（机械制造及其自动化专业论文）投影管屏凸模补偿系统研究及开发.pdf

中文摘要 本文对通过补偿凸模间接保证投影管屏内表面曲率达到质量要求的方法进 行了研究，以计算机图形学、软件工程理论、数据库技术、数控加工技术等为 理论基础，以v b 6 0 编程语言为工具，用一种简单实用的样条曲面建立了凸模 曲面数学模型，并对曲面光港过渡及数控加工程序的生成方法做了研究，开发 了投影管屏凸模补偿系统。全文主要研究内容概括为以下几方面： i 针对投影管屏内表面变形复杂与测量点数目应尽可能少这一对矛盾，用 c a r d i n a l 双三次样条曲面建立了投影管屏凸模的曲面模型，解决了如何用较少的 测量点来准确的描述屏内表面变形情况从而准确修f 屏凸模的问题。由于屏内 表面各个区域的变形相互影响，需要在屏凸模曲面造型时能够反映屏内表面的 这一变形特点，而c a r d i n a l 双三次样条曲面简单实用，同时满足了屏凸模曲面造 型的这一需要。 2 使用和曲面相同的网格拓扑结构以及数学模型来构造倒角过渡曲面，通 过l a g r a n g e 二次插值曲线近似描述凸模曲面边缘变化状态的方法，解决了凸模 曲面补偿后的目标曲面与侧壁的光滑过渡问题。用加密参数线的方法解决了凸 模圆角过切问题。 3 丌发了数控程序生成模块，采用局部等参数步长法生成刀具轨迹，即在 走刀方向上步长按等容差计算，而在加工进给方向则等参数步长计算。 4 针对补偿过程中既有对文件的管理，又有对屏及凸模所有原始数掘和形 状参数，以及系统运行中的中侧数据的管理的问题，用公共数据库技术对数据 进行综合管理，解决数据与文件过多难于管理的问题。 关键词：投影管，凸模，曲面造型，n c 程序，数据库 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h em e t h o dt oe n s u r eq u a l i t yo fi n n e rs u r f a c eo f p r o j e c t i o nt u b es c r e e ni n d i r e c t l yb ym e a n so fa m e n d i n gi t sp l u n g e rm o l d w i t h t h ea i d o fc o m p u t e rg r a p h i c s ，s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，d a t a b a s et e c h n o l o g y ，n ct e c h n o l o g ya n d v bp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，ar e l a t i v e l ys i m p l ea n dp r a c t i c a ls p l i n ef u n c t i o ni su s e dt o c o n s t r u c tm a t h e m a t i cm o d e lo fs u r f a c e ，m u l t i - s u r f a c es m o o t ht r a n s i t i o na n dm e t h o d s o f n cm a c h i n i n gp r o g r a ma r ea l s or e s e a r c h e dh e r ea n dac o m p e n s a t i o ns y s t e mf o rt h e p l u n g e rm o l di sd e v e l o p e d t h em a j o rc o n t e n ti ss u m m a r i z e da sf c l l l o w s ： 1 i nv i e wo ft h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ec o m p l i c a t e dd e f o r m a t i o n so fi n l e t s u r f a c eo fs c r e e n sa n dt h er e q u i r e m e n to fs m a l la m o u n to fm e a s u r e dp o i n t s ，c a r d i n a l b i c u b i ci n t e r p o l a t i o ns p l i n es u r f a c ei su s e dt oc o n s t r u c tm a t h e m a t i cm o d e lo fs u r f a c e ， w h i c hs o l v e st h ea b o v ep r o b l e mc o r r e c t l y t h ec a r d i n a lb i c u b i ci n t e r p o l a t i o ns p l i n e s u r f a c e ，as i m p l ea n dp r a c t i c a lf u n c t i o n ，m e e t st h en e e dt h a tt h ef i g u r eo ft h es u r f a c e o f 血ep l u n g e rm o l dm u s tr e f l e c tt h ed e f o r m a t i o n so ft h ei n n e rs i l l f a c eo fp r o j e c t i o n t u b es c r e e n sw h i c hi n f l u e n c ee a c ho t h e ri nd i f f e r e n ta r e a s 2 t h es a m ef u n c t i o na n dt o p o l o g ys t r u c t u r ei su s e dt oc o n s t r u c tt h ef i l l e t t r a n s i t i o ns u r f a c eb e t w e e nt h es u r f a c ea n dt h es i d eo fp l u n g e rm o l d b yu s i n go f l a g r a n g eq u a d f i ci n t e r p o l a t i o nc u r v e ，t h ep r o b l e mo fs m o o t ht r a n s i t i o nb e t w e e nt h e c o n s t r u c t e ds u r f a c eo ft h ep l u n g e rm o l da n dt h es i d ei sr e s o l v e d f u r t h e r m o r e ，t h e p r o b l e mo fo v e r c u ta t t h ec o r n e ro ft h ep l u n g e rm o l di sr e s o l v e db ym e a n so f i n c r e a s i n gt h en m n b e r o fp a r a m e t e rc u r v e s 3 t h em o d u l eo fn cp r o g r a mg e n e r a t i o ni sd e v e l o p e ds o m er e s e a r c h e so n m e t h o d so fn cp r o g r a n ag e n e r a t i o na r em a d e ，a n d ，a tl a s t ，w ea d o p tt h el o c a le q u a l p a r a m e t e r sm e t h o do fc o m p u t i n gs t e p - l e n g t h n a n a e l y ，t h es t e p 。l e n g t h i sc o m p u t e d a c c o r d i n gt ot o l e r a n c e i nt h ed i r e c t i o no fc u t t e rm o v i n ga n dt oe q u a lv a l u eo f p a r a m e t e ri nt h ed i r e c t i o no fm a c h i n i n gz o n e 4 i nt h ep r o c e s so fc o m p e n s a t i n g ，t h e r ea r en o to n l ys o m ek i n d so fd a t ab u t a l s os o m ek i n d so fd a t af i l e sw h i c hn e e dt ob em a n a g e d ，s u c ha st h ef i g u r ep a r a m e t e r s o fp l u n g e rm o l da n di n t e r i md a t ad u r i n gs y s t e m sc o m p u t i n gp e r i o da n ds oo np u b l i c d a t a b a s et e c h n o l o g yi su s e dt os o l v et h i sp r o b l e mt h a tt o om a n yd a t an e e dt ob e m a n a g e d k e y w o r d s ：p r o j e c t i o nt u b e ，p l u n g e rm o l d ，s u r f a c em o d e l i n g ，n cp r o g r a m ，d a t a b a s e 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和取得的 研究成果，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，也不包含为获得苤洼盘鲎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：参务 签字隰汐 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签窈 导师签名 签字日期： 口夕年月 同签字同期：p s ，月二同 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 近年来，随着人们生活质量的提高，背投电视迎来了它的销售春天。2 0 0 1 年世界背投彩电产量2 4 0 万台，2 0 0 2 年全球背投彩电销售3 0 0 万台，预计到2 0 0 7 年将达到8 4 0 万台【i8 1 。目前世界上生产背投彩电的企业国外有东芝、飞利浦、 松下、索尼、三星、同立等，国内有海信、创维、康佳、长虹等【35 1 ，其中投影 管玻壳大部分是由玻壳专业厂家生产【4 0 】。投影管玻壳( 如图1 1 所示 2 】) 产品 有着巨大的市场需求和潜力，其开发与研制有着巨大的经济价值。除了传统的 玻壳企业，如康宁( c o r n i n g ) 1 4 6 1 ，旭硝子( a s a h 舻8 1 ，n e g l 4 7 1 等大型跨国集团，国 内还有上海旭电子玻璃有限公司( s a e ) ，河南安阳彩色显象管玻壳有限公司f 4 9 1 ， 天津津京玻壳股份有限公司【5 ”，石家庄宝石电子玻璃有限公司等。近期韩国三 星在深圳龙岗建成了目前世界最大玻壳生产基地，是世界玻壳行业最大的独立 工厂，预计年产值3 0 亿元，利润5 亿元9 5 2 3 。面对巨大的市场，各玻壳厂家都希 望抢先生产出优质背投电视投影管玻壳，以占领市场获得好的经济效益。 图】一i 投影管玻壳( 津京玻壳厂产品) 目前国外的康宁，旭硝子，n e g 等大型玻壳厂家都掌握着玻壳制造的关键 技术，而国外这些大公司为了自身的利益，不可能输出最先迸的设备和技术。 国内的上海旭电子( 与旭硝子合资) ，河南安彩集团( n e g 技术) ，天津津京玻 第一章绪论 壳( n e g 技术) ，石家庄宝石电子( n e g 控股) 等众多玻壳厂家在制造技术上 落后于国外公司，有的受国外公司在技术方面的控制。自主开发玻壳制造中的 关键技术可以使国内玻壳生产企业摆脱国外大公司的技术控制，同时也可降低 ( a ) 下料 ( c ) 压制 图1 2 玻屏压制过程 ) 保温 ( d ) 成型 生产成本，提高经济效益。 由津京玻壳股份有限公司承担的经国家科技部立项，信息产业部和天津市 科委共同组织的高清晰度投影管玻壳及相关技术研究攻关项目，对高亮度、 高清晰度电视( 简称h d t v ) 投影管玻壳商品化、规模化生产中所面临的主要 技术难题进行了研究，同时要建成一条年产2 3 0 万只h d t v 投影管玻壳的生产 线。在整个项目攻关和建设中，如何保证屏内表面曲率质量是关键技术之一。 目前，津京玻壳厂对屏凸模的补偿修正技术仍然依赖于河南安阳公司。为获得 修正模具所需的数控加工程序，须先将测量的玻屏及其凸模数据传送给河南安 第一章绪论 阳公司，然后在安阳公司处理并生成数控加工程序后，再传给滓京玻壳厂，耗 费时间长，效率低，造成原材料浪费和生产成本过高，产品价格没有竞争力。 为了拥有自己的玻壳生产关键技术，提高产品质量和合格率，提高企业竞争力， 开发屏凸模误差补偿系统对津京玻壳股份有限公司来说势在必行。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 投影管屏生产技术 目前投影管屏的成型加工技术主要是两种，一种是压制成型，另种是离 心成型。离心成型法模具制造简单，但屏锥封接部比较粗糙，封接精度差。压 制成型法封接精度高，但模具制造复杂，制造精度要求高。 在压制成型过程中( 如图1 2 所示) ，玻璃料在熔融状态下滴入到凹模内， 在1 0 0 0 0 c 左右的温度被挤压，经过强制冷却，在4 5 0 0 c 左右成型1 3 ”。此过程中 屏内表面会受到凸模温度、凹模温度、冲压速度、冷却效果等因素【36 j 的影响， 变形复杂，很难保证一次性压制出内表面曲率符合要求的玻屏产品。由于屏侧 壁的存在，屏内表面不能用研磨的方法进行修正，必须通过补偿修正凸模的方 法间接保证屏内表面曲率合格。 1 2 2 补偿方法 ( a ) 图1 3 网格划分方法 ( b ) 1 1 ， 国外的旭硝子、n e g 、康宁、飞利浦等公司都掌握着自己的屏凸模补偿技 术，同时在屏凸模曲面造型问题方面有所不同。在网格节点的划分上，n e g 采 用中心向外辐射及按角度旋转两个参数方向划分( 如图l - - 3 ( a ) ) 。其优点是网格 点比较少，节省检测产品及模具的时削；缺点是控制点分布不均匀，不易造型。 第一章绪论 阳公司，然后在安阳公司处理并生成数控加工程序后，再传给津京玻壳厂，耗 费时间长，效率低造成原材料浪费和生产成本过高，产品价格没有竞争力。 为了拥有自己的玻壳生产关键技术，提高产品质量和合格率，提高企业竞争力， 开旋屏凸模误差补偿系统对津京玻壳股份有限公司来说势在必行。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 投影管屏生产技术 目劬投影管屏的成型加工技术主要是两种，一种是压制成型，另一种是离 心成型。离心成型法模具制造简单，但屏锥封接部比较粗糙，封接精度差。雎 制成型法封接精度高，但模具制造复杂，制造精度要求高。 在压制成型过程中( 如图l 一2 所示) ，玻璃料在熔融状态下滴入到凹模内， 在1 0 0 0 0 c 左右的温度被挤压，经过强制冷却，在4 5 0 0 c 左右成型p “。此过程中 屏内表面会受到凸模温度、凹模温度、冲压速度、冷却效果等冈素口”的影响， 变形复杂，很难保证一次性压制出内表面曲率符合要求的玻屏产品。由于屏侧 壁的存在，屏内表面不能用研磨的方法进行修正，必须通过补偿修正凸模的方 法间接保证屏内表面曲率合格。 1 2 2 补偿方法 ( a ) 图i 一3 网格划分方法 、1 ， 国外的旭硝子、n e g 、康宁、飞利浦等公司都掌握着自己的屏凸模补偿技 术，同时在屏凸模曲面造型问题方面有所不同。在网格节点的划分上，n e g 采 用中心向外辐射及按角度旋转两个参数方刚划分( 如图i - - 3 ( a ) ) 。其优点是网格 点比较少，节省检测产品及模具的时间：缺点是控制点分布不均匀，不易造型。 点比较少，节省检测产品及模具的时间：缺点是控制点分布不均匀，不易造型。 第一章绪论 其它厂家则采用的是矩阵式划分( 如图1 - - 3 ( b ) ) 其优点是曲面质量比较高，不 易产生凹凸：缺点是网格划分比较密，控制点多，要求有快速检测设备，并要 花费更多时间。 河南安阳彩色显象管玻壳有限公司靠引进n e g 和康宁技术经过消化吸收掌 握了一套误差补偿技术，上海旭电子，石家庄宝石电子两公司则完全由外商负 责技术问题，天津津京玻壳厂目前使用河南安阳公司的补偿系统。由于各玻壳 生产厂家对其产品的关键技术进行严格的保密，因此要想拥有屏凸模的补偿技 术必须进行独立自主的开发。 河南安阳公司最早引进日 本n e g 公司的专用软件【3 l j 来生 成补偿修f 凸模所需数控加工 程序，该软件是用p o r t r a n 5 0 语言编制的一组计算程序， 该组程序是8 0 年代初开发的， 受到了当列计算机性能和编程 语言的影响。该软件对屏凸模外 图1 - 4n e g 补偿方法的测量点分布 表面任意一点p 计算方法f 1 7 1 如下： ( 1 ) 设d ，为点p 到坐标原点o 的距离 d 广z j 十y ； 这里脚，一，是点p 的坐标。设暑e 为点p 相邻两条射线上测量点，它们到坐标原 点o 的距离等于d ，g ，q 2 ，q 1 ，q 4 为测量点( 如图1 - - 4 所示) 。 ( 2 ) 设乙，z z t 为尸，只，最点对应厚度值，岛，魄，氆、，气为测量点g ，q 2 ，q ， q 4 到坐标原点。的距离，z 酋，z u ：，气，乙为测量点q j ，q z ，q 3 ，q 4 对应的厚度 值，毛，乞，z g ，乞。可以通过测量得到。毛，互；计算方法如下： b = l o g ( z 凸) 1 0 9 ( d r ) ；d o , ) z ( 。 卜面了( 口，) 6 z “= c ( q ；) 8 ，z b = c ( ) 8 c 3 ) a 。a ，a ：为对应点所在射线与水平线夹角，则 第一章绪论 z 。= z 。+ ( z ，。一z ，。) = l 竺 。 1一 a r 一4 受当时计算机硬件和语言的限制，利用此专用软件编制的数控加工程序加 工出的屏凸模曲面刀痕太大，残留高度超过0 1 m m ，只能作为粗加工，要达到 使用要求需要再利用数控钻床在屏凸模表面以目标值数据钻直径3 m m 的孔，由 钳工用砂纸将表面研磨平并抛光，以此来保证曲面曲率的正确性。 随着通用c a d c a m 软件的不断发展，通过对通用软件的二次开发来解决 凸模补偿问题将成为未来发展的方向。法国m a t r a 公司1 5 。j 在1 9 9 7 年推出了 c a d c a m 软件s t y l e r ，可用一组控制点直接构造出一个曲面，该软件设置 了众多的可控参数，还为曲面的保凸性检查提供了强有力的工具。s t y l e r 软 件有一个检查模块，能自动显示某一方向截面蛆线圆弧的圆心分布情况，十分 方便曲面质量的检查。但软件价格较高，同时需要有较高的软件二次开发费用。 开发专用软件有低成本、操作简单快捷、针对性强的优势。使用各种编程语言， 通过各种样条函数来解决投影管屏凸模目标曲面构造的曲面造型问题，并丌发 出专用的补偿软件仍然是目前选择的主要方法。 1 3 本文主要内容及最终目标 投影管屏内表面理论上是具有恒定曲率的球面，但由于玻璃的收缩变形、 模具变形、冲压速度以及环境温度等各种因素的影响，最终压制成型的产品内 表面不是理想球面。由于玻屏侧壁的存在，玻屏内表面不能用研磨的方式保证 其形状符合质量要求，只能通过补偿凸模来蚓接保证玻屏内表面形状达到质量 控制的要求。 为了满足投影管屏生产过程中对玻屏凸模进行快速补偿的需求，本文要开 发一套专用的投影管屏凸模补偿软件。该软件应该具有数据处理、数据库管理、 智能补偿分析、加工程序生成等功能，同时应形成一套完整的管理系统，并经 过实际应用验证符合生产过程的屏内表面质量控甫0 要求，满足生产需要。产品 测量数据得出后能够及时地产生补偿的数控加工程序，用该补偿软件生成的n c 加工程序对模具进行几次补偿后，使用被补偿模具能够压制出合格的产品。针 对上述目标要求，本文围绕以下几方面内容展丌： 1 阐述课题产生的背景和意义，综述国内外相关技术的研究概况，并提出 主要研究内容以及课题最终的目标。 第一章绪论 2 根据实际生产需要，同时考虑开发一套投影管屏凸模补偿系统可能遇到 的问题，对系统总体方案做了阐述。 3 针对投影管屏凸模补偿的客观需要，在对各种曲面描述方法相互比较的 基础，建立凸模曲面数学模型，同时探讨了曲面建模中遇到的几个问题，及其 对数控加工的影响。 4 阐述了本文使用的数控加工程序的生成方法。 5 给出全文结论和今后工作展望。 第二章系统方案设计 第二章系统方案设计 本章根据津京玻壳厂实际生产中的客观需求，基于模块化的思想，兼顾使 用的编程语言，针对几种不同类型投影管玻壳屏产品，以凸模实体为对象，提 出了开发投影管屏凸模补偿系统的总体设计方案。根据凸模补偿全过程中的各 方面需要，对系统丌发做了总体规划；然后对系统的构成模块做了详细介绍， 给出了各个模块实现的功能：最后对如何实现对各个型号玻壳屏产品数据、对 应凸模数据、各类原始数据以及生成的各种文件的综合管理做了介绍。 2 1 系统结构 2 1 1 总体规划 为了能够给系统的开发做出合理的总体规划，有必要对系统应该具有的功 能以及凸模补偿的全过程做详细了解。 本文最终的目标是开发出一套完整的补偿系统，此系统能够满足对1 8 c m 系 列投影管屏凸模的补偿需求。该系列产品包括18 t p 、18 t s 、1 8 t h 等( 图2 1 、 图2 2 分别为18 t p 的屏及其凸模的图纸) ，每个型号的产品尺寸形状有所不同， 其对应的产品原始几何形状参数等需要分别管理，因此在运行系统时，系统应 该首先确认被补偿产品的型号。 玻璃压制过程中，一个凸模与多个底模循环配合作业，因此，在工艺系统 性能稳定的情况下，每批屏的内表面质量只和同一凸模相关。对同一型号投影 管屏，系统应按不同凸模分别管理对应凸模压制出的屏产品测量数据以及根据 屏测量数据生成的数控加工程序、相关数据文件等。针对这一需求，在确定了 玻屏型号后，接下来系统应从操作者那里获得凸模号的信息。 在确定了补偿对象后，系统要对采集的屏内表面数据进行处理，获得被测 屏内表面与其理论内表面的误差，根据此误差和凸模当前形状，借助适当的曲 面造型方法来计算凸模的目标曲面。这里的凸模目标曲面指的是根据玻屏和凸 模测量数据( 是一些离散数据) ，使用适当的数学公式构造的凸模被补偿后的曲 面形状：理想的凸模目标曲面指的是根据玻屏的实际内表面状况对凸模被补偿 箜三童墨竺查窒垦盐 剀2 11 8 t p 投影管屏 第二章系统方案设计 图2 21 8 t p 投影管屏凸模 9 第二章系统方案设计 前的曲面上无限多的点作一对应的修正构成的曲面，是完全理想的，但却是 不可能得到。根据屏内表面测量数据和凸模测量数据构造凸模目标曲面时，由 于构造曲面的网格节点是测量获得的离散点，需要用适当的方法根据这些离散 点构造出曲面。即使这样，所构造的凸模曲面上除曲面网格节点之外的点也不 能完全正确反映屏内表面的误差情况，节点多少及节点分布方式则影响着构造 的凸模目标曲面与实际理想的凸模目标曲面的误差，但节点太多会造成计算困 难，需要选择适当控制点分布、控制点数量和数学公式。由此可知，系统应该 具有适当的曲面造型功能。这一功能将由系统的分析计算模块提供。 系统最终要输出的是补偿凸模所需的数控加工程序和相关数据文件。为了 提高凸模补偿效率，降低生产成本，针对不同的屏内表面变形情况，系统应具 备生成整体加工、局部加工、打点加工三种加工程序的功能。在屏凸模目标曲 面构造好后，系统需根据凸模补偿数据，先判断加工方式，然后生成刀位数据， 并根据实际应用的数控机床生成数控加工程序。 作为一个完整的可操作的软件系统 3 2 , 3 3 , 3 4 1 ，系统需要对诸如数控加工文件、 屏测量数据文件、凸模测量数据文件等各种文件进行管理，同时也有对玻屏及 凸模所有原始数据和形状参数，及系统运行中的中间数据的管理。采用数据库 管理技术对数据进行综合管理，可以解决数据过多难于管理的问题，提高工作 效率和系统的可操作性。 根据上述投影管屏凸模补偿的具体需要，同时考虑到尽可能缩小补偿周期 满足操作简单快捷不易出错的要求，本文制定了系统的工作流程，如图2 3 所 不。 2 1 2 系统构成 针对系统需要具备的功能，系统主要由主模块、图形显示、分析计算、n c 程序生成、数据及文件管理等模块组成，如图2 4 所示。 i 主模块 主模块是整个系统的管理与协调模块。 2 图形显示模块 此模块主要是用来显示系统生成的屏凸模的目标曲面形状和数控加工刀具 轨迹，给使用者提供一个友好的操作界面，并通过图形显示的方式对所生成的 凸模目标曲面和刀具轨迹的j 下确性进行检查。 第二章系统方案设计 确定凸模编号1 凸模数据 笙角斟奎蛩慧 l目标数据 严乏岁。 i 局部加i ，丫 n c 程序计算ljn c g 序计算jfn c 程序计算 输出n c 程序文件 输出凸模数据文件 结束 数 据 库 图2 3 系统工作流程 3 分析计算模块 此模块对所采集的屏内表面离散数据进行处理，根据屏内表面的变形情况 对当前凸模曲面进行补偿，利用合理的曲面数学模型生成凸模目标曲面。分析 计算模块是系统的核心模块，n c 程序生成模块也是通过该模块获得生成n c 程 序的必要数据，系统要输出的其它数据和相关管理文件等也要从该模块获得相 关数据。 凸模目标曲面的数学模型则是分析计算模块的核心，所采集到的屏内表面 及凸模测量数据是一些离散数据，不能提供加工凸模所需全部数据，需要适当 的数学模型生成凸模目标曲面，然后爿请生成加工程序。 星 第二二章系统方案设计 4 n c 程序生成模块 此模块的主要功能是对分析计算模块得到的凸模目标曲面和当前模具曲面 形状进行分析，决策加工方式。最后，计算和输出凸模曲面及倒角过渡面的加 工程序。本文根据实际生产的客观需要，生成三种n c 程序。 ( 1 ) 曲面整体加工n c 程序 当屏内表面形状误差比较大，整个凸模曲面都需要改变形状；或者在屏内表 面某一区域的变形比理论形状凸起，需要改变凸模对应区域形状，以便使重新 压制的屏产品的内表面该区域的玻璃厚度符合质量要求时，系统将生成对凸模 进行整体加工的n c 程序。 主模块 图形显示分析计算n c 程序生成 数据及文件管理 1 凸模曲面形状1 玻璃及凸模测l 全部加i n c1 计算过程的中 显示量数据分析处理程序生成间数据管理 2 加工轨迹显示2 凸模曲面目标2 局部加i 。n c2 测量数据及目 形状生成程序生成标数据管理 3 打点加r n c 3n c 程序文件 榉序生成及相关文件管理 图2 4 系统构成 ( 2 ) 曲面局部加工n c 程序 当屏内表面形状误差不大，只需要在凸模某一区域表面去除少量材料，即 可改变屏内表面对应区域厚度，使之符合质量要求时，系统可选择生成局部n c 程序。这种n c 程序能用相对少的加工时间补偿凸模，提高定的工作效率。 ( 3 ) 曲面打点加工n c 程序 在凸模补偿过程中，有时所需补偿量非常小( 补偿量 0 2 m m ) ，只需要使用 数控钻床在凸模曲面要去除材料的区域钻相应深度的孔，然后打磨至表面光滑 即可，这时系统可以生成打点加工n c 程序。玻壳生产过程中存在着提高凸模补 偿效率以降低原材料消耗的客观需要，打点加工能够与实际生产情况相适应的。 5 数据及文件管理模块 第二章系统方案设计 这一模块中既有对文件的管理，同时也有对屏及其凸模所有原始数据和形 状参数，及系统运行中的中间数据的管理。在凸模补偿过程中，需要测量屏内 表面及凸模以获得其曲面形状数据，以便在补偿中使用，这些数据必须分类存 储。同时，在对屏内表面的测量数据分析整理过程中，一些中间数据也需要进 行临时的存储。最后，输出凸模补偿后目标曲面数据，测量点误差数据及加工 程序等。用数据库技术对数据进行综合管理，可以解决数据过多难于管理的问 题。 2 2 数据库系统 数据库系统 1 8 , 2 0 , 2 1 1 是组织、存取和维护大量数据的人机管理系统，是由计算 机硬件、软件和数据库组成的有机总体。随着计算机技术快速的发展，目前一 般微机都可以存储几十g b 甚至上百g b 的数掘，同时有强大的操作系统支持， 其功能完全能够满足本文丌发的软件系统的需要，这里不对所需的计算机的硬 件配置及操作系统等做详细探讨。本文主要针对所要开发的软件系统、相关数 据库技术以及产品数据结构进行阐述。 早期的数据管理采用的是文件管理系统( f m s ) ，数据按内容、结构和用途 组成若干命名的文件，用户通过操作系统对文件进行各种操作。数据库管理系 统与文件管理系统相比有许多优点。数据重复性不复存在，数据库在理论上是 可以做到无冗余集合。同时，数据的j 下确性、一致性等都是由管理系统来保证 的，而对于文件管理系统，数据的完整性是靠用户自己维持的。数据管理系统 的数据是独立于使用它们的应用程序的，若数据存储结构或全局逻辑结构改变， 应用程序不需随之改变，而文件管理系统则不能做到这一点。当然，数据库管 理系统对数据的安全性也提出了更高的要求。数据库管理系统的实现要比文件 管理系统复杂，难度相对较高。 2 2 1 系统数据管理 本文使用v b 60 丌发语_ 言- 4 24 3 作为主语言，在w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统下 并使用了a c c e s s 数据库管理系统丌发了数据库系统。 第二章系统方案设计 数据库系统中一些数据是相对稳定的，不需要经常改动的如产品型号、凸 模轮廓数据、生成曲面网格节点所需参数等重要的原始参数以及各个特征网格 节点对应的比例因子等。对这些数据，本文通过人机对话的形式一次性以数据 表的形式存储到数据库中。图2 - - 5 显示的是补偿系统中对屏外轮廓原始参数的 操作界面以及存储这些外轮廓原始参数的a c c e s s 数据表。对于其它参数，如特 征网格节点的比例因子等也以类似的方式依序存储在不同数据表中，当系统调 用这些参数时也需要依序调用。系统计算过程中生成的屏内表面误差、凸模目 图2 - - 5 ( a ) 系统原始参数的操作界面 图2 - - 5 ( b ) 存储原始参数的数据表 圈2 5 产品原始参数管理 标曲面特征网格节点坐标，构造凸模目标陆面的等距曲面( 距离为刀具半径) 所需数据等数据也采用了上述顺序存取的方式分别存储到对应数据表中。 操作最频繁、结构最复杂 的数据就是用来描述凸模曲面 及其倒角过渡曲面的数据。由 于本文对凸模曲面及其倒角过 渡曲面采用了相同的描述方 法，因此，这里主要讨论的是 凸模曲面的描述问题。屏凸模 曲面是由特征网格及c m d i n a i 样条函数定义的，特征网格是 由“向和w 向参数曲线相织而成 图2 6 曲面网格 如图2 6 所示，每一片曲面片由4 x 4 个网格 第二章系统方案设计 幽2 7 曲面拓扑信息 节点控制。图2 6 是凸模曲面网格的一部分，凸模曲面在数据库中的描述方法 1 2 ) 8 j 是把曲面的问题转化为曲线的问题，将控制参数曲线的网格节点存储在数据 库中，网格线与网格节点的关系是多对多的关系。曲面一曲线一网格节点的拓 扑信息如图2 - - 7 ，其中点d 、6 、c 、d 、p 、，_ 、g 、 、f 是“方向的参数线 1 、2 、3 与w 方向的参数线4 、5 、6 相交的特征网格节点。 2 2 2 系统文件管理 由于在本文丌发的系统中需要对屏及其凸模测量数据文件、系统生成的屏 内表面误差文件、凸模目标曲面特征网格节点坐标数据文件、屏及其凸模原始 理论特征网格节点坐标数据文件等许多需要以文件形式管理的数据进行管理， 因此，需要适当的文件管理方法。 如本章2 2 1 节中所述，系统在补偿凸模时，是按照玻壳屏产品型号一凸模 号码一补偿次数的逻辑层次进行的，因此操作中生成的文件在管理上仍然按照 巴三 幽2 8 系统文件管理目录结构 第二章系统方案设计 上述逻辑结构进行管理，以保持逻辑结构的一致性。系统在存取数据文件时按 照上述逻辑层次确定文件所驻留的存储设备的位置，本文的文件目录结构采用 多级目录结构以符合生产要求。目录结构如图2 8 所示。 本文在管理数据文件时，以文件作为存储和处理的单位，用户通过文件名， 使用简单直观的操作存取所需的文件。在实现对文件的管理和操作功能时，力 求做到简单直观，方便快捷，不易出错。图2 - - 9 所示为获取数据文件过程中的 文件管理界面，在其凸模补偿列表框中，操作者可直接双击对应各级目录来获 取所需文件。 2 3 本章小结 图2 9 系统文件操作界面 本章对投影管屏凸模补偿的整个过程做了详细的分析，确定了在补偿过程 中系统需要具备的各项功能，在此基础上对系统的操作流程做出规划，同时根 据系统所需功能将系统划分为若干功能模块，介绍了各个模块的功能，并探讨 了数据及文件的管理方案，做了以下具体工作： 1 依据对实际生产中凸模补偿操作的需求分析，确定了系统补偿操作是以不同 型号玻壳屏产品的不同凸模为对象，对同凸模的每次补偿操作分别管理数 据和文件。系统应具备分析处理屏及其凸模测量数据、凸模目标曲面造型、 判断加工方式、显示刀具轨迹、生成数控加工程序、补偿用相关数据及文件 管理等功能。 第二章系统方案设计 2 确定了凸模目标曲面及其倒角过渡曲面的在数据库中的存储方式。考虑到凸 模目标曲面及凸模倒角过渡曲面具有相同的特征网格，因此，两个曲面在数 据库中采用了相同的存储方式。将曲面按照曲面一曲线一特征网格节点的方 法分解为网格节点，然后以网格节点坐标的方式存储在数据库中。 第三章数学模型及相关算法 第三章数学模型及相关算法 在本文开发的补偿系统中，凸模曲面的造型问题是整个系统开发的核一山问 题，测量所得的屏内表面以及凸模曲面的数据要经过曲面造型构造出凸模目标 曲面，而n c 加工程序的生成也必须以构造好的凸模目标曲面为基础。 3 1 曲面造型的现状、发展趋势及研究热点 曲面造型f 2 7 1 ( s u r f a c em o d e l i n g ) 是c a d c a m 、计算机动画、计算机仿真、 计算机可视化等众多领域的一项重要内容，主要研究在计算机图像系统的环境 下对曲面的表示、设计、显示和分析。它起源于汽车，飞机，船舶，叶轮等的 外形放样工艺，由c o o n s ，b e z i e r 等大师于2 0 世纪6 0 年代奠定了其理论基础。 如今已形成了以参数化特征设计和隐式代数曲面( i m p l i c i t a l g e b r a i cs u r f a c e ) 表 示这两类方法为主体，以插值( i n t e r p o l a t i o n ) 、拟合( f i r i n g ) 、逼近( a p p r o x i m a t i o n ) 这三种手段为骨架的几何设计理论体系。 随着几何设计对象向着多样性、特殊性和拓扑结构复杂性发展这一趋势日 益明显，随着图形工业和制造工业迈向一体化、集成化和网络化步伐的同益加 快，随着激光测距扫描等三维数据采样技术和硬件设各的r 益完善，曲面造型 近几年得到了长足的发展，这主要表现在研究领域的急剧扩展和表示方法的开 拓创新两方面。 ( 1 ) 从研究领域来看，曲面造型技术已从传统的研究曲面表示、曲面求交和曲 面拼接，扩充到曲面变形、曲面重建、曲面简化、曲面转换和曲面等距性等。 在曲面变形( f o r m a t i o no rs h a p eb l e n d i n g ) 方面，计算机动画和实体造型追 切需要发展与曲面表示方式无关的变形方法或形状调配方法，于是产生了自由 变形( f f d ) 法、基于弹性变形或热弹性力学等物理模型的变形法、基于求解约 束的变形法、基于几何约束的变形法等曲面变形技术。 所谓曲面重建( r e c o n s t r u c t i o n ) 是指从曲面上的部分采样信息来恢复原始 曲面的几何模型的方法。在轿车车身设计或人脸类雕塑曲面的动画制作中，常 先用油泥制模，再作三维型值点采样，从而形成其外部曲面。在医学成像可视 化中，也常用c t 切片来得到人体器官表面的三维数据点。采样的工具一般为激 第三章数学模型及相关算法 光测距仪、医学成像议、接触探测数字转换器、雷达或地震勘探仪等。根据曲 面重建的形式，它可分为函数型曲面重建和离散型曲面重建。前者的代表工作 有e c k 于1 9 9 6 年建立的任意拓扑b 样条曲面自动重建法口j 和s a p i d i s 于1 9 9 5 年 创造的离散点集拟合法【1 “。后者的常用方法是建立离散点集的平面片逼近模型， 如h o p p e 于1 9 9 2 年和1 9 9 4 年先后创造的分片线性或分片光滑的曲面模型。对 于离散型重建，要求输出曲面具有f 确的拓扑结构并且随着采样密度的增加而 收敛到原始曲面。当重建曲面为闭曲面时，m i l l e r 等人发展出一种基于可变形模 型的曲面重建方法。1 9 9 8 年a m e n t a 等人又提出了基于计算几何中v o r o n o i 图和 d e l a u n a y 三角化的全新的曲面重建算法【6 】，称为外壳( c r u s t ) 算法。这种算法 的优点在于输出的离散曲面在细节区域具有密集点，而在无特征的区域具有稀 疏点。最近几年，曲面重建的研究在国际图形学界形成了热潮。 关于曲面简化，其基本思想在于从三维重建后的离散曲面或造型软件的输 出结果中去除冗余信息而保证模型的准确度，以利于图形显示的实时性、数据 存储的经济性和数据传输的快速性。具体的曲面简化方法有网格顶点剔除法、 网格边界删除法、网格优化法、最大平面逼近多边形法以及参数化重新采样法。 曲面转换是指同一张曲面可以表示为不同的数学形式，这一思想不仅具有 理沦意义，而且具有工业应用的现实意义。近几年来，国际图形界对曲面转换 的研究主要集中在以下几方面：n u r b s 曲面用多项式曲面来逼近的算法及收敛 性；b e z i e r 曲线曲面的隐式化及其反问题；c o n s u r f 飞机设计系统的b a l l 曲线 向高维推广的各种形式比较和互化；有理b e z i e r 曲线曲面的降阶逼近算法及误 差估计：n u r b s 曲面在三角域上与矩形域上的互相快速转换。 曲面等距性( o f f s e t ) 在计算机图形及加工技术中有着广泛的应用，因而成 为这几年的热门课题之一。例如，数控机床的刀具路径设计p 槲就要研究曲线的 等距性。十几年来国际图形界提出了用简单曲线来逼近等距曲线的种种算法， 这又带来了收敛性考核、计算不稳定、误差难控制等问题。1 9 9 0 年美国学者 f a r o u k i 首次找到某一类特殊的平面参数多项式曲线具有这类性质，称之为p h 曲线。而到1 9 9 3 年，浙江大学的吕伟利用复分析法、重新参数化和代数几何技 术，完整地给出了有理参数曲线的一般形式，彻底解决了平面曲线的等距曲线 的有理化问题。 ( 2 )表示方法来看，以网格细分( s u b d i v i s i o n ) 为特征的离散造型与传 统的连续造型相比，大有后来居上的创新之势 第三章数学模型及相关算法 3 2 参数曲面 参数曲面片【l3 】是用于构造参数曲面的数学元素。设甜，w 是曲面片的两个参 数，在参数“固定时可得到曲面片上用w 表示的一条曲线，而固定w 则可得到曲 面片上用“表示的一条曲线，先后让u ，w 固定为允许范围内的任意值，便得到曲 面片上两族单参数曲线构成的曲线网，也证是用这种方法确定了曲面片上任意 一点。将多个曲面片通过特定的边界条件拼接即可构成完整的参数曲面。为了 选择合适的表达投影管屏及其凸模的数学模型，这里分析了几种可供使用参数 曲面。 r w ( 0 ，1 ) r ( 0 ， 图3 1c o o n s 曲面片 1 c o o n s 曲面f 3 1 c o o n s 曲面的每一个曲面片仅由四条边界曲线所确定，7 可分成具有给定边界 的c o o n s 曲面、具有给定边界及其跨界斜率的c o o n s 曲面、具有给定边界及其 跨界斜率和跨界曲率的c o o n s 曲面三类。双三次c o o n s 曲面片可表示为： 式中 f 0 ( w ) 惭，咖陬“) 驰) 啪) 啪) 】岳旧品 l g , ( w ) ( 3 一1 ) 第三章数学模型及相关算法 f o ( u ) = 2 u 3 3 u 2 + 1f o ( w ) = 2 w 3 - 3 w 2 + 1 ( ( “) = - 2 u 3 + 3 u 2 鼻( ”) 2 2 ”+ 3 w 2 b ： g 。( “) = u ( u 一1 ) 2g o ( w ) = w ( w 1 ) 2 g 1 ( “) = l d 2