（机械电子工程专业论文）基于opengl的数控车削三维仿真系统的研究.pdf

工程硕士学位论文 基于0 p e n g l 数控车削三维仿真系统的研究 摘要 在数控机床加工零件的过程中，数控程序代码的正确性决定着加工出的零件是 否符合要求。传统的方法是采用试切法或轨迹显示法，但这些方法增加成本、延长 生产周期，或效果不佳，局限性大，容易出现设备损坏或造成人身伤害。通过该仿 真系统的研究与开发，能彻底解决生产中试切的问题；借助该系统，职业院校、培 训机构可开展虚拟实验，减少设备开销；同时也为其他仿真系统的设计提供借鉴。 该仿真系统主要研究并解决了以下问题： 首先，研究了数控车床的车削过程，对系统进行了需求分析，设计了系统的各 个功能模块，建立了仿真系统整体框架，明确了各模块的功能。 其次，研究并实现了数控代码数据流处理算法；研究并完成了n c 代码的词法分 析、语法分析和语义识别，目标代码的数据结构的构建：提出了使用c o b a r r a y 类对 象存储目标代码的方法。 再次，研究了v i s u a lc + + 平台的工作机制，0 p e n g l 图形系统在m f c 中的初始化 技术；研究并完成了在o p e n g l 图形系统中车削加工环境的建模；在研究动画技术、 仿真算法和刀具轨迹算法的基础上提出了一种简化的仿真算法，完成了车削仿真和 刀具轨迹计算。 最后，研究并实现了仿真系统的人机交互界面的设计和对错误代码和错误操作 的处理。 通过实际n c 程序的验证，该车削仿真系统能够正确处理n c 文件、翻译代码、显 示车削加工环境、动态仿真车削加工过程、处理异常情况、人机交互，实现了系统 预期的各项功能，较好地满足了车削仿真系统的需求。 关键词：车削仿真代码解释算法刀具轨迹v i s u a lc + + o p e n g l a b s t 豫c t 工程硕士学位论文 a b s t r a c t c o r r e 咖e s so fm e c h 锄i c a lp a n sd e p e n do nv a l i d 时o fn cp r o g r a md 面n gc n c m a c l l i l l i n g t h et r a d i t i o n a lm e t l l o di st r i a l m a n u f a c t u r eo r 仃旬e c t o r i e sd i s p l a y ，b u tt l l e s e m e 1 0 d sm a d et h ec o s ti n c r e 2 l s e d ，p r o d u c t i o nc y c l ei se x t e n d e da n dt h ee 恐c ti sp o o r ，t l l e s e m e m o d si sc n u m s 嘶b e d a tp r e s e n t ，吐l ee f 】ti sp o o rb e c a u s ee q u i p m e n t s 锄。吼ti s l i m i t c di nc n c 仃a i n i n gi n t h ev o c a t i o n a le ( 1 u c a t i o n 锄dt r a i n i n gi n s t i t u t i o 璐i i la d d i t i o n ，i f b e g i 眦e r so p e r a t ed i r e c t l yo nm en cl a t h eb e f o r ed o n tk n o ww h e t h e rn c c o d ei sv a j i d 时 0 rn o t t 量1 ee q u i p m e n ti sw o u l db e a g e da n do p e r a t o rw o u l de a s i l yi 画u r i e d t h r o u 曲 n 地s i m u l a t i o ns y s t e mw 嬲r c s e a r c h e d 锄d d e v e l o p e d ，t l l ep r o b l e mo fp r o d u c t i o n s t r i a l - m 锄u f a c t u r ec a nc o m p l e t e l yh a sb e e ns o l v e d ，w i t l ln l i ss y s t e m ，v o c a t i o n 2 l le d u c a t i o n 锄d 砌n i n gi n s t i t u ：t i o i l sc a nd e v e l o p et h ev 酬e x p e r i m e n t ，o v e r h e a d ，t h ed e v e l o p m e n t o fs i n m l a t i o ns y s t e mp r o v i d em er e f e r e n c ef o ro m e rs i m i l a rs i m u l a t i o ns y s t e m 锄dt 1 1 e d e s i g no fw o r dp r o c e s s i n gs o r r a r e 7 i ks i i n u l a t i o ns y s t e mm a j i l l y 咖d i e d 锄ds o l v e dt h ef o l l o 晰n gq u e s t i o 粥： f i r s t l y ，t 1 1 et o p i c ss t u d i e do nc n cl a t l 地m a c l l i i l i i 玛p r o c e s s t h es y s t 锄r e q u i r e m e n th a d b e e na i l a l y s e d ，矗m c t i o nm o d u l eo fs y s t e mh a db e e nd e s i 弘e d ，a n dm e 如n c t i o no fe a c h m o d u l eh a db e e na l l a l y s e d ，f 两 i l e w o r ko fs i i i l u l a t i o ns y s t c mh a db e e nb u l i t ，m em n c t i o no f e a c hm o i i u l eh a db e e ne n s u r e d s e c o n d l y ，t l 圮p r o c e s s i n ga l g o r i t h mo fn cc o d ed a 臆n o w1 1 a db e e ns t u d i e da n d r e a l i z e d t h en cc o d el c x i c a l 锄a l y s i s ，髓瑚眦锄a l y s i s ，s e m a n t i c s 锄a l y s i sh a db e e n c o m p l e t e d t h es 眦t l eo fo 场e c tc o d eh a db e e nb u l i t n l em e t l l o dt h a t 哟r co b j e c tc o d e 、) ，i t l lc o w m 可c l 弱sl l a db e ：e n 脚s e d a g a i 玛w o r km e c h a i l i s mo f l ev i s u a lc + + p l a t f 0 姗h a db e e nr e s e a r c h e d ， i 疵i a l i z a t i o nt e c h n o l o g yo ft l l eo p e n g lg r a p l l i cs y s t e mi nm f ch a db e e ns t u d i e 也 m a c 蛐1 i n ge n v i i 伽i m e n tm o d e l i n gh a db e e nr e s e a r c h e da n df i i l i s h e di no p e i l g lg r a p l l i c s s ) r g t e m t h e 椭a t i o nt e c h n o l o g y ，s i m u l a t i o na l g 嘶t l l m sa n dt h et 0 0 lp a t l l 对9 0 r i t l l mh a d b c s t u d i e d ，o n ek i n d o fs i r n p l i f i e ds i l n u l a t i o na 1 9 0 r i t l l i nh a db np r o p o s e d ，t l l e l a l e m u 试n gs i m u l a t i o n 觚dc a l c u l a t i o n0 ft 0 0 lp a mh a db e e nf i n i s h e d f i i l a l l y t l l ed e s i 盟o fm 觚一m a c l l i n ei n t e r f - a c e 锄dh a i l d l eo fe 玎0 rc o d ea n d 锄0 r o p e 砒gp r o c e s sl l a db e e nr e s e a r c h e da i l d 觚s h e di i lt l l es i m u l a ：t i o ns y s t e m t l m d u g l lv a l i d a t e dap r a c t i c a ln cp r o g r a m ，t l l el a ：吐l e t u m i i l gs i i i m l a t i o ns ) ，s t e mc a n h a i l d l e c o 盯e c t l y 也en cf i l e ，臼咖【l s l a t ec o d e ，d i s p l a ym a c l l i i l i n ge n v i r o n m e n t r e a l i z e i i 工程硕士学位论文 基于0 p e i l g l 数控车削三维仿真系统的研究 d y n 锄i cs i n l u l a t i o nm a c k i l i n gp r o c e s s 锄d h a n d l ea b n o 锄a l i t i e s ，h u m a n - m a c h j n e i n t e r a c t i o n 1 1 1 ed 锄锄do fl a m e t u n l i n gs i i n u l a t i o ns y s t e mh a db e e ns a t i s f i c d t h e 如n c t i o no ft h es y 娠釉h a db e e nr e a l i z e d 一 k e y w o r d s ：l a ：1 1 l e t i l n l i n gs i l l l u l a t i o n ；c o d et i 锄s l a t i o n ；舢g o r i t l l i n ；t o o lp a ：t l l ；s u a lc + + ； o p e n g l i l i 工程硕士学位论文 基于0 p e n g l 数控车削三维仿真系统的研究 l 绪论 1 1 数控车削仿真系统研究现状与发展趋势 1 1 1虚拟制造技术与数控仿真系统概述 1 ) 虚拟制造技术概述 虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t y ) ，又叫灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想 性为基本特征的计算机高级人机界面。综合利用了计算机图形学、仿真技术、人工智 能技术、多媒体技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视 觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟环境中，通过语 言、手势等自然的方式与系统进行实时交互，创建了一种宜人的多维信息空间，在制 造业及其相关行业具有广阔的应用前景。 仿真技术( s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ) 是一门多学科的综合性技术，它以控制论、 系统论、信息技术及其相似原理为基础，以计算机为工具，利用系统模型对实际的或 设想的系统进行动态试验。n 1 从狭义上讲，是在2 0 世纪4 0 年代随着信息技术的发展 而逐步形成的一类新技术；从广义上讲，仿真则在人类认识自然界客观规律的历程中 一直被有效地使用着。由于信息技术的发展，仿真技术逐步自成体系，成为继数学推 理、科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法，而且正在发展成为人 类认识、改造和创造客观世界的一项通用性、战略性技术。 虚拟制造技术( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，v m t ) 是以虚拟现实和仿 真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加 工到装配、检验、使用的整个生命周期的模拟和仿真。砼1 这样，可以在产品的设计阶 段就模拟出产品及其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量和制造过程，优化 生产管理和资源规划，以达到产品开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化 和生产效率最高化，从而形成企业的市场竞争优势。如波音7 7 7 ，其整机设计、部件 测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，其开发周期从过去的 8 年缩短到5 年；c h r y c l e r 公司与i 酬合作开发在虚拟制造环境用于其新型车的研制， 在样车生产之前，即发现其定位系统及其它许多设计缺陷，从而缩短了研制周期。 2 ) 数控加工仿真技术概述 数控机床加工零件的一般过程如下：首先，工艺人员会根据零件图纸编制好加工 工序并选择好工装夹具：然后，由n c 程序编制员根据加工的工序单按数控机床的编 程规则和代码，编制好数控程序并输入数控装置，数控机床会根据输入的信息加工出 正确的零件。 在数控机床加工零件的过程中，一个至关重要的环节是数控程序代码的编制。数 1 绪论工程硕士学位论文 控程序代码的正确与否将直接决定着加工出的零件是否符合要求，但无论是我们的 n c 程序编制人员编制的程序还是c a d c a m 系统自动生成的程序都有可能出现错误和 缺陷。p 3 为避免这样的错误发生，防止损坏设备报废零件，传统上采用试切的方法， 即在机床上试切一个软性木质或塑料的模型来验证并修改一些关键的程序，但这种方 法不但损耗资源和能量，在制作物理模型的过程中也会浪费很多的时间和成本，这样 延长了产品的开发周期，增加了产品成本，降低了产品的生产效率，从而削弱了企业 的市场竞争能力。后来，人们又采用轨迹显示法，即用计算机控制铅笔绘图器，以笔 代替刀具，以纸代替毛坯作出二维图形来仿真刀具轨迹。这种方法可以显示零件加工 轨迹，也可以检查出一些大的错误来，但其运动仅限于平面，局限性很大。为此，人 们一直在研究能代替试切的数控仿真方法。通过多年的积累和开发已经在试切环境的 模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了重要进展。 1 1 2国内外数控加工仿真研究现状 机械制造业中的仿真技术作为一种软件技术，它填补了c a d 、c a m 和生产过程管 理之间的鸿沟，实现了在计算机上制造出数字化的产品h 1 ，由于它能够保证高效地 把实际产品生产出来，因此，它适应了当前高速发展的科技和市场需求。 1 ) 数控技术的发展概况 目前，数控机床正在向高速度、高精度、高度自动化的方向发展。高速度发展的 主要目标是提高生产率，主要措施是提高主轴转速、提高进给速度和缩短辅助时间等。 【5 】 在机床总布局方面还出现了双主轴数控机床。它是针对大量的轴类零件需要在两 端均有加工要求的情况下而发展的一种新机床。双主轴机床具有左右对置的两个转速 相同的主轴，由于两者同步旋转，当工件夹持在左面主轴，进行正面( 指工件的右部 及其端面) 加工，直至结束，在不停机的状态下工件被传交至右面主轴上加工背面( 指 工件的左部及其端面) 。该类机床突破了传统加工方式，由于可进行背面加工，再结 合动力刀具和c 轴功能，轴类零件所需的各道工序能在一台机床上集中加工完成， 像这种工序高度集中，避免了工件的多次人工装夹，就能易于保证加工零件的尺寸精 度和同轴度等技术要求，加工工件的精度非但一致性好，且又提高了生产率。 近年来，在各种加工中心上配置了自动装卸工件、自动测量监控等装置，就成了 柔性加工单元( 跚c _ - f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gc e l l ) 。有些复杂零件，需经多台数 控机床才能完成全部加工，f m c 是专为适应这种需要而研制的，并在现代科学技术的 推动下，进一步发展研制成柔性制造系统( f m s f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 。 柔性制造系统由多台数控单机组成，它是一种由计算机控制和管理的柔性自动化加工 系统。随着柔性加工技术、计算机辅助技术以及信息技术的发展，现代机械制造业进 2 工程硕士学位论文基于0 p e n g l 数控车削三维仿真系统的研究 入了全面自动化阶段，机械制造的柔性自动化也进一步发展到更高的阶段一计算机集 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 dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 。它是f m c 和f m s 的高度发展，可使企业实现整体优化和自动化。c i m s 是把生产工厂的全部功能( 包 括生产管理、产品开发、制造等) 均实现计算机综合管理，它是一个市场适应性好， 交货期短，成本低，质量高的生产系统。 在柔性生产自动化发展过程中，从c n c 机床到加工中心( m c ) 、柔性加工单元 ( f m c ) 、柔性制造系统( f m s ) 直到计算机集成制造系统( c i m s ) ，进一步看到数控机 床的重要地位。总之，今后的数控机床是机电一体化的、具有人工智能的加工设备， 它在柔性自动化发展过程中将有更广阔的前景。 2 ) 国内外数控加工仿真的研究概况 作为c a d c a e c a m 系统的重要组成部分，近年来，数控仿真系统受到了普遍的重 视。国内外已经有一些成熟的商业产品，如美国的c g t e c h 公司的v e r i c u t 系统，英 国m i c r o c o m p a t i h l e s 公司的n _ - s e e 系统等。国内的字龙数控仿真系统、斯沃数控仿 真系统等也都进入了商业化阶段。 美国已形成了由政府、产业界、大学组成的多层次、多方位的综合研究开发力 量。英国b a t h 大学机械工程系用o p e n l n v e n t o r 2 0 软件工具开发出了基于自己的 s v l i s 几何造型工具的仿真系统。 在三轴数控仿真系统研究中，l e m e s h e w s k ygp ，z h a n gz ，b l u mrs 等人提出 了z m a p 方法，总结出了数控铣削过程中的两个明显特点时3 ：1 ) 只有工件的上表面 才是加工表面；2 ) 以工件的底平面上任意一点为起点。p a e l l ag 等哺1 提出的新的z 凇p 方法的基本思想是将原始的工件模型假定为长方体，将该长方体在x o y 平面的 投影长方形按照一定精度离散为m n 个均匀分布的正方形网格，从而将整个工件模 型离散为m n 个以各个正方形为底面的小长方体集合，在引入z - - m a p 方法建立工 件的几何表示后，刀具对工件实际切削过程就被近似地表示为离散小长方体高度连续 更新( 降低) 的过程。 在干涉碰撞问题的研究中，c u l l e vrk ，k e 皿p fkg 阻3 从时空的角度给出了发生碰 撞干涉的定义：即在某一个时刻t ，如果空问中位于l l ，l 2 ，l 3 ，的n 个物体 s l ，s 2 ，s 3 ，s n 中，存在一对或多对物体同时占据某块空间，那么就认为发生 了碰撞干涉。d a v i db r a f f n 们采用将凹多边形分解为凸多边形的方法来求解碰撞问题 等。 在国内，天津大学在“数控车床仿真系统开发”论文中，提出了一个基于构造 单元的工件分解表达模型，利用此模型与刀具实体模型做布尔运算，实时模拟工件 材料的去除加工过程，并验证加工结果。覃中平、张焕国1 提出了时间复杂度为 o ( 1 0 9 m + l o g n ) 的最优算法。 绪论工程硕士学位论文 合肥工业大学自主开发了数控车削编程系统h f a p t 2 ，建立了零件、毛坯的三维 模型，实现了仿真显示刀具运动轨迹，并对刀具作干涉检验；清华大学研究并开发了 数控加工仿真系统n c m s s ，实现了直观地显示刀具加工轨迹和工件轮廓，并提供n c 代码调试、编程、跟踪、执行等功能；大连理工大学开发了曲面加工微机仿真器，可 实现对各种曲面加工过程的模拟并进行加工误差分析。 数控仿真就是应用计算机对复杂的现实机械制造系统经过抽象和简化形成系统 模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而模拟系统的一系列性能。仿真以系统模 型为对象，对计算机上产生的数字产品进行分析和研究，不会影响实际生产系统。同 时利用计算机的快速运算能力，用很短的时间模拟出实际生产中需要很长工时的加 工，因此可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费。另外计算机可以重复仿 真，优化实施方案。 仿真的基本步骤为：分析系统，建立系统模型，收集仿真数据，确定仿真算法， 建立仿真模型，运行仿真模型，输出并分析仿真结果乜1 。 零件制造过程的仿真，按仿真的内容具体可分为几何仿真和物理仿真两个方面。 ( 1 ) 几何仿真 几何仿真只仿真机床、零件、毛坯和刀具轨迹，验证n c 程序是否正确，并不考 虑切削参数，切削力及其它因素所引起的几何变形，n 2 1 它可减少或消除因程序错误 而导致的机床、夹具或刀具的损坏、零件报废等问题，同减少从产品设计到制造的时 间，降低生产成本。几何仿真技术的发展是随着几何建模技术的发展而发展起来的， 它包括定性图形显示和定量干涉验证两个方面。 ( 2 ) 物理仿真 物理仿真增加了切削过程的力学仿真，它利用仿真切削过程中的动态力学特性来 预测刀具的磨损和破损、刀具振动，控制切削参数，从而达到优先切削的目的。 1 1 3数控仿真技术的发展趋势 随着计算机语言和图形技术的迅速发展，数控车削仿真系统技术正向着更智能、 更真实、更优化、几何仿真到物理仿真方向发展。 ( 1 ) 更智能：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。 ( 2 ) 更真实：优化建模技术、改进建模算法，对光照、纹理、材质进行优化， 使仿真环境和零件效果更加逼真。 ( 3 ) 更优化：仿真算法更优化、布尔运算更优化、插补算法更优化、刀具轨迹计 4 工程硕士学位论文基于0 p e n g l 数控车削三维仿真系统的研究 算算法更优化，以减少系统资源，增加运行速度。 ( 4 ) 几何仿真到物理仿真：研究数控加工过程的动力学特性，增加仿真过程的 机床振动、刀具磨损、切削热等因素对加工的影响，用以增加仿真精度。 1 2 课题的来源、研究意义 1 2 1课题的来源 国内的数控仿真研究虽然取得了一些进展，但和国外的数控仿真软件相比，在仿 真精度、速度、干涉碰撞检查、系统的稳定性和人机交互能力等方面还有不小的差距， 故我们以后要在在上述几个方面花精力予以解决。 当前，各职业院校的机械类专业开设了数控方面的课程，学生在做编程练习时， 不知道其编程结果如何；u 3 3 在培训机构中，学员通过一段时间的培训，掌握了一定的 编程知识，如果没有对数控程序仿真，容易导致在实操过程中损坏刀具、机床；在企 业中，由于编程人员的疏忽大意，正式加工时可能导致产品报废。 学校或培训机构由于设备数量少，可能导致教学或培训的效果不佳。 如果让数控操作的初学者直接在数控车床上操作，容易出现由于操作不当或程序 错误导致设备损坏，甚至引起人身伤害。 当前已有的车削仿真软件虽然功能比较齐全，但其仿真算法过于复杂，运行速度 较慢。 因此，本课题研究数控车削仿真系统，为解决职业院校、培训机构及企业的相关 问题，在数控程序编制和实操( 加工) 之间架一座桥梁，使数控操作人员在正式操作 前借助本系统观察车削仿真过程和验证n c 程序的正确性。 1 2 2课题研究的意义 根据目前国内外数控仿真的现状，紧扣数控技术的发展，设计一个比较完善的数 控车削的三维仿真系统，以供实际生产中数控程序的验证( n cv e r i f i c a t i o n ) 和虚 拟实验，省去实际生产中试切的环节。 本文的目的是研究和探讨数控车削加工仿真系统的特点及其关键技术，收集近年 来国内外数控车削仿真方面的资料，学习和借鉴其优秀成果，进一步的改善和优化存 在的不足之处，完成车削仿真系统的设计及实现，以满足职业院校、培训机构以及企 业的仿真需求。 课题的研究意义在于： 能解决职业院校、培训机构由于设备数量有限、减少或防止设备损坏、人身伤害 等问题，解决数控操作员的加工前查看仿真过程、验证n c 程序的正确性。 5 绪论工程硕士学位论文 研究车削数控仿真系统实现的关键技术、整体方案设计、优化仿真算法，为其他 仿真系统的设计提供借鉴。 完成文件读取、n c 代码识别、翻译、存储，研究新的文件处理方式和代码转换 算法，为文件处理软件提供参考。 系统能动态同步显示加工零件、毛坯、刀具运动轨迹的变化，建立了真实感较强、 精度较高的车削环境，用于仿真过程观察、验证数控车削程序，为制造业开展虚拟实 验提供平台。 1 3 本课题的研究内容 本文重点研究以下几方面的内容： 数控车削仿真系统功能需求分析，总功能，各子功能模块的组织，仿真系统的总 体方案设计及详细设计。 研究n c 代码的特点，研究n c 代码解释器的工作原理，建立目标代码的数据结构， 如何实现从n c 代码到目标代码的转换及优化工作。 研究如何建立数控车削仿真系统的车床、刀具、零件三维模型，o p e n g l 动画技 术，如何优化数控车削的仿真算法。 研究系统的人机交互界面的设计，用户与系统、系统各模块之间的通信机制。 研究错误处理机制。输入带有错误的n c 代码，构建仿真系统检查错误类型，定 位错误的算法。 、 1 4 本车削仿真系统的关键技术与创新点 1 4 1关键技术 1 ) 系统总体框架 抽象数控车削加工环境与车削加工过程，使系统既能仿真车削过程，模型又最简 单；系统总体框架保证功能既全面、又不重复。 2 ) n c 文件处理与n c 代码解释 正确处理n c 文件，构造优化的数据结构；将n c 文件中的代码准确、高效的转换 为目标代码；高效的存储目标代码。 3 ) 车床与零件几何模型的建立 车床和零件的几何建模技术。 4 ) 车削仿真实现 车削仿真算法，插补算法，刀具轨迹计算算法。 6 工程硕士学位论文 基于0 p e n g l 数控车削三维仿真系统的研究 1 4 2仿真系统的创新点 1 ) n c 代码的处理算法 从t x t 文件中读取字符串，存储字符串，再将字符串中的内容识别，存到n c 代 码类对象中；提出了使用c o b a r r a y 类实现目标代码的存储。使目标代码长度可变， 同时节省系统资源。 2 ) 车削仿真的优化算法 提出了一种简化的仿真算法，仿真过程中，不用做布尔运算，直接用剩余毛坯遮 挡零件的方法实现动态仿真；优化了插补时处理续效指令、相对坐标编程的问题。 3 ) 车削加工插补算法 在插补算法中，对上一行数控代码的坐标采用了全局变量进行存储，减少了系统 对坐标重复赋值的问题。 7 车削仿真系统总体方案设计工程硕士学位论文 2 车削仿真系统总体方案设计 2 1 概述 研究数控车削仿真系统实际上是利用仿真技术模拟现实世界中的数控车床对工 件进行车削的过程，以解决加工前需要试切的问题，此工作的性质是软件生产，仿真 系统的设计必须遵循软件生产的规律一软件工程学。【l 帕 软件工程是将软件看成是一种需要进行计划、分析、设计、实现、测试和维护的 工程性产品。n 钉软件工程综合运用了数学、物理、计算机、哲学、心理学、系统工 程等多个学科的相关知识。软件工程建立和使用完善的工程化的原则，以较经济的手 段获得能在计算机硬件上高效率工作的可靠软件的一系列方法。软件工程包括了三个 关键的要求：方法、工具和过程。n 6 1 图2 1 原型化设计的事件顺序图 编制软件必须有一系列的方法，软件工程方法则为其提供了“如何做 的方法和 技术。软件工程方法包括多项任务，其中有：项目计划与估算、系统及软件需求分析、 建立数据结构、设计程序的总体结构及算法、编码、测试和维护等。针对软件开发的 全过程，在现代软件工程中，原型化的方法被提出。原型化方法，即软件开发者构建 用户所需要的目标软件模型的整个过程。原型化设计的事件顺序如图2 1 ，本仿真 系统的开发过程中就采用了原型化的设计方法，在设计初期，只需要将车削仿真系统 的整体框架描述出来，系统的其他辅助功能在设计的过程中再逐步增加，逐步完善车 削加工仿真系统的功能，比如仿真操作、仿真环境设置、视图操作、查询等功能都可 以放在后期设计。采用原型化的设计原则与方法进行设计，由于在设计初始阶段，设 计者只需要确定软件的总体目标，不需要完全确定仿真系统的所有需求，因此可以直 8 工程硕士学位论文 基于0 p e l l g l 数控车削三维仿真系统的研究 接进入“快速设计阶段，采用原型化设计的方法能大幅度提高软件开发效率，提高 系统的可扩充性。 2 1 1系统的设计原则 数控车削仿真系统应重视虚拟现实、人机交互，应重视用户在使用软件时的参与 程度和使用者的感受。本仿真系统的设计应遵循的原则有： ( 1 ) 仿真效果的真实性综合运用三维建模技术和颜色、光照、材质、纹理等技 术，尽可能使仿真后的零件与实际零件效果接近。仿真过程考虑车削加工的工艺性， 使仿真过程成为真实加工的再现，仿真结束后能显示仿真零件。 ( 2 ) 仿真系统的人性化使用者在软件仿真过程中，能从各个角度观察仿真过程。 仿真过程中应允许实时干预，调节显示参数。系统的各项功能应该根据用户的使用习 惯，通过菜单、工具条、快捷键或快捷菜单来调用。 ( 3 ) 仿真系统的实用性不但能进行n c 程序的检查、仿真过程演示和仿真结果 的查看，还能查询毛坯和零件的尺寸、体积、重量。 ( 4 ) 仿真过程和结果的可靠性本仿真系统应可靠、容错性好，不允许死机和非 法操作。仿真模型及仿真数据应准确、可信，与实际加工相近。 2 1 2数控车床的物理模型 数控车床的车削过程，即装夹毛坯、准备刀具、输入程序、车削加工的整个过程。 进行数控车削加工是在车削加工环境中进行的。在实际的数控车床上进行零件车削加 工的物质基础由下述对象组成u ： 1 ) 车床基础件 比如床身、底座、立柱、滑座、工作台等； 2 ) 毛坯； 3 ) 刀架、刀库和自动换刀装置( a t c ) ； 4 ) 润滑、冷却、照明等辅助功能的装置； 5 ) 位置检测装置、伺服驱动装置、相关功能的控制装置； 6 ) 数控车削程序的输入装置： 7 ) 数控系统和数控装置； 机床基础件，其功能是对车床本体的零部件起支承作用，保证它们在车削过程中 处于准确的位置上；刀库和刀架用于安装与存放刀具，在程序指令执行过程中，自动 换刀装置识别t 指令，执行自动换刀。n 羽 数控程序输入装置，其功能是通过通讯接口将数控程序传输到车床的数控装置中 的内存中。 9 车削仿真系统总体方案设计工程硕士学位论文 现代数控车床均采用闭环伺服驱动系统，其关键是位置检测装置与伺服系统，它 通过测量各执行部件的实际进给位置，然后把位置信息送到伺服系统中，苒与指令位 置比较，最后将该误差转换、放大，控制执行部件根据误差做出补偿，执行相应的进 给运动。 数控装置作为数控车床的控制单元，其核心是通用或专用的计算机，数控程序输 入装置接收的数控程序，经数控系统软件和逻辑电路进行编译、运算和处理后，通过 输出的控制信号控制车床的各执行部件按程序规定的动作执行。 2 1 3总体设计中所做的工作 ( 1 ) 将数控车床结构和工作过程的物理模型抽象、简化成几何模型。 ( 2 ) 根据抽象模型，对系统总体结构进行初步设计。 ( 3 ) 选择开发环境，选用了v i s u a lc + + 6 o 为开发平台，c + + 为编程语言，o p e n g l 为图形标准。 2 2 数控车削仿真系统的需求和功能描述 2 2 1系统的需求 基于上述章节的对数控车床的分析，参考现有仿真软件，对系统的需求归纳总结 如下： 1 ) 系统需求 ( 1 ) 输入。n c 文件、键盘、鼠标输入的信息。 ( 2 ) 输出。实时仿真过程、仿真信息。 ( 3 ) 人机交互功能。 2 ) 仿真系统实现的具体功能 ( 1 ) 文件处理。零件加工过程由事先编制好的相应的n c 代码控制，仿真系统应 能打开、处理、保存n c 文件到系统所设计的缓冲区。 ( 2 ) 代码翻译。能对n c 文件进行词法分析、语法判断、语义识别，能对n c 代 码的正确性做出判断，能将n c 文件中的字符串翻译成目标代码，能将目标代码保存 至系统的缓冲区。 ( 3 ) 实时仿真。车床加工零件的步序应与n c 代码运行的步序一致，真实的表达 出n c 代码的加工意图，该仿真系统提供三维动画仿真工件车削的全过程，实现刀具 轨迹计算，零件实时显示、毛坯实时显示。 ( 4 ) 仿真控制。能够进行实时干预，能进行连续仿真、单段、暂停、停止等操 作。并能对仿真视图进行缩放、旋转、平移等操作、方便用户调整视角。 l o 工程硕士学位论文基于0 p e n g l 数控车削三维仿真系统的研究 ( 5 ) 环境显示。系统提供的三维仿真动画能够显示出机床，包括坐标系、床身、 卡盘、顶尖等仿真环境。 ( 6 ) 错误检测。检测n c 程序中的错误代码，用以校验程序的合理性。 ( 7 ) 信息显示。如：出错信息、仿真结果信息等。 ( 8 ) 其他功能。 2 2 2系统功能的框图描述 根据上述章节的功能需求，可以得到系统总体功能框图如2 2 。 图2 2 系统总体功能结构图 通过图2 2 可以看出，系统功能明确，用户只需将n c 代码输入仿真系统，进行 一些简单的设置与操作就可得到仿真过程动画和仿真信息。 2 3 系统总体结构设计 根据2 2 节中对系统功能的具体描述，该仿真系统设计成五大模块，如图2 3 所示。具体包括文件管理模块、n c 代码处理模块、仿真环境设置模块、模拟仿真模 块、信息模块。 图2 3 数控车削仿真系统结构图 车削仿真系统总体方案设计工程硕士学位论文 2 3 1系统中的各个模块的功能 1 ) 文件管理 文件管理模块负责n c 文件打开、从文件中提取字符串、存储字符串、保存现有 n c 文件。该仿真系统中能处理的n c 文件格式为木t x t 。 2 ) n c 代码处理 n c 代码处理模块负责n c 代码的词法检查、语法检查和翻译，能检查出n c 代码 的错误并给出错误类型及具体位置。 3 ) 仿真环境设置 仿真环境设置模块负责绘制出坐标系、床身、刀具、顶尖、卡盘并设置光照、颜 色、音效等。床身、刀具、顶尖、卡盘实际上是仿真环境设置模块下的几个独立的子 模块，它们分别负责绘制出床身、刀具、顶尖、卡盘的几何模型，在车削仿真之前， 只需要绘制出静态车床的几何模型，该系统中有： 坐标系的几何模型 床身的几何模型 卡盘的几何模型 刀具的几何模型 尾座的几何模型 仿真过程中要对所有的几何模型实施光照、颜色、纹理处理，并配置音效。在仿 真完成之后，此模块会绘制车床所有部分的静态几何模型，并需要绘制出加工好的零 件的几何模型。 在仿真环境设置中，用户可以根据需要显示隐藏其中某些部件，如床身、尾座。 用户也可以根据审美要求调整背景颜色、模型颜色、光照、材质、纹理、音效等仿真 环境。 4 ) 模拟仿真 模拟仿真模块负责动画模拟、消隐处理。在车削插补的每一步中，要实时更新卡 盘、零件、毛坯、刀具位置等动态模型。 在加工过程中，此模块不仅要绘制出静态的床身、尾座的几何模型，而且要绘制 出如下运动模型： 卡盘的运动模型 刀具的运动模型 毛坯的运动模型 零件的运动模型 1 2 工程硕士学位论文 基于o p e n g l 数控车削三维仿真系统的研究 2 3 2各个模块之间的关系 1 ) w i n 3 2 的消息映射机制 消息映射是w i n 3 2 程序的一个十分重要的特性，消息映射驱动了程序运行和代码 的执行。消息，即系统定义的一个3 2 位的值，一个事件被它唯一的定义。应用程序 可以向w i n d o w s 发出一个通知，告诉应用程序发生了某个事件。例如，单击鼠标、改 变窗口尺寸、按下键盘上的一个键都会使w i n d o w s 发送一个消息给应用程序。消息可 以由系统或者应用程序产生。系统产生消息以响应由应用程序带来的变化，应用程序 可以产生消息使窗口执行任务，或者与其他应用程序中的窗口通讯。 2 ) 各模块之间的通信 显然，仿真系统的每个模块可以完成特定的功能，同时和其他模块之间联系紧密。 比如文件处理模块和模拟仿真模块之间要有数据交换，文件处理模块和信息模块之间 也要有数据交换。 仿真系统的数据处理和图形显示之间的通信采用文档一视图结构。 文档类负责管理数据，并且将成员变量和方法封装，保证数据的隐蔽性，本仿真 系统中，文档类负责文件管理和n c 代码处理。其具体功能由文件模块实现，文件模 块负责从外界获取n c 文件，或者自己编辑n c 代码，为n c 代码解释提供服务。 n c 代码解释模块也是在文档类中实现的，它负责处理文件模块生成的n c 代码( 实 际上是一些无意义的字符串) ，并翻译成本系统能识别的目标代码。为模拟仿真提供 合法的数据，它是能直接别被识别的图形显示的输入数据。 。 视图类负责图形的显示，通过获取文档指针访问文档数据，本仿真系统中，视图 类负责仿真环境设置、仿真模拟以及其他对象的显示。 仿真环境设置模块也是为模拟仿真服务的，它通过与用户交互改变模拟仿真中的 仿真参数，以改变仿真的状态。 模拟仿真模块是整个系统的输出，由n c 代码解释模块和仿真环境设置模块直接 提供服务，把输入的目标代码通过视图类方法转化成直观的图形显示。 信息模块也是系统的输出，当系统执行某个操作时，通过信息模块输出信息，提 示用户进行了何种操作、操作结果如何。仿真结束后，系统能输出仿真结果。帮助信 息是信息模块中的一部分，它直接为用户提供软件使用指南，帮助用户更好的使用软 件。 2 4 人机交互界面的设计 人机界面负责系统与用户直接交互，应体现功能的完整性和操作的方便性，如系 统的使用者可以对仿真环境进行设置，设置仿真参数、光照、材质；仿真控制如仿真 1 3 车削仿真系统总体方案设计工程硕士学位论文 启动、暂停；视图变换；信息查询，如毛坯尺寸、零件形状、尺寸、加工时间等。仿 真阶段用户最关心的是仿真图形，所以这部分作为界面的主体。拟将仿真系统的主界 面设计为五个部分：标题栏、菜单栏、工具栏、图形显示窗口和状态栏，如图2 4 。 图2 4 仿真系统人机交互界面 2 5 仿真系统的开发环境 2 5 1 舳a ic h o 开发平台 1 ) v i s u a lc 椰0 开发平台简介 v i s u a lc + + 6 0 是一个备受青睐、功能强大的可视化软件开发工具。1 9 9 3 年，微 软推出了v i s u a lc + + 1 o ，随后其新版本的不断问世，到目前为止，v c 已经发展到了 9 0 版本，不过用户最多的还是v i s u a lc + + 6 0 ，v i s u a lc + + 已成为专业程序员进行软 件开发的首选工具。n 钉 v i s u a lc + + 6 0 可用于w i n d 0 w s 开发环境下个各类应用程序开发，它是v i s u a l s t u d i o 软件包的组件之一啪3 。 v is u a lc + + 6 0 不仅是一个c + + 语言编译器，而且是一个基于w in d o w s 操作系统 的集成的可视化开发环境( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o 珊e n t ，i d e ) 。v i s u a l c + + 6 0 包括多个组件，如编辑器、调试器、程序向导a p p w i z a r d 、类向导c l a s sw i z a r d 等开发工具。上述组件通过d e v e l o p e rs t u d i o 的组件集成为一个整体的人性化的开 发环境。 2 ) m f c 简介 肝c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s ) 是一个类库( c l a s sl i b r a r i e s ) ，该类库 提供一组通用的可重用的类库，是由微软公司开发的，截止2 0 0 8 年1 1 月，其最新版 本为9 0 。肝c 采用c + + 类的形式封装了w i n d o w s 的a p i ，同时包含一个应用程序框架。 m f c 中包含大量w i n d o w s 的内建控件和组件的封装类以及w i n d o w s 句柄封装类。m f c 类库中大部分类均由c o b j e c t 直接或间接派生而来。 1 4 工程硕士学位论文基于0 p e n g l 数控车削三维仿真系统的研究 开发人员可以从m f c 类派生的几个