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硕士论文 数控仿真建模及实现技术研究 摘要 本文对数控仿真建模和数控加工仿真实现技术进行了深入的研究，并与南京 巨森数控公司合作开发了车床和铣床的数控仿真系统。本文的主要工作体现在下 述几个方面： 1 分析和建立仿真系统总体框架结构，设计友好的用户界面，使得该系统 具备进一步商品化的基础。 2 着重阐述数控切削过程动态模拟的三维建模技术。给出基于三角网格方 法的铣削和车削的模型。 3 对数控仿真的切削过程的几何表示及求交算法进行深入的研究，分别提出 并实现车削和铣削的程序设计，并对铣削采用一神局部快速消隐算法，不仅避免 了大量的求交过程，而且提高了显示速度。 4 探讨数控仿真在互联网上的实现技术，提出通过j a v a 本地接口j n i 结合 j a v a 与0 p e n g l 在互联网上来实现数控仿真，给出简单的程序设计。 综上所述，所开发的系统具有界面友好、使用方便、功能全面的特点，不仅 可用于实际加工生产，而且可用于数控教学和培训，适应了先进制造技术的需求。 关键词：数控加工，三维仿真，消隐算法，o p e n g l ，j n i 堡主笙兰 墼塑堕塞壁壁墨壅翌垫查堡窒 a b s t r a c t w eh a v eb e e nd o i n gr e s e a r c ho nn c s i m u l a t i o nm o d e l i n ga n dt e c h n o l o g yo f n c m a c h i n i n gp r o c e s ss i m u l a t i o n c o o p e r a t i n g w i t hn a n j i n gj o y a n c en c c o m p a n y , w ed e v e l o p e dm i l l i n ga n dt u r n i n gn cm a c h i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e m t h i sa r t i c l ec o n t a i n ss o m em a i n t o p i c sl i s t e db e l o w ： 1 a n a l y z i n ga n dd e s i g n i n g t h es y s t e ms t r u c t u r ea n df r i e n d l yu s e ri n t e r f a c e n o w t h i ss y s t e mh a sb e e nr e a d yf o rc o m m e r c i a l i z a t i o n 2 e m p h a s i z i n g3 dm o d e l i n gt e c h n o l o g yo f n c m a c h i n i n gd y n a m i c s i m u l a t i o n p r e s e n t i n gm i l l i n gm o d e l a n d t u r n i n g m o d e lb a s e do nt h em e t h o d o f t r i a n g l ep i e c e 3 s m d y i n gs i m u l a t i o ng e o m e t r i c a lm o d e la n ds i m u l a t i o nb o o l e a na l g o r i t h m p r e s e n t i n ga n di m p l e m e n t i n gm i l l i n ga n dt u r n i n gp r o g r a md e s i g nr e s p e c t i v e l y a n d p r e s e n t i n ga n di m p l e m e n t i n gar a p i dl o c a lh i d d e nf a c er e m o v ea l g o r i t h mu s e do f m i l l i n gm a c h i n i n gs i m u l a t i o n t h i sa l g o r i t h mn o to n l ya v o i d sa l o to f c o m p u t a t i o n b u t a l s oi m p r o v e s s p e e d 4 d i s c u s s i n gi m p l e m e n t i n gt e c h n o l o g yo f n cs i m u l a t i o no nt h ei n t e m e tb yt h e j n i i n t e g r a t i n gj a v a a n d o p e n g l a n dp r e s e n t i n g a s i m p l ep r o g r a m t os u n lu p ，t h i ss y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c st l l a ta r ef r i e n d l yi n t e r f a c e ，s i m p l e m a n i p u l a t i o na n df i n ev e r s a t i l i t y i tn o to n l yc a r lb eu s e di nw o r k ，b u ta l s oi nn c t r a i n i n g n f i t st h en e e d so f o n r c o u n t r ya n da c c o r dw i t h a m t sd e m a n d k e y w o r d s ：n cm a c h i n i n g ，3 ds i m u l a t i o n ，h i d d e nf a c er e m o v ea l g o r i t h m o p e n g l ，j n i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历两使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：蓬掌辉加斜年7 月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：。垂掌珲2 。砰年7 月目 硕士论文 数控仿真建模及实现技术研究 1 绪论 1 1 先进制造对数控加工仿真的需求 1 1 - 1 先进制造技术的新发展【1 i 制造业是我国国民经济的支柱产业，其增加值约占我国国内生产总值( g d p ) 的4 0 以上，振兴制造业是启动我国经济新高潮的杠杆，日本和美国的经济均可 资借鉴，而先进制造技术是振兴制造业的系统工程中的重要组成部分之一。 先进制造技术( a m t - - a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ) 作为一个专有 名词提出始于2 0 世纪8 0 年代末期，当时美国根据本国制造业面临的挑战与机遇， 以及存在的问题进行了深刻反省，同时为了加强制造业的竞争能力和促进国民经 济增长而提出先进制造技术新概念。从技术进步角度看，以计算机为中心的新一 代信息技术的发展，全面推进了制造技术的飞跃发展，在不断吸取其他相关领域 新技术的基础上，使创新贯穿于制造全过程，并使技术与管理相结合，不断推出 新的制造模式，推动人类生产活动不断进步。 先进制造技术这一名词一经提出，立即获得世界各国的积极响应，将制造技 术的发展推向新的高潮，经过2 0 多年的努力，先进制造技术由于专业和学科间 不断渗透、交叉、融合，技术日趋系统化、集成化，已发展成为集机械、电子、 信息、材料和管理技术为一体的新兴交叉学科，可以称之为“制造工程”。 先进制造技术的核心和基础是优质、高效、低耗、清洁、无污染工艺，它是 由传统的制造工艺发展起来的，并与计算机、信息、自动化、新材料及现代管理 技术实现了局部或系统集成，以实现优质、高效、低耗、无污染和灵活生产，实 现可持续发展。 未来先进制造技术的发展趋势是精密化、柔性化、智能化与集成化。首先设 计技术不断现代化，突出反映在数值模拟与仿真以及虚拟现实技术和产品建模理 论等方面。成形制造技术向精密成形方向发展，包括精密铸造、精密塑性成形和 精密连接技术等。加工制造向超精密、超高速及发展新一代制造装备的方向发展。 随着激光、电子束、离子束、分子束等新能源或其载体的引入，新型的高密度特 种加工方法以及复合工艺不断发展，以至设计、材料应用、加工制造等专业学科 界限日渐淡化，逐步趋向一体化。由于工艺模拟技术的迅速发展，也使工艺逐渐 发展为工程科学。虚拟现实技术在制造业中获得日益广泛的应用。 硕士论文 数控仿真建横及实现技术研究 1 1 2 先进制造对数控加工仿真的需求【1 i 2 1 数控机床由零件程序对其加工过程进行控制，零件程序的正确与否直接决定 加工的质量和效率，而且不正确的加工程序还会导致产生事故。由于零件形状的 复杂多变，且在刀具轨迹生成过程中一般不考虑具体的机床结构和工件装夹方 式，因此所生成的零件程序并不一定能够适合实际加工情况。因此，尽管当前数 控编程技术在曲面建模、轨迹规划、刀位计算等方面都有了很大进展，但仍不能 确保所生成的零件加工程序完全正确可靠。其中主要问题为：加工过程中的过切 与欠切、刀具与机床部件和工夹具间的碰撞，以及加工中的切削过负荷等。特别 是在高速加工中，这些问题常常是致命的，严重时将损坏刀具、工件、机床甚至 导致人身事故。因此，在零件程序生成后，需要对其正确性进行检验，并针对其 存在的问题进行修改，直到形成合格的零件程序。 零件程序的检验方法有几种，方法之一是在正式加工前让机床“空运行”， 空运行只能对机床运动是否正确及有无干涉碰撞做粗略的估计；而若采用实物 “试切”的方法，则可对加工过程是否正常及加工结果是否满足要求作出比较准 确的判断。但试切是一项费时昂贵的工作，其效率很低且需增加生产成本，此外 试切过程的安全性也得不到保障。在计算机上利用三维图形技术对数控加工过程 进行模拟仿真，可以快速、安全和有效地对n c 程序的正确性进行比较准确的评 估，并可根据仿真结果对n c 程序迅速地进行修改，免除反复的试切过程降低 材料消耗和生产成本，提高工作效率。因此，数控加工过程的计算机仿真是n c 程序的高效、安全和有效的检验方法。 数控加工仿真是指数控机床在虚拟环境中的映射，它集制造技术、机床数控 理论，计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助巷4 造( c a m ) 和建模与仿真技术于 一体。能够凭直觉感知计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境，在设计新的方案 或更改方案对能够在真实制造之前在虚拟环境中进行零件的数控加工，检查数控 程序的正确性、合理性，对加工方案的优劣做出评估与优化，从而最终达到缩短 产品开发周期、降低生产成本、提高产品质量和生产效率的目的。 1 2 数控仿真系统国内外研究状况1 3 1 j 4 i s 1 2 i 发展历程 数控仿真技术为验证数控程序的正确性与可靠性及预测切削过程提供了强 硕士论文 数控仿真建模及实现技术研究 有力的工具。为验证数控刀具加工轨迹的正确性，防止干涉和碰撞的发生，传统 上采用试切的方法，即在机床上试切一个软木性质或塑料零件模型来验证，根据 试加工的结果，对数控程序或加工参数再做进一步修改。但这种方法费工费料， 代价昂贵，使生产成本上升，推迟了产品加工的时间和生产周期。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 的发展，目前正向模型的精确化、仿真计算实时性和图形显示的真实感方向发展。 由于受计算的复杂性和大存储需求的限制，生成和显示实体模型只能在工作 站上或在大型计算机上进行，仿真系统并没有在工厂中得到广泛的应用。近几年 来，随着计算机技术的迅猛发展，微型计算机性能的迅速提高，数控仿真技术可 以在微型计算机上进行，因而也得到日益广泛的应用。 1 2 2 应用现状 自1 9 5 8 年数控机床出现到现在，数控技术发展迅速，现在数控加工己成为 计算机辅助设计和制造( c a d c a m ) 中重要的一部分。数控机床加工零件是靠 数控指令程序控制完成的。我们可以根据零件的几何形状设计编制或自动产生刀 具的动作和位置序列，根据毛坯的材料特性和合理的加工工序，适当地选择刀具、 切削速度和进给速度，这样就构成了一段n c 代码程序。与此同时，随着计算机 的发展，出现了计算机图形仿真技术，把图形仿真技术引入到零件的数控加工过 程当中，可以更加形象地、直观地以动画的形式在屏幕上再现数控加工的全过程。 国外在n c 加工过程仿真方面做了大量的研究工作，多侧重于刀具轨迹的显 示，如美国m i s s o u r i - r o l l a 大学提出的c n c 车床的图形仿真，通过二维图形显示 刀具轨迹和毛坯随刀具轨迹变化时发生的变化，并在屏幕上给出对应加工状态。 美国h o u s t o n 大学提出一个n c 车床仿真器，可建立二维车床模型，模拟n c 车 床操作，可训练学生学习零件编程技术，包括操作错误、语法检查，并能进行动 画仿真。日本索尼公司( s o n yc o o p o r a t i o n ) 研制的f r e d a m 系统可以对球头铣 刀加工自由曲面进行三维仿真，重点显示三维刀具轨迹与零件模型，以避免精加 工时的刀具碰撞。美国n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y 提出针对腔 铣削的三维零件的加工轨迹算法及显示并检查了刀具接触角。意大利b o l o g n a 大 学用b 样条曲面建立端铣刀与工作台模型，采用真实图形显示三轴铣床粗铣加 工过程。r e p u b l i co f m a c e d o n i a 采用图形动画技术开发出了一种基于p c 的数控 机床切削过程检验模型，它可以在切削过程中实时地演示刀具一工具系统，从而 婴圭笙苎 一 ： 一墼丝堕墨兰苎墨兰翌苎查! 坚一 达到验证n c 刀具轨迹的目的。在集成了可视交互建模( v i m ) 和可视交互仿真 ( v i s ) 技术的基础上，日本的h i r o s h i m a d e n k i 工学院引入了面向对象数据结构、 可视化设计和智能管理概念并开发了一种v m s s 系统，它可有效地进行f m s 建 模，降低f m s 开发费用。德国提出的采用c o s i m a 图形仿真系统，能够识别程序 中的大部分几种图形错误，从而改善n c 编程质量，大大缩短机床上的装机调试 时间，并以d e c k e l d c 3 d 加工中心的实体模型模拟加工中心的n c 加工过程， 即适用于通常的n c 加工，也适于柔性制造系统的仿真。 目前在国内已经有一些科研院所在这一领域取得了一些进展，表1 2 2 1 列 举了国内一些科研单位取得的成果。 表1 2 2 1国内有关单位数控仿真系统有关实例 数控仿真系统案例科研单位 t n s 数控仿真系统上海天傲科技有限公司 宇龙数控加工仿真系统上海字龙软件工程有限公司 c v m 系列数控机床虚拟制造系统软件广州超软科技有限公司 v n u c 数控仿真加工与远程教学系统北京联高软件开发有限公司 y h c n c 数控仿真系统南京宇航自动化技术研究所 1 2 3 存在不足 目前，国内外对数控加工仿真展开了大量的研究，但是所开发的数控仿真系 统还是存在许多不足之处，主要体现在以下几个方面： 仿真过程中仿真真实性的问题，目前所谓计算机真实感图形仿真，无论 是工作站级还是p c 级，为保证图形生成速度的实时性，仿真环境中的 光照模型只能模拟最简单的平行光，致使图形生成方式为区域填充或渐 变色，不符合光学理论。 关于数控加工仿真模型的问题，数控加工仿真系统模型描述均基于某一 特定几何造型系统。但所有造型系统基本元素( 点、边、面、体等) 均由 理想形状几何形体构成，不包含任何物理性质，体现不出物体相互作用 时物质微观结构的物理变化及其物体宏观形状的改变。 关于数控仿真实质性的问题，目前部分数控加工仿真既没有真正考虑工 艺系统中各部件在运动( 切削和空程) 过程中的碰撞干涉问题，也没有考 虑工艺系统中物体相互作用时的“消亡”( 如刀具磨损) 与“派生”( 如 硕士论文 数控仿真建模及实现技术研究 切屑等) 问题。 关于仿真系统交互性的问题，目前大多数开发人员通过集成本地系统服 务来构建仿真系统的应用程序，而这种模式下的数控仿真系统存在着一 些不足之处，最显著的就是系统和外部交互性差、开发周期长、重构性 差等。 1 2 4 发展趋势 随着计算机图形技术的迅速发展，数控仿真系统技术的研究也正朝着直观 化、信息化、智自2 化方向发展。 直观化：利用计算机软件技术设法提供的直观可视化的建模方法，使复 杂的建模过程得到简化，建立的仿真模型更加直观和逼真。 信息化：分布交互仿真已成为计算机仿真技术的一个重要发展方向，它 充分利用了计算机网络技术的支撑，使处在不同地理位置的各个部门利用网络连 接起来，实现资源共享，达到节省人力、物力和财力的目的。 智能化：人工智能技术在仿真中的应用已经引起仿真领域的普遍关注。 人工智能与计算机仿真在学科上的交叉涉及到三个方面：知识库用于建模与仿 真，包括利用知识库和专家系统为仿真模型的建立和综合提供咨询服务及用于仿 真结果的检验和可信度分析：仿真技术与人工智能技术的结合，即所谓的智能化 仿真；仿真模型中知识的表达。 1 3 论文研究内容和目标 1 3 1 课题来源及研究意义 本课题属于先进制造技术研究领域。 本课题研究是对开放式数控系统的一种全新的思考，目的是要解决目前我国 大多数开放式数控系统开放性不够和通用性差的弊端。其着眼点在于解决开放式 数控系统的交互性，即通过使用虚拟加工技术在计算机上以真实感很强的三维实 体模型将数控机床及各主要部件仿真显示出来，使操作者在生动、直观的动画环 境下，犹如操作一台真正的数控机床手工操作、对刀、编程及进行数控加工。 用户可以通过浏览器来实现零件加工程序的编辑、修改、仿真直至操作数控机床 完成加工等，实现数控机床的实时在线操作，也可以使大多数的远程诊断和维护 服务得以本地化解决。 硕士论文 数控仿真建模及实现技术研究 1 3 2 研究内容 课题将根据目前数控加工仿真系统存在的状况，对其存在的不足之处提出解 决方法，并对其实现的相关技术进行研究。论文研究的内容有： 基于三角网格模型的仿真几何造型 利用o p e n g l 图形数据库，采用三角网格模型来构造仿真几何造型。三角网 格模型综合了基于图像空间和基于曲面的模型表示法的一些优点，在良好的系统 交互性效果下，简化了模型，考虑到显示速度与显示精度的折中，提高了绘制实 时性。 控制功能的仿真研究 主要是对数控机床的操作面板进行仿真，使仿真系统与真实的数控机床拥有 一样的控制功能：急停、工作方式( 点动、手动输入自动运行m a 、自动) 、连 续执行单步执行、n c 启动、n c 停止、快速点动、主轴控制、进给控制等。 利用o p e n g l 来实现仿真过程的动态显示 这是本课题研究的核心技术。这一部分应该结合v i s u a lc + + 和o r e n g l 实时 编程来进行，通过o p e n g l 的双缓冲技术以及定时器技术就可以获得平滑逼真的 动画效果。 实现基于w e b 的数控仿真 异地用户可以通过w e b 浏览器来获得远程服务器上进行数控仿真所提供的 服务，就能使优化的制造资源实现异地共享。 系统原型开发 基于上述相关关键技术的研究，构建基于w e b 的数控仿真系统原型，来实现 开放式数控系统的动态图形功能和人机交互功能。 1 3 3 研究目标 本课题研究的目标是： 基于三角网格模型，构建和显示仿真几何造型； 实现对数控机床环境界面仿真； 结合v i s u a lc + + 和o p e n g l 实时编程来实现仿真过程的动态显示； 综合利用上述技术，并利用w e b 技术来构建基于网络的数控仿真系统原 型。 硕士论文数控仿真建模及实现技术研究 1 4 论文的组织结构 全文共分8 章，图1 4 1 是论文的组织结构图： 图14 1 论文的组织结构 硕士论文 数控仿真建模及实现技术研究 1 5 本章小结 本章首先对先进制造技术的新发展趋势作了概述，阐明了先进制造技术对 数控仿真系统需求的迫切性：分析了数控仿真系统的发展历程和国内外的研究状 况及应用实例；然后根据目前数控仿真系统存在的弊端，提出了其解决的关键技 术和方法，指出了课题的研究意义、内容及攻关和创新的方向，最后对全文的组 织结构进行了介绍。 硕士论文 数控仿真建模及实现技术研究 2 数控仿真系统的总体设计 根据前一章所分析的目前数控仿真系统中存在的不足之处，在充分吸收了国 内外先进技术成果的基础上，对数控仿真系统的总体结构进行了规划设计。我们 所开发的基于w e b 的数控仿真系统是面向开放式数控系统的，目标是实现开放式 数控系统的动态图形功能和人机交互功能。 2 1 数控仿真系统的总体结构1 2 i 数控仿真系统的总体结构如图2 1 1 所示。 图2 1 1 数控加工仿真系统的总体结构 数控机床加工系统由数控机床、刀具、工件和夹具组成，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。数控加工仿真系统是对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。 ( 1 ) 文件编辑器 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 写或在系统仿真时生成a 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 硕士论文 数控仿真建模及实现技术研究 改，从而增强了系统的适应性。如图2 1 2 所示。 图2 1 2 文件编辑器 ( 2 ) n c 代码解释器 基于n c 代码的通用仿真，其主要目的是对各种格式的n c 代码的输入，系统 都能够接受并加以仿真。因此，在通用n c 代码仿真系统的设计上，主要需要解 决的问题包括：数控加工仿真系统的通用仿真接口设计和实现，即n c 代码盼识 别问题；通用n c 代码翻译，即将不同格式的n c 代码转化为通用接口可以识别的 指令的问题；以及通用代码翻译和仿真系统的集成问题。如图2 1 3 所示。 图2 1 3n c 代码解释器 ( 3 ) 仿真动态调试 本模块是整个系统的总控模块。根据用户的选择，把代码解释器得到的刀具 信息、刀位加工信息以及控制机床部件运动的有关命令和状态信息传递给相应的 模块，同时控制仿真过程的执行和结果的输出显示。在仿真过程中，当发现代码 有错误时可以调用文件编辑模块，先对数控加工代码进行编辑，然后再调用n c 代码解释模块，以获取进入加工过程仿真的有关信息。 ( 4 ) 加工环境设置 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 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。 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( t o o l n u m b e r ) ，刀具类型( t o o lt y p e ) ，刀具直径( t o o ld i a m e t e r ) 。刀具长度( t o o ll e n g t h ) ， 硕士论文 数控仿真建模及实现技术研究 刀具补偿( o f f s e t x y ，o 凰c t z ) 等特征参数。系统采用文件的形式将这些特征参 数保存起来，形成了工件文件、刀具文件、刀柄文件和夹具文件，便于用户的引 用与修改。操作人员可以使用这些文件定义加工环境。如图2 1 4 所示。 图2 1 4 加工环境设置模块 ( 5 ) 加工过程仿真 本模块是整个系统的核心部分，具体实现加工过程的仿真。基本思路如下： 分析标准数控代码，确定刀具运动范围与工件范围；建立显示坐标系，着色画工 件；根据指令使刀具沿着要切削的工件运动：将刀具与工件进行布尔差运算，如 果在加工过程中出现了干涉或碰撞，系统则发出报警信号，并输出干涉记录。如 图2 1 5 所示。 图2 1 5 加工过程仿真模块 2 2 数控仿真系统新特点分析 要从根本上实现这种开放式数控系统动态图形仿真功能和人机交互功能，必 须建立一个好的数控加工仿真模型，使这个仿真模型能够体现出物体相互作用时 物质结构的物理变化及其物体形状的改变。随着网络信息技术的发展，数控仿真 系统的网络化也将是数控仿真需要深入研究的技术。我们所开发的数控系统主要 有如下一些新特点： 基于三角网格模型的仿真几何造型 利用0 p e n g l 图形数据库，采用三角网格模型来构造仿真几何造型。三角网 格模型综合了基于图像空间和基于曲面的模型表示法的一些优点，在良好的系统 交互性效果下，简化了模型，考虑到显示速度与显示精度的折中，提高了绘制实 时性。同时通过计算零件表面三角片顶点与刀具扫掠面之间的距离，计算出各三 角片顶点高度值，实现了实时的加工仿真。 实现基于w e b 的数控仿真 通过j a v a 本地接口j n i ，将主要由o p e n g l 编写的数控仿真系统所实现的三 维虚拟效果嵌入到h t m l 页面中的a p p l e t 中，并且代码保留了传统o p e n g l 编写 习惯。异地用户可以通过w e b 浏览器来获得远程服务器上进行数控仿真所提供的 服务，来使优化的制造资源实现异地共享。 基于上述新特点构建基于w e b 的数控仿真系统原型，来实现开放式数控系统 的动态图形功能和人机交互功能。 2 3 数控仿真系统的图形界面 从传统的各种软件统计结果表明，有关图形界面的程序量达到3 0 至7 0 ， 而良好的图形界面可以大大缩短人们与计算机之间的距离，使得软件的使用易 学、易理解，方便用户，提高工作效率，减少使用计算机的出错率。早期的交互 技术与图形界面是和应用程序相互渗透、嵌套、溶为一体，因而严重地依赖于应 用程序。八十年代初开始，把交互技术与图形界面从应用程序中独立出来并逐渐 形成相应的学科。现在，随着各种功能强大的开发环境和平台的出现，可视化编 程的普及，图形界面的设计变得越来越方便，同时各种应用软件的图形界面也设 计得更加友好。 数控仿真软件对界面设计的主要要求有： 1 要能对材料去除和刀具运动情况进行动态真实感图形显示； 2 在动态显示材料去除和刀具运动的同时，程序要进行大量的计算； 3 材料的去除情况和刀具的运动轨迹是依据对输入的n c 程序进行的大量 计算。而不是用户操作命令： 4 一个零件的仿真往往要运行相当长的时间。用户往往希望能控制仿真过 程，比如暂停或单步执行以仔细观察加工过程的某些局部情景。 我们通过研究数控仿真的特点，并参考了一些国内外商品化数控仿真软件的 用户界面，设计了非常逼真的、人性化的图形界面。如图2 3 1 、2 3 2 和2 3 3 硕士论文数控仿真建模及实现技术研究 所示。 图2 3 1 数控加工仿真图形界面 图23 2 数控加工仿真系统图形界面 数控加工仿真图形界面设为主菜单、工具栏、客户显示区和状态栏。其中点 击图形界面中工具栏上的按钮，可以执行相应的命令对图形界面进行旋转、平移、 放大、缩小和去除机床其它部分只显示刀具切削工件的动态仿真等功能。客户显 硕士论文 数控仿真建模及实现技术研究 示区分为机床动态仿真窗口、机床控制器窗口和机床操作面板窗d - - - 个部分。 图2 3 3 数控加工仿真系统图形界面 1 ) 机床动态仿真窗口 如图2 - 3 4 所示。机床动态仿真窗口主要显示机床的三维动态仿真，用户能 够缩放数控机床大小，改变任意角度来观察机床动态仿真。 图2 34 机床动态仿真窗口 硕士论文数控仿真建模及实现技术研究 2 ) 机床操作面板窗口 如图2 3 5 所示。机床操作面板窗口主要模拟数控机床的具体控制功能。主 要有：急停、工作方式( 点动、手动输入自动运行m d a 、自动) 、连续执行单 步执行、n c 启动、n c 停止、快速点动、主轴控制、进给控制等。 图2 3 5 机床操作面板窗口 3 ) 机床控制器窗口 如图2 。3 6 所示。机床控制器窗口相当于机床的c r t 窗口，目的是实现对数 控加工过程的加工点、已加工时间、机床状态及当前n c 程序执行位置等数控信 息的显示，以及对n c 代码进行编辑。 图2 3 6 机床控制器窗口 硕士论文数控仿真建模及实现拄术研究 2 4 本章小结 本数控仿真系统主要由文件编辑器、n c 代码解释器、仿真动态调试、加工 环境设置和加工过程仿真等几个模块构成；在传统数控仿真系统的基础上，引进 了一些新特点，来实现开放式数控系统动态图形仿真功能和人机交互功能；通过 研究数控加工仿真的特点，并参考了一些国内外商品化仿真软件的图形界面，设 计了方便、逼真的数控仿真系统的图形界面。 硕士论文 数控仿真建模及实现技术研究 3 几何建模技术的研究 当前计算机图形技术的发展，数控加工仿真系统已能对复杂的加工运动过程 进行几何仿真，几何仿真可在计算机上对加工中机床、刀具的切削运动和加工余 量去除过程获得真实感的动态显示，并进行过切与欠切、机床和工夹具系统与刀 具的碰撞检验，在计算机上实现快捷有效的零件程序检验。此外，有些几何仿真 还可进行简单的切削负荷和速度优化检验。除几何仿真外，对加工过程的物理仿 真研究也已开始得到关注。物理仿真基于加工过程中的切削力、切削热和机床动 态特性等，在计算机上进行材料切除率、机床、刀具及工夹具系统的力、热变形 和动态变化的模拟，实现切削用量的优化和加工误差的预测补偿，提高加工效率 和质量。但由于加工过程的机理特性十分复杂，还有待人们的进一步探索和研究。 几何仿真技术的发展是随着几何建模技术的发展而发展的，包括图形显示和 定量干涉验证两方面。目前，常用的几何建模方法有直接实体造型法、基于图像 空间的方法、基于离散矢量求交的方法和基于三角网格的方法。 3 1 直接实体造型法 6 1 1 2 1 实体造型技术为三维实体、曲面和曲线提供了准确、完整、无二义性的描述 手段，采用以实体造型技术为基础的直接布尔运算算法进行加工过程几何仿真， 可以准确的获得切削几何信息，不仅可以进行干涉验证，还可以对多轴加工材料 去除过程进行三维动态模拟。目前直接实体造型法主要包括构造的实体几何法 ( c s g 法) 和八叉树表示法。 3 1 1 构造的实体几何法 构造的实体几何法( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) ，简称c s g 法，是在实体 的表示、构造中得到广泛应用的一种方法。它首先是由美国的h b 沃尔克尔及 a a g 雷契切等人提出来的。它的基本思想是将简单的实体( 又称体素) 通过集合 运算即布尔运算来组合成所需要的物体。因此，这种方法称为构造的实体几何法。 在这一方法中，常用的体素有长方体、圆柱体、圆锥体、圆台体、环、球等。在 某些功能较强的系统中，还可通过扫描表示法产生一些实体，这些实体也作为体 素在c s g 法中应用。 而在数控仿真动态模拟材料去除过程中，有两种方法进行布尔减运算，一种 是毛坯实体与刀具实体做布尔减。即整体布尔减运算；另一种是以像素为单位作 硕士论文 数控仿真建模及实现技，哑堕 为刀具运动的步长，刀具每前进一步，立即做毛坯与刀具模型的布尔减，即局部 布尔减运算。 v a nh o o k 于1 9 8 6 年提出了一种在专用硬件设备上快速观察切削过程的方 法，他采用局部布尔减运算算法，该算法由于考虑瞬时过程，增加了布尔运算的 次数，速度较慢，检验时间较长。 w p w a n g 和k k w a n g 开发的验证五轴切削的系统采用整体布尔减 运算方法，这种方法的难点是如何精确地描述刀具扫描体。他们提出了一种刀具 扫描体计算算法，在仿真中，考虑刀具运动形成的扫描体整体而不是某个特定时 刻的损失情况。由于实体扫描可被分解为实体边界形成的扫描体的布尔并，因此 计算扫描体的问题被转化为确定扫描体的边界面，即包络面，通过解析法或求解 微分方程都可求得。刀具扫描体概念的提出把动态的干涉检查转变为静态的干涉 检查，只需一次布尔减运算，节约了大量的检验时间。 3 3 2 八叉树表示法 八又树表示法是占有空间记数法的一种，占有空问记数法将实体所在空间进 行分割，一般是分割成由立方体组成的网格。于是，一个实体可以由它所占用的 立方体序列来表示。当分割后的立方体越来越小时，就逐步接近用空间点的集合 来表示实体了。 所以采用八叉树法表示可提高数控实体模型几何描述的精确性和布尔运算 的快速性。如日立公司提出的结合树( g r a f t r e e ) 法，它是一种运用八叉树和其 衍生体进行几何造型的方法。数据结构如图3 3 2 1 。仿真中存在两个缺陷：一是 八叉树结构所需存储量大：二是计算机的运算量大。该系统运用去除体( r e m o v e d v o l u m e ) 方法减小存储量，并快速重建切削图像。应用集合公式，被去除体定义 为： 尺d ) = 矿( ，) c o ) ( 3 1 ) 其中j 是切削的某一步( j = 1 ，2 ，n ：n 为总运动) ；w ( j ) 是工件第j 步切 削的情况；c ( j ) 是刀具扫描体的第j 步的情况；r ( j ) 是在第j 步的去除体； & 为交运算。用公式表示切削过程为： u ) = 矿( _ ，一1 ) 一c ( j ) ( 3 + 2 ) 式中一为减运算。几何仿真器执行算式( 3 1 ) 、( 3 2 ) ，然后存储最终的切削形状 w ( n ) 和对应每一步切削的去除体( r 0 ) jj = 1 , 2 ，n 。通过后置处理器可以 重建第k 步的切削形体w ( k ) ，计算公式为： ( 七) = w ( ) 辛r ( ，) 3 3 ) y 为并运算。一鹱虢粜，在切削中，随j 的增加，w ( j ) 变得越来越复杂。因为 硕士论文数控仿真建模及实现技术研究 如果对每一步切削都要存储w ( ) ，存储量将会很大，但去除r ( j ) 的复杂性却 与切削过程无关，而且r ( j ) 远比w ( j ) 简单。因为这种去除方法可以节约仿 真输出的存储空间。另外，w ( n ) 与去除体r ( j ) 没有交集，式( 3 3 ) 中的并 运算即为将两独立的空间合二为一，利用这一特性可以快速重建切削图像。 口 o 图3 3 2 ，1 结合树法数据结构 用八叉树结构表示空间实体，具有许多优越性，概括说起来有如下一些： ( 1 ) 可以用统一而简单的形体( 即立方体) 来表示空间任意形状的实体，因 而，数据结构简单划一。 ( 2 ) 易于检查空间实体之间的集合运算，如交、并、差等。 ( 3 ) 易于检查空间实体之间是否碰撞，计算出两个实体之间的最小距离也不 困难。 ( 4 ) 易于计算物体的性质，如物体的体积、质量、重量、转动惯量等。 ( 5 ) 由于各小立方体在数据结构中总是排好序的，放易于实现消隐及显示输 出。 但是用八叉树表示的空间实体，也有如下的一些不足之处： ( 1 ) 八叉树表示所需存储量较大。 ( 2 ) 在八叉树表示中，难于实现在其它表示形式下易于实现的某些几何变换。 ( 3 ) 八叉树表示只是空间实体的近似表示，将八叉树表示转换为精确的边界 表示是非常困难的，因而难于用这种表示的结果实现绘图输出。 基于这种情况，v o n h o o k 提出一种在图像空间中用深度元素( d e p t h e l e m e n t 简称d e x e l ) 集合表示三维物体的模型，并给出相应的几何仿真算法，其中物体 间的布尔运算被简化成一维线形形式，具有很高的计算速度。 3 2 基于图像空间的方法 d e x e l ，即d e x e l - p i x e l 模型。它对应于屏幕上每一个像素，刀具和毛坯都按 照垂直于屏幕方向的一个视线方向作有规则的离散化，给出该视线穿入和穿出点 的z 值。每一个穿入穿出点对和屏幕上相应的像素格子所围成的长方体，被称为 一个d e x e l 。对刀具和毛坯同时作d e x e l 离散，得到各自的d e x e l 表达。切削仿 真过程就是一维视线方向上两套d e x e l 数据结构之间的布尔运算过程。比较刀具 i n o u t 点z 值和毛坯i n o u t 点z 值的大小，很容易判断毛坯上材料被去除与否。 图3 2 1 表示d e x e l 结构及生成滞1 。 图3 2 1d e x e l 结构的生成 对刀具和毛坯同时作d e x e l 离散，得到各自的d e x e l 表达。切削仿真过程就 是一维视线方向上两套d e x e l 数据结构之间的布尔运算过程。比较刀具i n o u t 点 z 值和毛坯i n o u t 点z 值的大小，很容易判定毛坯上材料被去除与否。切削算法 说明如下1 2 i ： c a s el ：只有毛坯，显示毛坯，b r e a k ： c a s e2 ：毛坯完全在刀具之后，显示刀具，b r e a k ； c a s e3 ：刀具切削毛坯前部，更新毛坯的d e x e l 结构，显示刀具，b r e a k ： c a s e4 ：刀具切削毛坯内部，删除毛坯的d e x e l 结构，显示刀具，b r e a k ； c a s e5 ：刀具切削毛坯内部，创建新的毛坯d e x e l 结构，显示毛坯，b r e a k ： c a s e6 ：刀具切削毛坯后部，更新毛坯的d e x e l 结构，显示毛坯，b r e a k ： c a s e7 ：刀具完全在毛坯之后，显示毛坯，b r e a k ： 硕士论文 数控仿真建模及实现堇查塑塑 c a s e8 ：只有刀具，显示刀具，b r e a k ； 由于采用给定视线方向上的布尔运算来实现，结合光照模型，真实感较强， 在效果和效率上求得了一个平衡。但由于每一个d e x e l 结构都与一个给定的视向 相关，每更换一次视向或者仿真过程之中刀具刀轴变更一下，数据结构都要重新 生成，或者重新运行系统，或者等待一个较长的时间，影响仿真效果，所以不适 合对加工结果进行各个角度的观察。 3 3 基于离散矢量求交的方法 由于现有的实体造型技术未涉及公差和曲面的偏置表示，而像素空间布尔运 算并不精确，使仿真验证有很大的局限性，对此j e r a r d 提出了一种基于离散矢量 求交的验证方法，该方法将曲面按一定精度离散，用于这些离散点来表示该曲面。 以每个离散点的法矢量为该点的矢量方向，延长与工件的外表面相交。通过仿真 刀具的切削过程，计算各个离散点沿法矢量到刀具的距离，该方法分为被切削曲 面的离散( d i s c r e t i z a t i o n ) 、检测点的定位( 1 0 c a t i o n ) 和离散点矢量与工件实体的 求交( i n t e r s e c t i o n ) 三个过程。 o l i v e r 和g o o k m a n 基于离散矢量求交的方法，开发了一个象空间验证系统， 算法分三个模块：一是离散化模块，即把待加工模型离散成足够密的曲面网格并 得到网格法矢。第二个模块是定位模块，即对每次刀具移动抽取发生变化的离散 点和法矢。第三个模块是求交模块，即将抽取的离散点法矢与扫描体求交。这种 技术比基于实体造型技术的数控仿真计算量小，计算速度快，时间复杂性小。 3 4 基于三角网格的方法 1 0 l l l 6 1 1 1 7 l 总体来说，基于实体造型的方法中几何模型的表达与实际加工过程相一致， 使得仿真的最终结果与设计产品间的精确比较成为可能，但实体造型的技术要求 高、计算量大。基于图像空间的方法速度快得很多，能够实现实时仿真，但由于 原始数据都已转化为像素值，不易进行精确的检测。离散矢量求交法基于零件的 表面处理，能精确描述零件表面的加工误差，但如果离散方法不合适，也会造成 计算量大，运算速度慢的缺点。 基于三角网格的方法综合了基于图像空间的方法和基于离散矢量求交方法 的一些优点，在良好的系统交互性效果下，简化了模型，考虑到显示速度与显示 精度的折中，提高了绘制实时性。该算法通过计算零件表面三角片顶点与刀具扫 掠面之间的距离，计算出各三角片顶点高度值，修改自定义的数据结构，并利用 了o p e n g l 图形函数库。 硕士论文 数控仿真建模及实现技术研究 三角网格模型表示法是基于如下假设： 只有工件毛坯的上( 外) 表面才是加工表面； 平行于刀轴的一条直线与工件毛坯上( 外) 表面的交点有且只有一个； 工件毛坯的上( 外) 表面是通过每一个点的不同高度来表达加工零件的表面 形状。 因此这种模型只适用2 3 轴零件的数控加工过程的仿真。为了简化数控加工 过程的模型计算，可采用最简单的零件表面规则三角片离散法：将工件毛坯的上 表面离散为均匀点阵，再将这些点阵构造成三角形网格模型。这种模型最大的优 点是：在数控加工过程点阵的横纵坐标不发生变化，改变的仅是各点的高度值， 从而大大简化了计算过程。 对于铣削模型，我们先将工件细分成高度等于工件高度的小正四棱柱，再将 每个小正四棱柱剖