上的按钮或菜单栏中的菜单项，可以执行相应的命令对虚拟车 床进行旋转、平移、放大、缩小和车床加工仿真等功能。对于本系统来说，视图和 车床操作是两个主要的菜单选项。 ， 1 )视图菜单 如图3 3 所示，通过视图菜单，可以对车床的静态模型进行放大、缩小、旋转、 平移，从而实现从不同的角度来观察虚拟车床的目的。同时还特别没有正视图，俯 视图和侧视图这三种不同方位观察的车床模型效果，并且在菜单中还设有一个初始 状念选项，这样就可以通过初始状念选项来立即恢复车床模型的初始状念。 1 3 圆蟹愚 敲太哩) s h n 十f 端小心) s h l f t + g 平移坦)f 旋转嘿)| 视固哇) 俯视国哩) 例视图蛙) 初赡状态哩) s h ，f t 千d 幽3 - 3 视罔荣一p 2 ) 午床操作菜单 如图34 所不，乍睐操作柴巾川，l 要是用米模拟现奠；巾的数控1 床的备种操作。 通过政浆峄，j 以寅脱换川，删整川座，移讪后序、析停延仃，继续远行年启动车 床迸行肌工仿真等功能。 匠墨胃f 按刀嗵) s h i f t + ” h 争- i 车床操作菜单 华北电力人学硕七学位论文 第四章虚拟数控车床静态建模 计算机对形状信息的描述方法简称为造型( m o d e l i n g ) 技术。造型技术主要有 形状表达和形状操作两部分组成。形状表达的任务是将形状的结构用数据结构模拟 出来，这种表述形状的数据结构成为模型。形状操作的任务是实现模型的生成、修 改、综合、分析、计算、显示等操作，以便完成设计过程中的造型任务。 目前常用的造型技术有n 引： 1 实体造型技术( s o l i dm o d e l i n g ) 它将对象分解为一组有限的三维元素的集合以及可施加在这组集合元素上的 一组操作，视这组三维元素的不同及其操作不同，实体造型技术可以分为很多类型。 2 曲面造型技术( s u r f a c em o d e l i n g ) 它用数学函数( 如b 样条、贝赛尔等函数) 描述曲线和曲面，并提供曲面的修 改、连接、求交和显示操作。 3 非几何形体的造型技术 对不规则的非几何形状的物体进行对象的表达与操作方法的研究，称之为非几 何形体的造型技术。它们都采用递归过程来产生数量很大的、表面看似是无规则的 空间数据，并用参数控制其形状。 工程和制造行业的设计对象主要是三维实体，因此，实体造型是目前c a d c a m 系统的主要造型方法，本章主要介绍实体造型技术的造型方法。 4 1 常用的实体建模方法 实体建模包括两部分内容：体素( 长方体、圆柱体、球体、锥体等) 的定义和 描述，以及体素之间的集合运算( 并、交、差) 。目前常用的实体造型方法有：边界 表示( b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ，简称b _ r e p ) 法、构造实体几何( c o n s t r u c t i v e s o li dg e o m e t r y ，简称c s g ) 法、扫描( s w e e p i n g ) 表示法等，八叉树表示法等。 4 1 1 边界表示法 边界表示法( b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ，简称b _ r e p ) 是以形状特征体边界为 基础的定义和描述形状特征体的方法，并能给出完整和显式的界面描述。每个形状 特征体都由有限个面构成，每个面( 平面或曲面) 由有限条边围成的有限个封闭区 域定义，或者说，形状特征体的边界是有限个单元而的并集，而每一个单元面也必 须是有界的。 在b _ r e p 表示法中，一个形状特征体通过包围它的曲面片或平面多边形( 面 l5 华北电力人学硕+