（机械电子工程专业论文）数控加工运动仿真及材料去除的研究与实现.pdf

西北下业大学硕 l 学位论文 摘要 摘要 数控仿真是利用计算机技术 模拟数控机床的 实际 加工过程，是 c a d / c a m 的一个重要部分。 它检验数控程序的正确性， 检测加工过程是否有碰撞和干涉， 逼真地再现数控加j - 的全过程。利用数控仿真比以往的试切方法可节省大量的 财力和物力，缩减产品的开发周期，增加企业制造的集成度因此开发一个数 控仿真系统 仃 一 定的现实价值。 本文以模块化的编制方法，把仿真系统分成几个模块，并对不同的模块及 它们的功能要求，采用两种不同的建模力 一 法。文中给出了切削仿真材料去除算 法，实现了机床轴的几何切削仿真和材料去除动态仿真，具有一定的实时性， 实现了一个仿真系统的基本功能。在本文的最后，提出了离散矢量模型的改进 方法，能在提高实时性的基础上， 进一步提高数控仿真系统的仿真精 度，完善 仿真性能。 本文是以wi n 2 0 0 0 , v c +, o p e n g l 作为开发工具， 因此仿真系统也 只 适合在 wi n d o ws 平台下运行。 关键词: 数控加工;仿真;建模;算法;材料去除 西北 1_ 业大学硕 学位论文 ars tra ci abs tract c n c s i mu l a t i o n i s t o s i mu l a t e c n c m a c h i n i n g p r o c e s s w i t h c o m p u t e r t e c h n o l o g y , a n d i s a n i mp o r t a n t p a r t o f c a d / c a m. i t v a l i d a t e s t h e v e r i f i c a t io n o f n c p r o g r a ms , i n s p e c t s i f t h e r e a r e s o m e c o l l i s i o n s a n d i n t e r f e r e n c e s , a n d r e c u r s t o r e a l c n c ma c h i n in g i n c o m p u t e r . c o m p a r e d t o r e a l t e s t - m a c h i n i n g , c n c s i m u l a t i o n c a n s a v e mu c h r e s o u r c e , c u t s h o r t t h e p e r i o d o f p r o d u c t , a n d e n h a n c e m a n u f a c t u r e i n t e g r a t i o n . s o i t i s w o r t h d e v e l o p i n g a s i mu l a t i o n s y s t e m . t h i s p a p e r s e p a r a t e s s i m u l a t io n s y s t e m i n t o s e v e r a l m o d u l e s , a n d u s e s s e v e r a l d i f f e r e n t m o d e l i n g m e t h o d s a c c o r d i n g t o d i ff e r e n c e m o d u le s a n d i t s f u n c t i o n s , p r o v i d e s m a t e r i a l r e m o v a l a l g o r i t h m o f m a c h i n i n g s i m u l a t i o n . t h e s y s t e m r e a l i z e s m a c h i n e a x l e mo v e me n t s i m u l a t i o n a n d ma t e r i a l r e m o v a l d y n a m i c s i mu l a t i o n i n r e a l t i m e , h a s t h e b a s i c f u n c t i o n s o f a s i m u l a t i o n s y s t e m . a t l a s t , t h i s p a p e r p r o v i d e s t h e m e n d m e t h o d o f d i s c r e t e v e c t o r mo d e l , s o t h a t t h e s y s t e m c a n e n h a n c e s i mu l a t i o n p r e c i s i o n i n b a s e o f h i g h r e a l t i m e , a n d h a s m o r e p e r f e c t s i mu l a t i v e p e r f o r m a n c e . w i n 2 0 0 0 , v c + + , o p e n g l a r e t h e d e v e l o p t o o l k i t s i n t h i s p a p e r , s o t h i s s y s t e m i s o n l y r u n i n wi nd o ws o p e r a t i n g s y s t e m k e y w o r d s : c n c m a c h i n i n g ; s i m u l a t i o n ; m o d e l i n g ; a l g o r i t h m ; m a t e r i a l r e mo v a l 西北 u : 人学硕 1 厂 学位论文第 一 章绪论 第一章绪论 夸 1 . 1数控加工仿真概述 数控加工仿真是虚拟制造的关 键技术， 也是数 控技术、 仿真 技术与虚拟现实 技术等先 进技术的交叉应用之一。 国外在数控加工仿真方面做了 许多 工作， 如 美 国 m a r y la n d 大 学 开 发了 用 于 培 训 数 控 操作 人 员的 虚 拟 数 控仿 真 器 。 韩国t u r b o - t e k公司开发出 面向培训的虚拟数 控车削及铣削加工环境， 能够实 现数控加 工的儿何仿真， 并配有声音信息。日 木 s o n y公. 习 研制出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，并进行 于 涉、碰撞等检查。 数控加工仿真过程就是借 助计算机， 利用系统模型对实际加工系统进行实验 研究的过程。其过程可通过图 1 . 1 所示的要素间的三个荃本活动来描述。 建模活动仿真模型 仿真 试验 图 1 . 1要素间的三个基本活动 建模活动是通过对实际系统的观测或检测， 在忽略次要因素及不可 检测变量 的 基础上，用物理或数学的方法 进行描述， 从而获得实际系统的简化近似模型。 这里的模型同实际系统的功能与参数之间应具有相似性和对应性。 仿真模型是对系统的数学模型 ( 简化模型) 进行一定的算法处理， 使其成为 合适的形式 ( 如将数值积分变为 迭代运算模型) 之后， 能被计算机接受的“ 可计 算模型” 。仿真模型对实际 系统来讲是一个二次简化的 模型。 仿真实验是指将系统的仿真模型在计算机上运行的过程。 数控加工仿真是通 过实 验来研究实际 系统的一种技术。 从试切环境的模型特点来看， 目前n c切削过程仿真分几何仿真和力 学仿真 两个方面。 几何仿真不考虑切削参数、 切削力及其它 物理因素的影响， 只仿真刀 具和 卜 件几何体的运动，以验证此程序的正确性。.l可以减少或消除因程序错误 而导5 k 的机床损伤、火具破坏、刀其折断、零件报废等问题，同时可以减少从产 品设计 到制造的时ill ，降低生产成本。切削过程的 力学仿真属于 物理仿 真范畴， 它通过仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、 刀具振动， 从而达到 控制 西北 u : 人学硕 1 厂 学位论文第 一 章绪论 第一章绪论 夸 1 . 1数控加工仿真概述 数控加工仿真是虚拟制造的关 键技术， 也是数 控技术、 仿真 技术与虚拟现实 技术等先 进技术的交叉应用之一。 国外在数控加工仿真方面做了 许多 工作， 如 美 国 m a r y la n d 大 学 开 发了 用 于 培 训 数 控 操作 人 员的 虚 拟 数 控仿 真 器 。 韩国t u r b o - t e k公司开发出 面向培训的虚拟数 控车削及铣削加工环境， 能够实 现数控加 工的儿何仿真， 并配有声音信息。日 木 s o n y公. 习 研制出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，并进行 于 涉、碰撞等检查。 数控加工仿真过程就是借 助计算机， 利用系统模型对实际加工系统进行实验 研究的过程。其过程可通过图 1 . 1 所示的要素间的三个荃本活动来描述。 建模活动仿真模型 仿真 试验 图 1 . 1要素间的三个基本活动 建模活动是通过对实际系统的观测或检测， 在忽略次要因素及不可 检测变量 的 基础上，用物理或数学的方法 进行描述， 从而获得实际系统的简化近似模型。 这里的模型同实际系统的功能与参数之间应具有相似性和对应性。 仿真模型是对系统的数学模型 ( 简化模型) 进行一定的算法处理， 使其成为 合适的形式 ( 如将数值积分变为 迭代运算模型) 之后， 能被计算机接受的“ 可计 算模型” 。仿真模型对实际 系统来讲是一个二次简化的 模型。 仿真实验是指将系统的仿真模型在计算机上运行的过程。 数控加工仿真是通 过实 验来研究实际 系统的一种技术。 从试切环境的模型特点来看， 目前n c切削过程仿真分几何仿真和力 学仿真 两个方面。 几何仿真不考虑切削参数、 切削力及其它 物理因素的影响， 只仿真刀 具和 卜 件几何体的运动，以验证此程序的正确性。.l可以减少或消除因程序错误 而导5 k 的机床损伤、火具破坏、刀其折断、零件报废等问题，同时可以减少从产 品设计 到制造的时ill ，降低生产成本。切削过程的 力学仿真属于 物理仿 真范畴， 它通过仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、 刀具振动， 从而达到 控制 西 北 r 业 大 学 硕 卜 学 位 论 文第 一 章绪论 切削参数，优化切削过程的目的。 数控加工过程模拟仿真主要有两种方法:一种是对刀位文件进行的模拟仿 真， 另一种是对数 控程序代码进行的模拟仿真。 基于刀位文件模拟仿真的主要目 的是检验刀具 运动轨迹的正 确性、 安 全性， 基本能保证零件的加工质量。 基于数 控代码的模拟仿真不仅能够检查刀具的 运动 轨迹正 确与否， 还能完成干涉碰撞检 测、 工作材料去除实时仿真等功能。由于直接驱动数控机床运动的是数控程序代 码， 而不是刀位文 件， 所以 基于数控程序代码的 模拟仿真比基于刀位文件的模拟 仿真吏接近实际。 ; 1 . 2 数控加工仿真软件的现状 国 外在n c加工过程仿真方面做了 大量的研究工作， 但多侧重于刀具轨迹的 显示。 如美国 mi 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 y c o r 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 一 的刀具碰撞。 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 形显示三轴铣床粗加工过程。 在集成了可视化交互建模( v i m) 和可视化交互仿真 ( v i s ) 技术的基础上，日本的h i r o s h i ma 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 一套 v ms s系统， 它可有效地进行f ms 建模，降低f ms 开发费 用。 西德提出的 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儿何图 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 od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。 国内的n c加工仿真系统的 7 1 发与 研制多在 微机上进行。1 h 于 微机的内 存、 速度等原因， 工件、刀具的图形显示多采用两个视图的二维显示图形。 如华中理 工大学的nc p r o o f的软件系统，具有图形和n c程序的计算机编程能力， 通过 西 北 r 业 大 学 硕 卜 学 位 论 文第 一 章绪论 切削参数，优化切削过程的目的。 数控加工过程模拟仿真主要有两种方法:一种是对刀位文件进行的模拟仿 真， 另一种是对数 控程序代码进行的模拟仿真。 基于刀位文件模拟仿真的主要目 的是检验刀具 运动轨迹的正 确性、 安 全性， 基本能保证零件的加工质量。 基于数 控代码的模拟仿真不仅能够检查刀具的 运动 轨迹正 确与否， 还能完成干涉碰撞检 测、 工作材料去除实时仿真等功能。由于直接驱动数控机床运动的是数控程序代 码， 而不是刀位文 件， 所以 基于数控程序代码的 模拟仿真比基于刀位文件的模拟 仿真吏接近实际。 ; 1 . 2 数控加工仿真软件的现状 国 外在n c加工过程仿真方面做了 大量的研究工作， 但多侧重于刀具轨迹的 显示。 如美国 mi 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 y c o r 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 一 的刀具碰撞。 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 形显示三轴铣床粗加工过程。 在集成了可视化交互建模( v i m) 和可视化交互仿真 ( v i s ) 技术的基础上，日本的h i r o s h i ma 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 一套 v ms s系统， 它可有效地进行f ms 建模，降低f ms 开发费 用。 西德提出的 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儿何图 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 od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。 国内的n c加工仿真系统的 7 1 发与 研制多在 微机上进行。1 h 于 微机的内 存、 速度等原因， 工件、刀具的图形显示多采用两个视图的二维显示图形。 如华中理 工大学的nc p r o o f的软件系统，具有图形和n c程序的计算机编程能力， 通过 西北 卜 业大学硕 七学位论文 第一章绪论 生成刀具轨迹， 利用二维动画图 形显 示， 较直观地仿真n c程序加工过程， 检查 n c程序语法及加工过程的 错误 ( 如坐标尺寸、碰撞等) ，生成过程报告、刀具 使甩报告及错误报告， 用于s i n u m e r i k 8 m c数控系统的 加工中心n c 加工程 序的检验和仿真。 又如同 济大学开发的n c程序微机动画仿 真系统， 亦以二维图 形方式动态模拟加工过程， 整个程序的仿真时间与实际加工相吻合， 但也可根据 用户要求成比 例的 快速或慢速仿真， 能满足生产现场对其实时性的要求。 另外如 山东工业大学开发的n c d s s 系统是以a u t o c a d绘图 包为基础， 采用特征造型 技术， 用a u t o l i s p 语言， 通过对类零件信息描述文件及工艺文件的处理， 可自 动 生成卧式加工中心的nc程序，并对加工过程进行动态模拟显示，检验 n c程序 的正确性。 哈尔滨工业大学利用 c +和动画制作软件 3 d s t u d i o所编写的n c 仿真程序可三维演 示数控加工车削过程， 但其演示过程不涉及精度、变形计算， 并且由于仿真时需要调用 3 d s进行渲染和着色，故占 用时间长， 速度慢，不能 进行实时仿真， 只能进行定性分 析。 近来山于工作站在国内的 用户逐渐增多， 且工作站具有高速度、 大存储及较 强的图形功能， 可用三维图形逼真地再现实际加工过程，因此数控加工过程的仿 真开发工作亦开始在工作站上展开。如清华大学的 n c加工三维仿真系统 n c ms s 系统， 就是用c语言 在工作站上 实现的， 可在任选视图 ( 三 维视图和立 体图) 上直观地显示刀具加工轨迹和工件轮廓， 还提供了一套功能完备的调 试、 编辑、 修改、 跟踪执行功能， 但刀轨真实图 形显示还未 达到理想水平。 此外， 还 有针对雕塑面 及复杂表面的 系统， 如北京航空航天大学提出的针 对复杂表面区域 加工的三维自 动零件编程系统; 延边科技大学提出的以 面向对象编程方法、 充分 利用历史数据库来简化 c i m 建模过程的系统等等。目前，这些系统有的尚处于 开发和完善之中， 但大多受工作站投资大、 管理和维修复杂的局限， 未能 在实际 中得到广泛应用。 这两年来，由 于i n t e l 公司推出p 4 处理器， 大大提高了p c机的计算能力， 以 及大 容 量 存 储器 、 高 频率 图 形 显示 卡 的出 现 ， 数 控仿 真 系 统又 再 度 转 移到 在 p c机七 开发。 西北 f _ 业大学硕 l 学位沦义第一章绪论 互1 .3本课题的目的和意义 随着数控机床性能、 零件复杂 度的不断提高， 数控 n c ) 编程的难度也日 益加大， n c程序的故障率也越来越高。 如果n c代码生成 不正确的话，很可能 发 生零 件被过切或少切， 刀具 和零件、 刀 具和1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。 i fff 采用数控加工过程的动态图形仿真技术，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 错误或加工过程中 可能发生的干 涉、 碰撞等问题， 直观逼真的反映出来， 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nc程序直达到要求为止，不仅方便而且十分可靠。这样就 避免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 品的开发成本，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。 1 . 4本文研究内容及章节安排 1 . 4 . 1本文的研究内容 本文的 研究内容为开发数控仿真软件系统。 在分析国内 外数控仿 真系统软 件 现状的基础上， 实现一种能在微机上运行且具有一定实时性的数控仿真软件。 文 中先提出 仿真系统的功能结构， 针对要实 现的功能比 较几种开发方案， 并 选出 最 优的一 种作为开发手段。 在具体实现的过程中， 必须先确定机床的 建模方法， 本 文以 构 造实体法作为虚拟机床的 建模方法， 并以 此为基础实现 虚拟机床的 基本框 架。在实现切削仿真时，考虑到材料去除的复杂性，以离散矢量模型法作为工件 的建模方法，并提出离散矢量模型的优化方案， 提高仿真的实时性。木文的主要 工作放在虚拟数控的运动仿真和切削仿真工件材料去除部分。 西北一 业大学硕 上 学位论文第 一 章绪论 1 . 4 .2 本文章节安 排 第一章绪论 在查阅大量国内外资料， 的基础上， 分析了现有的数控仿真系统的现状， 总结 出本文的工作内容及工作重点。 第二章v n c仿真系统软件结构及相关开发方案 确定仿真系统的整体功能及其软件结构， 并以此为基础比较儿种常用的开发 方案，选出其中最适合于本文开发工作的一种方案作为开发手段。 第三章 o p e n g l 三维图 形编程 根据前一 章 确定的开发方案， 简要的介绍一 下 所用到的主要开发工 具， 及开 发平台的搭建。 第四章虚拟数控的几何建模和运动仿真 介绍虚拟数控的建模方法， 虚拟机床各部件的三维实现， 虚拟机床各轴的运 动仿真。 第五章 切削仿真和材料去除仿真 介绍数控仿真的切削仿真， 这是本 文的重点。 首先是介绍工件的三维建模方 法， 然后是介绍刀具扫描体及材料去除仿真的实现， 最后简要地介绍一下为了提 高仿真的实时性和仿真的精度而改进的工件建模方 法。 第六章仿真系统运行时的截图 实现的数控仿真系统运行时的几张截图， 例如直线加工仿真， 圆弧加工仿真， 圆弧f t 线加工仿真。 西北工业大学硕士学位论文第二章 v nc仿真系统软件结构及相关开发方案 第二章v n c仿真系统软件结构 及相关开发方案 2 . 1 仿真系统的总体结构设计及功能模块的介绍 虚拟数控机床根据实际nc 加工机床的状况进行初始化， 然后用nc 代码驱 动v n c m进行切削加工， 它除可描述刀具的真实运动轨迹， 完成诸如碰撞、 干涉检 查等功能外， 还可以逼真的描 述加工后工件的形位误差、 几何尺寸误差和表面粗 糙度等属性。理想的vnc加工应满足以下要求: ( 1 )存在人机交互接口 ， 使计 算机产生 友好界面。 ( 2 )全面、 逼真地反映现实的加工环境和加工过程。 ( 3 )能够对加工过程中的故障， 干涉进行检测， 对产品的 精度进行评估。 ( 4 )对加工中 不满足要求的部分进行报警。 ( 5 )能 对产品的可加工性 及加工工艺的合理性评估。 ( 6 )虚 拟数控机床的 加工 功能与相 应的实际数控机床的加工过程是一 致的。 ( )虚拟数控的加工系统的 结构 应与实际 机床的 加工系 统是 相似的。 ( g )必须具有处理多种产品和多 种加工工艺的能 力。 根据通用虚拟数控机床的特点和所要求的功能， 提出如下虚拟数控机床结构 体系 ( 如图2 . 1 所示) : 图 2 . 1 虚拟数控机床结构体系 西北工业大学硕士学位论文第二章 v nc仿真系统软件结构及相关开发方案 第二章v n c仿真系统软件结构 及相关开发方案 2 . 1 仿真系统的总体结构设计及功能模块的介绍 虚拟数控机床根据实际nc 加工机床的状况进行初始化， 然后用nc 代码驱 动v n c m进行切削加工， 它除可描述刀具的真实运动轨迹， 完成诸如碰撞、 干涉检 查等功能外， 还可以逼真的描 述加工后工件的形位误差、 几何尺寸误差和表面粗 糙度等属性。理想的vnc加工应满足以下要求: ( 1 )存在人机交互接口 ， 使计 算机产生 友好界面。 ( 2 )全面、 逼真地反映现实的加工环境和加工过程。 ( 3 )能够对加工过程中的故障， 干涉进行检测， 对产品的 精度进行评估。 ( 4 )对加工中 不满足要求的部分进行报警。 ( 5 )能 对产品的可加工性 及加工工艺的合理性评估。 ( 6 )虚 拟数控机床的 加工 功能与相 应的实际数控机床的加工过程是一 致的。 ( )虚拟数控的加工系统的 结构 应与实际 机床的 加工系 统是 相似的。 ( g )必须具有处理多种产品和多 种加工工艺的能 力。 根据通用虚拟数控机床的特点和所要求的功能， 提出如下虚拟数控机床结构 体系 ( 如图2 . 1 所示) : 图 2 . 1 虚拟数控机床结构体系 西北 卜 业大学硕上学位论文 第二章 v nc仿真系统软件结构及相关开发方案 n c 代码解释器: nc 代码翻译器接收外来的nc 程序， 控制虚拟机床的 动作 和状态。由于目前的数控代码还没有统一的 标准， 几乎各个数控厂家都有各自的 数控代码系统， 虽然大都依据 i so 标准， 但 一 般都有扩充。 这样 ， 就给适合所有的 厂家和所有的型号机床的nc 代码的翻译带来了极大的困难。 我们实现的系统是 以s a j o 为基础编写的n c代码解释器。 ( 如何实现语 法检查 及翻译) 数据计算模块:根据刀具轨迹计算加工零件新的几何形状， 根据儿何实体模型判 断两部件的空间距离来检验是否发生干涉等， 这些计算结果是虚拟制造过程中加 工方案评价以及可加工性分析所必须的。 用户交互模块: 在加工仿真过程中用户与系统的交互，用户可以随时停止加 工过程，进行 n c代码的修改，然后再进行加工。 网络通信模块:提供系统与网 络的 接口 ，可以 与外界进行n c文件的 交换， 实现远程加工和控制的可能。 机床结构拓扑关系: 定义了机床硬件各部分的约束关系， 各运动部件的平动、 转动及 运动部件的相 对运动关系， 以 及各部件的极限位置关系。 如果是多个运动 部件的 联动， 则采用 插补算法把它转化为单个 运动部件的平动或转动。 加工过程仿真模块:仿真数控机床的加工过程， 包括刀具运动轨迹仿真、 工 件材料去除仿真等。 2 .2几种开发方案及相应的开发工具 市 场上有关图形 编程的软件很多， 各个开发人员 或开发小组基于 他们各自 掌 握的软件工具的不同，以及对于开发周期和开发成本的考虑， 选择最适合 自己的 开发 具。目前数控加工仿真系统的开发方案一般来说有以下四种， 下面分别给 予介绍: 方案一: 基于v c + + 和o p e n g l技术开发 ( 1 ) v c + + 介绍 v c 6 是 运行于 w i n d o w s ( 包括 w i n d o w 2 0 0 0 / x p / n t ) 上的交互式可视化集成j i 发坏境，它是m i c r o s o ft公司 产品 v i s u a l s t u d i o 的一部分。像其它的可视化j i: 发 环 境 ( 如v is u a l b a s i c . d e lp h i . c 什 b u il d e r ) 一 样， v c 6 集 程 序 代 码 编 辑、 编 译、 连接、调度等于一体，给编程人员提供了一个完整而又方便的开发界面和许 西北 卜 业大学硕上学位论文 第二章 v nc仿真系统软件结构及相关开发方案 n c 代码解释器: nc 代码翻译器接收外来的nc 程序， 控制虚拟机床的 动作 和状态。由于目前的数控代码还没有统一的 标准， 几乎各个数控厂家都有各自的 数控代码系统， 虽然大都依据 i so 标准， 但 一 般都有扩充。 这样 ， 就给适合所有的 厂家和所有的型号机床的nc 代码的翻译带来了极大的困难。 我们实现的系统是 以s a j o 为基础编写的n c代码解释器。 ( 如何实现语 法检查 及翻译) 数据计算模块:根据刀具轨迹计算加工零件新的几何形状， 根据儿何实体模型判 断两部件的空间距离来检验是否发生干涉等， 这些计算结果是虚拟制造过程中加 工方案评价以及可加工性分析所必须的。 用户交互模块: 在加工仿真过程中用户与系统的交互，用户可以随时停止加 工过程，进行 n c代码的修改，然后再进行加工。 网络通信模块:提供系统与网 络的 接口 ，可以 与外界进行n c文件的 交换， 实现远程加工和控制的可能。 机床结构拓扑关系: 定义了机床硬件各部分的约束关系， 各运动部件的平动、 转动及 运动部件的相 对运动关系， 以 及各部件的极限位置关系。 如果是多个运动 部件的 联动， 则采用 插补算法把它转化为单个 运动部件的平动或转动。 加工过程仿真模块:仿真数控机床的加工过程， 包括刀具运动轨迹仿真、 工 件材料去除仿真等。 2 .2几种开发方案及相应的开发工具 市 场上有关图形 编程的软件很多， 各个开发人员 或开发小组基于 他们各自 掌 握的软件工具的不同，以及对于开发周期和开发成本的考虑， 选择最适合 自己的 开发 具。目前数控加工仿真系统的开发方案一般来说有以下四种， 下面分别给 予介绍: 方案一: 基于v c + + 和o p e n g l技术开发 ( 1 ) v c + + 介绍 v c 6 是 运行于 w i n d o w s ( 包括 w i n d o w 2 0 0 0 / x p / n t ) 上的交互式可视化集成j i 发坏境，它是m i c r o s o ft公司 产品 v i s u a l s t u d i o 的一部分。像其它的可视化j i: 发 环 境 ( 如v is u a l b a s i c . d e lp h i . c 什 b u il d e r ) 一 样， v c 6 集 程 序 代 码 编 辑、 编 译、 连接、调度等于一体，给编程人员提供了一个完整而又方便的开发界面和许 西北 下业大学硕士学位论文第二章 v n c仿真系统软件结构及相关开发方案 多 有效的 辅助开发工具。 v c 6的a p p w i z a r d可以 为很大一部分 类型的程序提供 框架 代码， 用户不需要书写代码， 只需要几个按钮就可以生 成一个完整的可以 运 行的程序。 和其它可视化集成化开发环境比较，用 v c 6做一些普通的界面可能体现不 出 什么优势，甚至有时候还很麻烦，需 要书写更多的代码，但用 v c 6做界面吏 加灵活，尤其当 用户需要一 些特别的界 面时 用 v c 6更加方便。因为 v c 6基于 c / c + + 语言， 又来自 于 w i n d o w s 系统操作本身的开发者 m i c r o s o ft ，与他的产品 有更好的兼容性和集成 度，提供更多的 方便。 所以 在众多的可视化集成环境中， v c 6 是wi n d o w s 代码编写人员的 最佳选 择。 ( 2 ) o p e n g l 介 绍 及 仿 真 o p e n g l 即 开 放 式 库 ( o p e n g r a p h i c s l ib r a ry ) ， 是 近几 年发 展 起来的 一 个性 能卓 越的三维软件接口， 该接口由几百个函数组成， 利用这些函数， 用户可创建 出 高 质量的 三 维图 形 ， o p e n g l 最 初 来自s g 1 公 司 为 图 形 工 作 站 开 发的ir is g l 图形库。目前 o p e n g l己 成为 i t界广泛接受的三维图形软件接口 标准，包括 m i c r o s o ft , s g i , i b m, d e c , s u n , h p 等在内的许多大公司都用其作为 三维图 形标准，许多产业纷纷以 o p e n g l为基础开发自己的产品，如动画制作软件 s o ft i m a g e . m a y a , 3 d m a x , v r 开发软 件 o p e n i n v e n t o r , wt k等。 师e n g l的几个引 人注目的 特点包括:( 1 ) 独立于软、 硬件平台，可采用 c / c + + , f o r t r a n 等多 种编程语言 进行开发， 以 它为基础的 应用 程序可十分方便地 在各种硬件平台间移植。 ( 2 ) 对网络透明。 基于o p e n g l的 应用程序可跨网络运 行， 即o p e n g l 在一台计算机上运行， 而渲染的 结果则在网 络上的另一台计算机 上显示输出， 只要服从相同的协议。 ( 3 ) 图形绘制命令从具体的窗口中独立出来， 对开发人员 来说 ，o p e n g l 最大的不 足之处在于它仅是一 个底层的 三维图 形库， 没有提供实 体建模功能， 因此用户在构 筑物体少 l 何模型上的工作量很大。 西北 1 业大学顿士学位论文 ; a _章 vn c仿真系统软件结构及相关开发方案 匡 ilrtyn:!k - 一一 一 一 一 一 一 一、 t分析功能可识别出产生错误的刀具路径纪录。 可以 将切削零件与设计模型相比 较并 进行精确 测量: 优化可自 动确定针对每段切 削的最佳进给率，并创建一个新的、更高效率的刀具路径:模型输出功能可以 c a d 兼容格式输出一个 “ 与实际加工后一样”的模型，使制造过程形成一个循 环系统。系统提供的 机床开发工具箱模块 ( m a c h i n e d e v e l o p e r s k i t m o d u l e ) 是 一个高级编程工具箱， 用以提高v e r i c u t 解释和翻译复杂或不常用的 n c数据的 能力。 图 2 . 5方案四 2 . 3 方案的比较及选择 匕 面介绍了当前四种常用的建 立虚 拟数控仿真系统的方 案， 并 对相关技术进 行了概要性的介绍。 西北下业大学倾 卜 学位论文第二章 v nc仿真系统软件结构及相关开发方案 p r o / e等软件打包销售到现在已 经发展成为独立的仿真软件， 它依靠的一 些技术 己渐渐成为事实上的行业标准。v e r i c u t系统的三维仿真功能可显示机床的运动 及工件的变化，完全与车间加工一样， 验证功能可检测出刀具路径问题，例如快 进错误，擦伤和潜在的碰撞等待;分析功能可识别出产生错误的刀具路径纪录。 可以 将切削零件与设计模型相比 较并 进行精确 测量: 优化可自 动确定针对每段切 削的最佳进给率，并创建一个新的、更高效率的刀具路径:模型输出功能可以 c a d 兼容格式输出一个 “ 与实际加工后一样”的模型，使制造过程形成一个循 环系统。系统提供的 机床开发工具箱模块 ( m a c h i n e d e v e l o p e r s k i t m o d u l e ) 是 一个高级编程工具箱， 用以提高v e r i c u t 解释和翻译复杂或不常用的 n c数据的 能力。 图 2 . 5方案四 2 . 3 方案的比较及选择 匕 面介绍了当前四种常用的建 立虚 拟数控仿真系统的方 案， 并 对相关技术进 行了概要性的介绍。 西北 r 业大学硕士学位论文 第 二 章 vn c仿真系统软件结构及相关开发方案 第 一种方案和第三 种力案都需要开发人员 进行大量代码的 编写， 首先要实 现 一 个 具 有 弹 邺造 型 和 机 械 加 一 功 能 的 软 件 ， 再 使 用 图 形 库 来 进 行 加 工 过 程 的 动态显示。 因 此， 此类方案的工作量较大， 对开 发人员要求较高， 开 发周期也相 应的增加，同时此类方案适合于汗发 一 些通用性的系统软件。 第三种方案的 优点 是可以开发出基于网络的仿真系 统，对c a d软件的网络 化有 一定的影响，缺点是尚需要大量的编程工作，而且缺乏相应的技术基础。 第四种方案使用现有 c a d / c a m 软件作为二次开发 平台，建立虚拟制造系 统。可以 充分发挥现有软件的功能， 从而大大降低开发 成本、 缩短开 发周期， 对 于专 用的虚拟制造系统是一种很好的开发方案。 但是v e r i c u t 的系 统在国内的应用才刚刚开 始， 市面上几乎没有相关的资料， 这就需要更多的时间探索、熟悉和实践，特别是对二次开发语言和功能的熟悉。 因为是从头开始编写一个虚拟数控加工仿真系统， 考虑到机床的建模有大量 的数据需要处理，而且在系统运行的过程中，有人为的交互式实时控制，恰好 m i c r o s o f t 公司的v c程序开 发系统能够提供很好的编程环境， 能很好地编辑仿真 系统的用户界面 ( u i ? ， 能实时处理用户通过u i 发出的各种消息。 我们选择了 第 一套用v c 和 o p e n g l 组合方 案做为系统开发手 段。 西北一 业大学硕 卜 学位论文第三 散 o p e n g l 三维图形编程 第三章 o p e n g l三维图形编程 3 . 1 o p e n g l的概述和功能描述 o p e n g l 是一个性能卓越的三维图形 标准， 它是在s i l i c o n g r a p h i c s ( s g i ) 等多 家世 界闻名的计算机公司的倡导下， 以 s g i 的 g l三维图形库为基础制定的 一 个 通用共享的开放式图形标准。o p e n g l 经过对g l 的 进一步发展，更加灵活方 便 地实 现了 二维和三维的高级图形技术， 在性能 上表现得异常优越。 它包括建 模、 变换、光线处理、色彩处理、动画以及更先进的图形技术，如纹理映射、物休运 动模糊效果和雾化效果 等。 o p e n g l的 这些能力为实现逼真的 三维图形效果， 建 立交互的三维场景提供了良好的条件。 o p e n g l及 其 支 持系 统 是 一 种 可 选的 图 形 生 成 环 境， 比 如o p e n g l可以 以 函数库的 形式被c语言或其它高级语言 ( 如f o r t r a n等) 调用， 也可以 被窗 口 系 统 独 立 调用 ， 目 前 大 多 数 工 作 站 和p c机 都 支 持o p e n g l。 由 于o p e n g l独 立于硬件设备、窗口系统和操作系统， 许多 计算机公司己 经把 o p e n g l集成到 各种窗口和操作系统中，其中窗口系统有 x 系统、wi n d o w s系统等，操作系统 包括 u n i x , wi n d o w s n t , wi n d o w s 2 0 0 0 等。但是， 为了 实现一个具有完整功 能的图形处理系统， 就必须把 o p e n g l与相应的软 硬件环境结合起来。 通常， 一个与 o p e n g l有关的系 统其结构可以分为 五层: 最底层是图形硬件， 第二层 为操作系统， 第三层为窗口 系统， 第四层为o p e n g l ， 最上层为应用软件。 一个 完整的图形处理系统如图3 . 1 所示。 西北一 业大学硕 卜 学位论文第三 散 o p e n g l 三维图形编程 第三章 o p e n g l三维图形编程 3 . 1 o p e n g l的概述和功能描述 o p e n g l 是一个性能卓越的三维图形 标准， 它是在s i l i c o n g r a p h i c s ( s g i ) 等多 家世 界闻名的计算机公司的倡导下， 以 s g i 的 g l三维图形库为基础制定的 一 个 通用共享的开放式图形标准。o p e n g l 经过对g l 的 进一步发展，更加灵活方 便 地实 现了 二维和三维的高级图形技术， 在性能 上表现得异常优越。 它包括建 模、 变换、光线处理、色彩处理、动画以及更先进的图形技术，如纹理映射、物休运 动模糊效果和雾化效果 等。 o p e n g l的 这些能力为实现逼真的 三维图形效果， 建 立交互的三维场景提供了良好的条件。 o p e n g l及 其 支 持系 统 是 一 种 可 选的 图 形 生 成 环 境， 比 如o p e n g l可以 以 函数库的 形式被c语言或其它高级语言 ( 如f o r t r a n等) 调用， 也可以 被窗 口 系 统 独 立 调用 ， 目 前 大 多 数 工 作 站 和p c机 都 支 持o p e n g l。 由 于o p e n g l独 立于硬件设备、窗口系统和操作系统， 许多 计算机公司己 经把 o p e n g l集成到 各种窗口和操作系统中，其中窗口系统有 x 系统、wi n d o w s系统等，操作系统 包括 u n i x , wi n d o w s n t , wi n d o w s 2 0 0 0 等。但是， 为了 实现一个具有完整功 能的图形处理系统， 就必须把 o p e n g l与相应的软 硬件环境结合起来。 通常， 一个与 o p e n g l有关的系 统其结构可以分为 五层: 最底层是图形硬件， 第二层 为操作系统， 第三层为窗口 系统， 第四层为o p e n g l ， 最上层为应用软件。 一个 完整的图形处理系统如图3 . 1 所示。 西北 业人学硕 l 学位论文 第三载op e n gl三维图形编程 应用程序层 s o f t i m a g e , d p o n o p e n g l 窗li系统 w i n d o w s , x _ w i n d o w s 操作系统 u n i x , wi n d o w s n t 图形硬件 系统 a g g - 3 d , s g 1 - x z 图3 . 1 o p e n g l 运行平台和结构 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 tu r e m a p p in g ) 、 实 时 动 画、 交 互技术。 ( 1 ) 模型绘制 o p e n g l