（机械制造及其自动化专业论文）基于参数化特征建模的虚拟数控车削加工系统研究.pdf

摘要 摘要 虚拟数控加工技术是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。而车削加工又是目前应用广泛的加工方 法，因此对虚拟数控车削加工技术进行研究具有广阎的应用前景与实际应用价值，正日 益成为国内外研究的热点。 本文基于对虚拟数控加工现状及相关技术的深入研究分析，以v i s u a lc + + 为开发环 境，利用o p e n g l 三维图形库，构建i 虚拟数控车削加工实用化系统。在系统中应用模 块化思想设计系统的总体结构，详细设计了系统中各功能模块，并对该系统中的参数化 特征建模、主要实现算法和仿真过程实现等关键技术进行了具体描述。 首先针对目前几何建模方法中存在的数据量大、布尔运算复杂、实时性差等缺点， 提出了采用参数化特征建模方法构建加王环境和加工形体对象的三维几何模型。利用该 方法对车削加工形体的几何特征进行描述，建立形体特征库，选用特征库中的几何元素， 通过参数控制来构造加工形体模型，加快了几何建模速度。， 然后根据系统实现功能，利用l e x 语言反读数控代码，获得刀位轨迹，并通过刀位 轨迹与加工形体特征模型的求交运算，得至, j 与r e 体相交数据，。“_ 生成加工信息文件。 最后在加工信息文件的驱动下，采用帧动画技术实现加工过程仿真，通过对加工工 件的直径和长度等特征参数控制，较好地解决了加工过程仿真中刀具切削运动和工件实 时变化的动画显示问题。 该虚拟数控车削加工系统具有良好的实时性、交互性以及三维图形显示能力，且避 免了繁琐的布尔集合运算，使得图形生成速度与质量均得到较好的保证。 关键词：虚拟加工；数控车削；n c 代码；参数化特征建模 大连交通大学工学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ev i r t u a ln c t e c h n o l o g y ，w h i c hw a sp u tf o r w a r d i n1 9 9 0 s ，i san e wr e s e a r c hf i e l dw i t h t 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 ) ，a n di t so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fv m n c t u r n i n gi so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e dm a c h i n i n gm e t h o d s t h er e s e a r c ho nt h ev i r t u a l n ct u r n i n gt e c h n o l o g yi sg r a d u a l l yb e c o m i n gaf o c u si nt h ew o r l db e c a u s eo fi t sw i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c ta n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e 1 b yd e e ps t u d y i n ga n da n a l y z i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dr e l a t e dt e c h n i q u e so fv i r t u a l n cm a c h i n i n gt e c h n o l o g y ，t h ep r a c t i c a lv i r t u a ln ct u r n i n gs y s t e mb a s e do nv i s u a l ( c + + a n d o p e n g l i se s t a b l i s h e d t h eg e n e r a ls t r u c t u r eo fs y s t e mi sb u i l ti nm o d u l a rt h i n k i n g , a n dt h e f u n c t i o n a lm o d u l e si nt h es y s t e ma r ed e s i g n e d t h ek e yt e c h n o l o g i e si nt h es y s t e m ；1s u c ha s p a r a m e t r i cf e a t u r em o d e l i n g ，t h em a i na l g o r i t h m ，p r o c e s s i n gs i m u l a t i o na n ds oo n ，：a 撼l l l l a d ea d e t a i l e da n a l y s i s 7 a i mt ot h ed i s a d v a n t a g eo ft h ec u r r e n tg e o m e t r i cm o d e l i n g , s u c ha st h el a r g ed a t a v o l u m e ，c o m p l e xb o o l e a no p e r a t i o n s , t h ep o o rr e a l - t i m ee t c ，t h ep a r a m e t r i cf e a t u r e ，m o d e l i n g m e t h o di si n t r o d u c e dt oe s t a b l i s ht h e3 dg e o m e t r i c a lm o d e lo ft u r n i n ge n v i r o n m e n ta n d t u r n i n gf e a t u r ef i r s t l y m o r e o v e rt h eg e o m e t r i cf e a t u r e so ft h em a c h i n i n gp a r t sa r e l d e s c r i b e d i nd e t a i lb yt h em e t h o d a f t e re s t a b l i s h i n gt h ef e a t u r el i b r a r y ，t h ep r o c e s s i n gg e o m e t r i c a l m o d e li sb u i l tb yt h eg e o m e t r i ce l e m e n t si nt h ef e a t u r el i b r a r y t h i sm e t h o da c c e l e r a t e st i l e s p e e d o fs o l i dm o d e l i n g t h e na c c o r d i n gt ot h es y s t e mf u n c t i o n ，t h en cc o d ei sr e a db yu s i n gl e xl a n g u a g et o g e tt h ec u t t i n gt o o lp a t hd a t a t h ed a t e so ft h ep r o c e s s i n gi n f o r m a t i o nf i l ea 托g e n e r a t e da f t e r i n t e r s e c t i o no p e r a t i o nb e t w e e nt h ec u t t i n gt o o lp a t ha n dt h ep r o c e s s i n gf e a t u r em o d e l ；- t h ef r a m ea n i m a t i o nt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt ot h er e a l i z a t i o no ft h es i m u l a t i o np r o c e s s f i n a l l y t h ea n i m a t i o nd i s p l a yp r o b l e mo ft h em o v i n gc u t t i n ga n d t h er e a l - t i m ec h a n g i n gw o r k p i e c ei nt h ep r o c e s s i n gs i m u l a t i o nc a nb eb e a e rs o l v e dt h r o u g hc o n t r o l l i n gt h ek e yp a r a m e t e r s o ft h ew o r kp i e c ed i a m e t e ra n dt h el e n g t h t h ev i r t u a ln ct u r n i n gs y s t e mh a ss h o w e dt h a ti th a sg o o dr e a l - t i m e ，e f f e c t i v e i n t e r a c t i o na n dv i s u a l i z a t i o no f3 dg r a p h i c s ，a n di ta v o i d st h ec o m p l i c a t e db o o l e a na r i t h m e t i c s ot h es p e e da n dq u a l i t yo ft h es i m u l a t i o nc a nb eg u a r a n t e e d k e yw o r d s ：v i r t u a lm a c h i n i n g ；n ct u r n i n g ；n cc o d e ；p a r a m e t r i cf e a t u r em o d e l i n g u 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘整銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太童塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太董塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：覆叱1 5 嗫 日期：列年月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师签名眵彤争 甚姆：沙7 年其日 电话： 邮编： 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太董塞通太堂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谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：覆1 q 日期： 卅年厂月罗日 第一章绪论 第一章绪论 近十几年来，随着计算机图形学、虚拟现实技术和可视化技术的产生，工程技术人 员试图采用这些先进技术对制造业进行改造，为产品的设计、加工、分析以及生产的组 织和管理等提供一个虚拟的环境，从而产生了虚拟制造技术。虚拟制造已成为现代制造 业中最重要的组成部分和发展方向，其中虚拟数控加工技术是虚拟制造单元核心技术之 一，成为虚拟制造领域中重要研究方向，已经越来越多地受到学术界和企业界的关注。 在实际加工之前对产品的正确性进行论证，保证加工一次就能成功，从而降低生产成本、 缩短上市时间、实现清洁生产以减少环境污染，由此提高企业的竞争力。数控车削加工 作为现代机械加工的主要方式，是目前应用最广泛的加工方法之一，因此进行虚拟数控 车削加工研究具有重要的理论意义与实际应用价值。 1 1 虚拟制造技术概述 “虚拟制造”( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，v m ) 是2 0 世纪9 0 年代初由美国首先提出的 一种全新概念，虚拟制造又称拟实制造，一些国外文献上也成为像素制造( m a n u f a c t u r i n g o np i x e l s ) 或屏幕制造( s c r e e nm a n u f a c t u r i n g ) 【。虚拟制造的出现，是现代科学技术 和生产技术发展的必然结果，也是各种现代制造技术与系统发展的必然趋势。但目前虚 拟制造技术仍然处于探索阶段，国际上还没有对“虚拟制造”概念做出一个统一的定义， 佛罗里达大学g l o r i aj w i e n s 等人、佛罗里达国际大学c h e t a ns g u k l a 、美国空军w r i g h t 实验室、大阪大学的o n o s a t o 教授等都从不同角度出发，对于虚拟制造给出了各具特点 的描述1 2 】。但总的来讲，虚拟制造涉及到多个学科领域，是对这些领域知识的综合集成 与应用，可以认为：虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质体现，即采用计算机仿 真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、 性能分析、质量检验以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制 造过程各级的决策与控制能力【3 1 。 “虚拟制造”虽然不是实际的制造，但却实现实际制造的本质过程，通过计算机技术 得到实际产品的全数字化模型，其最终目标是反作用于实际制造过程，用来指导生产实 践，提高人们的预测和决策水平使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地1 4 】，虚拟 制造与实际制造的关系如图1 1 所示。虚拟制造可以对现实或想象中的制造活动进行仿 真，它基本不消耗现实物质资源，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的， 它的突出特点表现为： 大连交通大学工学硕十学位论文 ( 1 ) 以数字模型为核心。虽然虚拟制造有其自身的特点，但它的本质还是属于仿 真技术，还离不开对模型的依赖。制造领域涉及到的模型有产品模型、过程模型、活动 模型和资源模型l 。 ( 2 ) 以模型信息的集成为根本。由于模型之间不可避免地存在着信息冗余，虚拟 制造对单项仿真技术的依赖决定了它所面临的是众多的适应各项单项仿真技术的异构 模型，如何合理的集成这些模型就成了虚拟制造成功的关键【5 j 。 ( 3 ) 以高逼真度仿真为特色。高逼真度具有两个方面的含义：仿真结果的高可信 度以及人与虚拟环境交互的自然化。虚拟制造的目标是通过仿真技术来检验设计出的产 品或制定出的生产规划等，使得产品开发或生产组织一次成功【2 1 。这种模型结果的可信 度就成为其成功的保证。 ( 4 h 人与虚拟制造环境交互的自然化。新的仿真环境，以人为中心，使研究者能 沉浸其中，通过多种感知渠道直接感受不同媒体映射的模型运行信息，并利用人本身的 智能进行信息融合，深刻地把握事物的内在本质。 图1 1 虚拟制造和实际制造的关系 f i g 1 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r a c t i c a lm a n u f a c t u r i n ga n dv i r t u a lm a n u f a c t u r i n g 这里的制造是指广义的制造，仅包括产品的设计、加工及装配，还包含对企业生产 活动的组织与控制。从这个观点出发，可以把虚拟制造划分为三类：以设计为中心的虚 拟制造、以生产为中心的虚拟铝| j 造和以控制为中心的虚拟制造咐。 ( 1 ) 以设计为中心的虚拟锘i j 造 这类研究是将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程中，并在计算机中进行数字 化再“制造”，仿真多种制造方案，检验其可制造性或可装配性，预测产品性能和报价、 2 第一章绪论 成本，其主要目的是通过“制造仿真”来优化产品设计及工艺过程，尽早发现设计中的问 题，从而使设计达到最优。，一 ( 2 ) 以生产为中心的虚拟制造 这类研究将仿真能力加入到生产计划模型中，其目的是方便和快捷地评价多种生产 计划，检验新工艺流程的可信度，产品的生产效率，资源的需求状况，也即是在虚拟环 境下模拟现实环境的一切活动及生产的全过程，对产品进行预测评价，从而实现制造过 程的最优。 ( 3 ) 以控制为中心的虚拟制造 这类研究是将仿真能力增加到控制模型中，提供对实际生产过程仿真的环境，其目 的是在考虑车间控制行为的基础上，评估新的或改进的产品设计与车间生产相关的活 动，从而优化制造过程，改进制造系统。以控制为中心的虚拟制造系统偏重于现实制造 系统的状态、行为、控制模式和人机界面，通过全局最优决策的理论和技术，突破企业 的有形界限和延伸制造企业的功能。 虚拟制造可从根本上改变传统的产品设计、制造模式，在产品真正制造出之前，首 先在虚拟制造环境中应用软产品原型代替系统的硬样进行试验，对其性能和可制造性进 行预测和评价，从而可大大缩短产品设计与制造周期，降低产品的开发成本，提高产品 快速响应市场变化的能力1 7 】。 由于虚拟制造技术的先进性，并具有诱人的应用前景，对虚拟制造的研究在国内外 越来越受到重视，许多国家在此领域进行了大量研究。 在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， 尤以美国国家标准及技术局( n i s t ) 的研究最具代表性。n i s t 于1 9 9 4 年就启动了一个 长期项目s i m a ( s y s t e mi n t e g r a t i o no fm a n u f a c t u r i n ga p p l i c a t i o n ) ，该项目覆盖了设计、 加工、装配和过程建模，以及车间控制和调度等和制造有关的方方面面的活动，着重进 行制造信息的描述、系统接口的研究和相应测试床的开发1 3 1 。除了n i s t 外，美国波音 麦道飞机制造公司、m a r y l a n d 大学c i m 实验室和m i c h i g a n 大学虚拟现实实验室等许多 企业科研院所都从多方面进行了虚拟制造系统的研究和开发。 欧洲许多大学和研究机构通过相互间合作并联合企业进行虚拟制造技术的研究工 作。英国b a t h 大学机械工程系主要在支持虚拟制造的删洲仿真软件的开发应用 方面做了大量研究，主要成果是用o p e n l n v e n t o r 2 0 软件工具开发了基于自己的s v l i s 几 何造型工具的虚拟制造系统。英国t o u g h b o r o u g h 大学开发了基于并行工程原则的产品 和过程建模的通用集成模型，芬兰p o h j o i s s a v o 理工大学也从事虚拟工厂项目的研究【1 1 。 3 大连交通大学工学硕+ 学位论文 日本目前已形成以大阪大学为中心的研究开发力量，以实际应用为目标，针对制造 厂设计需求，建立了车间层的虚拟制造系统。 同国外发达国家相比，我国虚拟制造技术的研究还有一定的差距，但已经弓 起我国 科技工作者的高度重视。目前我国已经有多家科研机构、高等院校和企业正在开展虚拟 制造技术方面的研究。清华大学c i m s 工程技术中心虚拟制造研究室是国内最早开展虚 拟制造技术研究的机构之一，另外上海交大、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、南 京航空航天大学等也都已经进行了相当深入的研究。国家8 6 3 c i m s 主题也将“制造系统 的可视化、虚拟建模与仿真”确定为研究重点【m 。虚拟制造系统是一个复杂的系统，其理 论基础和体系尚未形成，正处于研究探索阶段。 1 2 虚拟数控加工技术 1 2 1 虚拟数控加工技术概述 虚拟数控加工技术是虚拟制造单元核心技术之一，成为虚拟制造领域中重要研究方 向，已经越来越多地受到学术界和企业界的关注。它应用虚拟现实技术实现加工过程的 仿真，目的是实现加工过程在计算机上的真实再现。虚拟数控加工将计算机仿真技术引 入零件的数控加工当中，对实际加工过程进行三维图形直观形象的模拟，是数控加工过 程在虚拟环境中的映射1 9 1 。随着高速计算机和图形显示设备及算法的不断发展，采用虚 拟数控加工仿真在一定程度上可以代替传统的试切法及刀具轨迹显示法，大大缩短数控 程序调试周期、降低试验成本、提高验证数控程序的可靠性及实际加工的智能化，增加 整个产品的竞争能力。 虚拟数控加工是实际加工在计算机上的本质实现，一般采用三维实体仿真技术，在 三维实体仿真软件的支持下，以n c 代码为驱动，数控指令翻译器对输入的n c 代码进 行分析处理，根据指令生成相应的刀具轨迹，并与被加工零件的几何体进行求交运算、 碰撞干涉检查、材料去除等，生成指令执行后的中间结果，所有这些虚拟加工过程均在 计算机屏幕上通过三维动画显示出来。指令不断执行，直到所有指令执行完毕，虚拟数 控加工任务结束，这一流程可用图1 2 描述。 4 第一章绪论 图1 2 虚拟加工流程图 f i g 1 2t h ev i r t u a lm a c h i n i n gf l o w c h a r t 根据以上对虚拟数控加工技术的着手，包括模型的建立、人机交互功能、刀具描述， 可以知道一个完整的虚拟数控加工系统要实现对现实加工过程的模拟，就要从多方面与 工件的相对运动、毛坯材料的去除和数控代码的处理等。图1 3 是一个典型的虚拟数控 加工系统功能结构图。 厂、一n c 代码处理模块h 刀具运动 人 机 ，l 造型模块卜、 ， 用 交 。 卜_ 叫材料去除 互 叫动画模块卜_ j 户接 口 v 、 加工过程仿真结果 图1 3 典型虚拟数控加工系统结构图 f i g 1 3t h es t r u c t u r ed i a g r a mo fat y p i c a lv i r t u a ln cm a c h i n i n gs y s t e m 由于虚拟数控加工技术在提高产品加工效率、缩短产品制造时间、提高加工安全性 和经济性方面起着十分重要的作用，近年来国内外许多学者都对该技术进行了深入研 究。随着数控加工的精度要求越来越高，效率要求越来越高，而n c 程序越来越复杂， 对虚拟数控加工技术研究的重要性就日渐显著。 5 大连交通大学工学硕+ 学位论文 1 2 2 虚拟数控加工国内外研究状况 到目前为止，国内外对虚拟数控加工的研究主要集中在两个方面，一方面是方法的 研究；另一方面是系统的研究。下面分别介绍两方面在国内外的具体研究状况。 ( 1 ) 虚拟数控加工方法的研究 国内外对虚拟数控】j n - r 的研究从方法上主要可以分为两个方面：基于实体模型的仿 真和基于离散模型的仿真。 基于实体模型的仿真主要是研究各种刀具与毛坯进行布尔减的快速运算方法【埘。 v a nh o o k l l l j 在1 9 8 6 年就采用了一种在专用硬件设备上的快速观察切削过程的方法，提 出了一种局部布尔减算法，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，校验时间长。w p w a n g 和k k w 【1 2 j 开发的验证五轴切削的系统采用了整体布尔减 运算，此方法的难点是如何精确地确定刀具扫描体。还有人采用了八叉树法表示实体， 来提高实体模型的几何描述精度和布尔运算的速度。 基于离散模型的仿真，一般是通过将阻面离散，计算在一系歹| j 离散点上盐面法矢和 刀具模型的交点来进行的。该思想最早出现在1 9 9 0 年由j e r a r d1 1 3 , 1 4 等人提出的一种基 于曲面的仿真验证方法，该方法将曲面离散成一系列的网格点，采甩 一缓存算法将网 格点的z 坐标与刀具的z 深度比较，得至i 加工的误差。后来由c h a p p e l l l s 开发的“点一 矢量”法奠定了离散模型仿真的基础，此方法是通过在曲面上选择一些点来近似表示该 曲面，选该点的法矢方向为该点矢量的方向，延伸该矢量，使其与零件的毛坯体相交或 与其它曲面相交为止，通过模拟刀具的切削过程，计算刀具扫描面与点矢量的交点，计 算点矢量起点与交点的距离s ，如果s 0 为欠切。虽然c h a p p e l 给出 了详细的算法，但他没有给出如何选择点的方法。o l i v e r 和g o o d m a n 1 6 1 在m i c h i g a n 卅 立大学开发的一个系统中运用图形映射的方法给出了选择离散点的方法：从屏幕的每个 象素点向零件表面透射射线，交点则为该零件表面的近似点。另外h s up l ，y a n gw 个1 7 j 提出了一种z m a p 数据结构的细分毛坯方法和等角投影的显示方法，其方法大大提高了 图形显示的速度，该方法在许多车肖i j 加工仿真中被采用，尽管可以很好地处理车削加工 仿真的图形显示，但是因其因离散造成的数据量大，求交运算复杂，也使得该方法在实 际应用中受到一些限错。 国内近年来对虚拟数控加工的研究也很多，许多高校研究所如清华大学、南京航空 航天大学、哈尔滨工业大学以及西北工业大学等都对该技术进行了深入的研究。西北工 业大学的赵继政【1 8 】用不同的颜色来显示不同方向的被加工工件的离散面片，由此来实现 图形的消隐，但真实感效果不是很好。东北大学的葛研军【1 9 j 等研究开发的基于光线跟踪 的数控车床加工仿真系统，他们用简化的光照模型生成具有相当好的真实感的加工仿真 第一章绪论 图形，仿真过程通过生成幸a v i 文件再播放实现，因其不能很好的达到实时仿真效果，影 响了系统的功能。南京航空航天大学还开发的基于a c i s 平台的s u p e r m a n c a d c a m 2 0 0 0 的车削铣削仿真模块，提出了基于精确扫描体构造的c u b o i d a r 】r a y 数控仿真验证仿真算 法。由于数控车削加工本身的复杂性，要在虚拟车削加工中做到很好地实时动态显示真 实感图形，还有一些难度，许多问题还有待进一步解决。 ( 2 ) 虚拟数控加工系统的研究 在虚拟加工系统研究方面，国外经过多年发展，已经形成许多产品化的软件。美国 的m a r y l a n d 大学开发了用于培训数控操作人员的v n c 机床仿真器。韩国的t u r b o t e k 公司1 9 9 9 年开发出面向培训的虚拟数控车削及铣削加工仿真系统，该系统能够不仅能 够实现数控加工的几何仿真，而且配有声音信息。同时，韩国大学也开发出基于v r m l 与j a v a 的网络版c a m 系统【驯。日本s o n y 公司研制的f r e e d a m 系统可对球头铣刀 加工自由曲面进行三维仿真，并进行干涉、碰撞检查。德国的m t s 公司1 9 9 6 年推出了 一套虚拟数控机床加工仿真系统，在这系统提供逼真的二维和三维的加工仿真效果，还 能计算出所需的加工时间等。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，采用真实感图形显示铣床精加工过程。新加坡国立大学开发了一套基于v r m l 的 数控机床加工仿真系统能够计算刀具的寿命及切削应力【2 1 l 。此外，还有p r o e , u g 欺 专业级的应用软件。 目前国内在虚拟加工系统上的开发虽然比国外要落后一些，但是也有许多研究成 果，例如，哈尔滨工业大学与香港理工大学合作研制出了虚拟加工与检测系统( v i r t u a l m a c h i n ea n di n s p e c t i o ns y s t e m ，v i m s ) ，该系统可以模拟机床和坐标测量机的运动、 模拟刀具和测头的运动轨迹、检验n c 代码，用数控代码驱动完成虚拟加工与测量过程 以及模拟切削与测量过程等。上海宇龙工程软件有限公司研制开发了数控机床加工仿真 系统软件，该系统能让用户在其虚拟环境中进行模拟测量等操作清华大学与华中科技大 学( 华中理工大学) 合作研制出了加工过程仿真器( h m p s ) 2 0 1 ，加工过程由n c 代码 直接驱动，可对编程系统、半手工及手工编制的n c 代码进行正确性检验，能提供建立 机床加工模型的功能，能在精确形体表示下，实现快速三维图形显示加工过程动画。目 前也有一些商业化的c a d 支撑软件上市，如清华大学和华中理工大学共同开发的高华 c a d 、中科院p i c a d 、浙江大学的i c c c 软件，北京航空航天大学先后推出的金银花、 c a x a 等。虽然取得了一些进展，但总的来说，国内的数控仿真系统软件同国外相比还 有很大的差距，国内还没有形成自己特色的工程化商业化软件系统，因此，我国现阶段 主要研究开发面向工程化、实用化的系统软件。 7 大连交通大学工学硕士学位论文 1 3 课题研究意义及主要研究内容 1 3 1 研究意义 随着经济的发展，数控技术由于自身的高效、柔性和多功能在当今制造业中占有重 要地位，已成为我国乃至国际上制造业不可缺少的高新技术。但是由于数控技术的广泛 应用，带来的数控代码的复杂化和错误率也明显提高。传统上一般采用试讶法及刀具轨 迹显示法来检查数控程序的正确性以及被加工零件是否达至l j 设计要求，以避免产生加工 错误并防止干涉和碰撞的发生i 冽。然而试切法过程周期长、成本高，且占用了加工设备 的工作时问。而刀具轨迹显示法是以绘图工具代替刀具，以纸代替毛坯来仿真刀具运动 轨迹，此方法因为其运动形式仅限于二维平面，因此局限性很大。因此，对数控加工过 程进行仿真，在一定程度上代替传统的试切法及刀具轨迹显示法来检测加工中的错误将 有重要意义。为保证数控技术更快更好的发展。国外虽然已经有相当成熟的数控仿真商 品化软件问世。但他们对核心技术如仿真切肖f j 过程的几何表示及快速真实感图形显示、 过切欠切的验证等算法严格保密。而国内的数控仿真系统仍然处在研究阶段，功能完善 的商品化软件还没有在市场上出现。在许多方面，仍然有很多问题需要深入的研究，所 以有必要对其关键技术进行进一步研究。 在研究了国内外相关技术文献以及一些数控仿真软件的基础上，综合考虑至l 工程应 用的实际需要，我们认为一个有效的虚拟加工系统还可以从以下几个关键技术上着手完 整 口 ( 1 ) 选用良好的几何建模方法。目前常甩的建模方法主要分为实体造型和离散造 型。从理论上讲，实体造型法是最精确的仿真验证算法，但其由于几何信息多、布尔运 算复杂的缺点，无法达至i j 实时性盼仿真效果。离散造型法虽然可以很好地实现仿真，但 因其精度与速度的相互制约，降低了检验的效率。 ( 2 ) 建立合理的数据结构。在虚拟加工中，各个模型都是由许多数据信息组成， 如果没有一个合理的数据结构，就会暂用大量盼内存空阎，影响了系统的仿真速度。 ( 3 ) 采用尽可能简单且高效的算法。尽量避免运算量巨大且梧当耗时的布尔运算。 ( 4 ) 仿真过程应该即能保证速度又能保证质量。在建模方法和算法的基础上，仿 真过程要对零件的切削过程及最后生成的零件工件能够清晰地、直观地显示在计算机屏 幕上，同时还需有很好地实时性。 其中我们可以看出，建模技术是整个虚拟加工系统的核心，算法和仿真过程都是在 建模的基础上加以实现的。近年来，随着参数化特征建模技术盼出现，许多研究人员都 试图将该技术应用到虚拟数控加工中，进而使得虚拟数控加工有进一步的发展。 8 第一章绪论 1 3 2 论文研究内容 本学位论文的研究工作是在辽宁省教育厅科学技术研究项目基于分形理论的 切削加工仿真建模技术研究( 项目批准号：0 5 1 0 4 4 ) 资助下进行的。本论文即以数控车 削加工作为研究对象，以参数化特征建模技术为基础，研究实现虚拟数控车削的算法及 关键技术，建立了虚拟数控车削加工实用化系统。具体研究内容如下所示： ( 1 ) 根据虚拟数控车削加工系统的设计目标和设计原则，应用模块化思想构建虚 拟数控车削加工系统的总体结构，详细设计系统中各功能模块，并开发简洁友好的用户 界面。 ( 2 ) 基于参数化特征建模技术的优势，对加工环境和加工形体进行参数化特征建 模，通过建立适合车削加工几何特征的数据结构，对加工形体的几何信息和拓扑信息进 行描述，建立形体特征库，利用特征库中的几何元素来构造加工中所需要的几何形体， 取代目前数控仿真技术所必须的运算量极大的布尔集合运算，来保证图形生成质量和速 度。 ( 3 ) 在利用l e x 语言反读数控代码，获得刀位轨迹之后，详细论述刀具轨迹与加 工形体特征模型求交运算的具体实现，得到与毛坯相交数据，生成加工信息文件，作为 建模和仿真实现的源文件。 ( 4 ) 以加工信息文件为依据，采用帧动画技术实现加工过程的仿真，并在加工过 程仿真时通过控制工件的直径和长度等特征参数，解决数控车削加工仿真中刀具切削运 动和工件实时变化的动画显示问题。最后通过实例分析来验证系统的有效性。 9 大连交通大学工学硕士学位论文 第二章虚拟数控车削加工系统的总体结构设计 一个完整的虚拟数控车肖i 加工系统应具有多方面的功能，其实现需要涉及多种学科 方面的知识，并且各学科之间有着紧密的联系，要开发这样一个面向虚拟制造的复杂的 数控车削仿真系统，首先需要对系统进行总体设计，拟定系统的总体设计方案，并建立 系统的总体结构。 2 1 虚拟数控车削加工系统总体设计原则和功能描述 2 1 1 系统总体设计原贝l l 虚拟数控车削加工系统是真实的车削加工在虚拟环境下的映射，其开发涉及内容广 泛，因此在系统设计之初就要考虑到以后的不断发展完善。针对这些要求，在全面分析 生产中实际使用的数控车床的操作方式和编程原理的基础上，了解了目前的研究方法 后，本系统以v i s u a lc + + 6 0 作为系统开发的软件平台，采用o p e n g l 技术在w i n d o w sx p 操作系统下进行对虚拟数控车削加工系统的开发。在该系统设计时考虑了以下设计原 则： ( 1 ) 实甩性：仿真要能实现车削的多种形式，用户界面直观、友好并且应力求简 单；适用范围广，不仅能进行数控教学，又能用于实际生产，具有很好的实用前景。本 系统采用了友好的中文界面，并提供了操作方便的用户接口。 ( 2 ) 先进性：在系统设计开发时采用先进的技术手段，- 并借鉴现有研究成果，在此 基础上能有所突破。本文在研究了他人的许多研究方法的基础上，采用参数化特征建模 方法对加工形体建模，并在此基础上实现求交运算和材料去除的仿真实现，能避免复杂 的布尔运算，且具有良好的仿真速度。 ( 3 ) 可扩充性：即虚拟车剀系统应该采用模块化结梅，一方面便于维护和修改， 另一方面根据实际需要可以方便地进行扩充。在本系统中，按照实现功能将系统分为几 个大的模块，每个模块之问即有一定得联系，又在一定程度上保持独立，可以对每个模 块单独修改，也可以根据需要添加新的模块到系统中。 ( 4 ) 可移植性：为了使研究成果能够进一步推广应用，虚拟车斟采用标准的编程语 言和图形软件编码实现，尽量减少对硬件的依赖性。本系统采用v i s u a lc + + 6 o 对系统 进行了设计和实现，利用开放式图形库o p e n g l 作为图形硬件的软件界面，实际上是一 种与硬件无关的编程界面。本系统也没依赖于其它软件包，降低了对软件应用平台的要 求。 1 0 第二章虚拟数控车削加t 系统的总体结构设计 ( 5 ) 可靠性：系统能够准确地模拟车削加工过程，仿真结果真实可靠，有一定的实 用价值，能反映加工的真实过程。本系统根据标准数控代码，提取刀具轨迹，计算出走 刀路径，并根据刀轨与形体的实际相交情况得到形体变化数据，利用三维图形，真实可 靠地反映出加工的实际过程。1 2 1 2 系统功能描述 在现实的数控车削加工中，采用数控车床加工零件时，只需要将零件图形和工艺参 数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到数控车床控制系统中，再由其 进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号，从而控制主轴的旋转和车刀的进给，实 现毛坯体材料的去除，自动地加工出零件来。虚拟数控车削加工要在计算机的虚拟环境 中完成真实加工过程的再现，就必须能完成车削加工中各个功能。因此，一个完整的虚 拟数控车削加工系统应具有如下多方面的功能： ( 1 ) 实现刀位轨迹的提取。读取数控代码，从中提取出驱动刀具运动的信息数据。 ( 2 ) 生成加工信息文件。如果只是有刀具的轨迹信息，是无法在虚拟加工中实现 仿真功能的，还必须将加工信息与加工形体进行求交运算，将产生的几何形体变化数据 保存，作为加工信息文件，来驱动仿真中模型的变化。 ( 3 ) 能完成加工环境模型和加工形体模型的建立。包括模型线框图和实体图的显 示，并能实现画面的缩放、平移和旋转等不伺视角的图形观察。 ( 4 ) 动态实时显示功能。屏幕不但能动态显示材料的去除过程和刀具的运动过程， 而且实时显示正在执行的程序段，包括刀位点的起始点坐标( x z 和i k ) 、刀具号及工艺 参数( 进给速度，主轴转速) 。 ( 5 ) 过程控制功能。在实际加工中，可以通过车床上的开关按钮来控制实际的加 工过程，因此，在虚拟加工系统中也需要通过仿真界面上的按钮对加工过程进行控制， 包括仿真过程的开始、暂停和单步实现等。 2 2 虚拟数控车削加工系统总体结构 根据系统设计原则和功能描述，在虚拟数控车削加工系统的设计过程中采用模块化 的设计思想，通过把整个过程分成各个功能相对比较独立的子模块，并单独完成各个子 模块的设计，最后把各个子模块连接起来组成一个完整的虚拟数控车削系统。根据虚拟 加工系统的功能设置将整个系统划分为数控代码处理模块、加工环境设置模块、求交运 算模块、加工形体模型建立模块、过程仿真模块以及图形处理和显示模块，各模块功能 如图2 1 所示。 大连交通大学t 学硕士学位论文 图2 1 系统模块功能结构囹 f i g 2 1t h em o d u l ef u n c t i o n ss t r u c t u r eo fs y s t e m 1 2 第二章虚拟数控车削加工系统的总体结构设计 ( 1 ) 加工环境设置模块 加工环境的设置是以实际加工为基础，在仿真之前需要完成毛坯体尺寸的定义、刀 具库的建立，以及卡盘夹具等基础设备的描述。 ( 2 ) 加工形体模型建立模块 建立加工形体模型是系统的关键，根据实际数控车削加工过程，几何形体可分为待 加工形体、未加工形体及加工后形体。利用参数化特征建模方法构造所需特征库，提取 特征库中的特征体素对各形体分别进行建模。+ ( 3 ) 数控代码处理模块 ， 数控代码以文本文件的格式存储，系统仿真过程中无法直接识别n c 程序，因此必 须对代码进行转换，该模块是在分析了n c 代码结构和格式的基础上，利用l e x 反读数 控代码，实现数控代码的读取，提取出刀位信息和其它加工参数信息( 包括刀具号、加 工速度、主轴转速等) 。 ( 4 ) 求交运算模块 该模块是整个系统的重要组成部分，对刀具每一基本动作的轨迹点坐标与被加工形 体进行求交运算，生成加工信息的数据文件，作为仿真实现的源文件。 ( 5 ) 过程仿真模块 在该模块中，将环境设置与加工形体建模集合，以加工信息文件作为仿真源文件， 采用帧动画技术，实现刀具轨迹的运动和材料去除过程。 ( 6 ) 图形处理和显示模块 根据观察者的需要，对仿真图形的显示进行控制，主要包括旋转、平移和缩放的变 换处理和图形的线框显示和实体显示控制。 2 3 虚拟：j n t 用户界面设计 我们所要建立的虚拟数控车削加工系统的目标是：在一个统一的仿真界面中实现三 维场景的布置、加工过程的动态仿真及控制，同时能够显示仿真过程中的一些加工信息。 因此，在系统的开发中，将充分地利用v c + + 中的m f c 编程的优点来开发本系统的图 形界面。v c + + 6 0 中的基于m f c 类库的w i n d o w s 可执行程序提供了三种形式的应用程 序：单文档应用、多文档应用和对话框应用程序，根据所建立的虚拟系统的需要，方便 数据的管理，在此我们选用基于单文档应用程序作为系统的基本框架，另外考虑到界面 中各个功能的设计，选用c f o r m v i e w 视类与单文档类对象连接，创建名为v i r t u a l _ t u r n i n g 的工程。在仿真过程中，对图形的观察、操作与控制以及加工信息的显示，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。在建立了应用程序框架的基础 1 3 大连交通大学r 学硕十学位论文 七添加自定义的功能按钮和菜单等来完成用户界面设计。图形界面的设计应该满足美 观、简洁、易操作等特点，如图2 2 所示。 酎2 2 系统用户界面 f i 9 2 2 u s 盯i n t c r f s c eo f t h es y s t e m 用户界面主要分为五部分：菜单控制区、毛坯定义区、加工信息显示区、按钮控制 区和加工图形显示区： ( 1 ) 菜单控制区：除了包括系统本身的一些基本菜单外，主要定义了图形处理菜 单项，可以实现图形的主视图、俯视凰和右视母自4 观察控制。 ( 2 ) 毛坯定义区：通过输入毛坯相关参数值，完成毛坯图形的绘锚。 ( 3 ) 加工信息显示区：甩于显示加工过程中每步加工中的起点坐标、终点坐标以 及刀号、进给和转速等参数值便于观察者直观地了解加工过程中的各种信息。 ( 4 ) 按钮控制区：通过按钮命令来实现数控文件的处理，中问数据的提取，以及 仿真开始、暂停和中问过程盼控制。 ( 5 ) 加工图形显示区：显示图形的绘制和加工过程。 本章小结 本章首先对虚拟数控车自4 系统进行了总体分析，并在此基础上提出了虚拟数控车削 加工系统实现的总体结构设计方案，采用模块化的设计思想对系统总体进行了模块分 割。并分析了各