（机械制造及其自动化专业论文）数控虚拟仿真系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 数控技术是测造建发蹑戆方淘，数控疆庆 睾为典型懿援迄一镎伲产黧，是嘉毅菠 术的重要组成部分。近几年来，数控机床技术在不断的发展和进步。尤其是数控机床 蕊缀费寞系统，一直都是入翻研究鹩热煮之一。 本论文介绍了有关虚拟制造、仿真加二 的发展现状及趋势。自主开发了一种数控 盘拟仿真系统。 课题昀熏点：采用w i n d o w s x p 乍为开发平台，选择v c 、o p e n g l 作为开发工爨。 以基于建模的虚拟现实技术为指导，详细论述了一种采用混合造型法构建实体的算法 以及具体救实璎过程。羧建躯，l 姆模型霹戬窝设计产嚣锻糖酸瓣毙较。同时缝合 u n g r a p h i c s 和3 d sm a x ，本文提出了一种新的c a d 模型蹲入的方法，提高了模型构 建的速度。翻霸重蕊技术对运魂戆体逮嚣行为建模。最届潦凡簿建模察行为建模缭台 起来模拟数控机床的实际加工、操作过程。在本文中，详细论述了该系统的实现过程、 功能模块鬣藏以及它的使闲方法。 本系统采用面向对象稳序设讨“的方法，开发的程序具夜封装、继承、多态等优点， 减少了程序的数据污染，增加了程序的易开发性、可读性和可维护性，大大提高了系 绞鳃编程效率。 本系统界面友好，操作易学，可以用作数控技术操作技能的教学培训，即可以使 受铡久曼达至l 实物操作溺练鹣鼙豹，又可戳丈幅减少暴贵设备赘投入，其蠢穰高瓣应 用价值。 关键弱：庭援铡造 o p e n g l仿真数控裁床 南昌大学硕士学位论文 a b s t ra c t t h en u m e r i c a lc o n t r o l t e c h n o l o g y i st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no fm a n u f a c t u r i n g n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n ei st h et y p ep r o d u c t i o no f m e c h a n i c a l - e l e c t r i c a li n t e g r a t i o n i ti s t h ei m p o r t a n tp a r to fh i g h n e wt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s ，t h en u m e r i c a lc o n t r o ll a t h e t e c h n o l o g y , i nc o n s t a n td e v e l o p m e n ta n dp r o g r e s s ，e s p e c i a l l yt h ev i r t u a ls i m u l a t i o ns y s t e m o ft h en u m e r i c a lc o n t r o ll a t h e ，i th a sb e e no n eo ft h eh o t t e s ts u b j e c t sw h i c hp e o p l eh a v e s t u d i e da 1 1t h et i m e t h i st h e s i sh a si n t r o d u c e dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h e d e v e l o p m e n ta b o u tv i r t u a l m a n u f a c t u r i n ga n dd e v e l o p m e n tt r e n d ，t h ea u t h o rd e v e l o pan u m e r i c a lc o n t r o lv i r t u a l s i m u l a t i o ns y s t e m t h ef o c a lp o i n to ft h es u b j e c ti st oa d o p tw i n d o w sa st h ed e v e l o p i n gp l a t f o r m ，c h o o s e v c + + ，o p e n g l a st h e d e v e l o p i n gi n s t r u m e n t a c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g yo f v i r t u a l r e a l i t y b a s e do nm o d e l i n g ，e x p o u n dan e wm o d e l sa r i t h m e t i cn a m e df i x e d c o n f o r m a t i o na n dt h ep r o c e s so fr e a l i z a t i o n t h eb u i l tm o d e lc a nc o m p a r ew i t ht h e d e s i g n i n gp r o d u c t a d o p t i n gu n i g r a p h i c sa n d3 d m a x ，t h ep a p e rf i n d san e wm e t h o do f i m p o r t i n gt h ec a dm o d e l si n t ot h ep r o g r a m se n v i r o n m e n t w h i l ea st od y n a m i ce n t i t i e s ， u s er e d r a w i n gt e c h n i q u et or e a l i z et h eb e h a v i o rm o d e l i n gr e s p e c t i v e l y a n dt h e nc o m b i n e g e o m e t r i c ，b e h a v i o rm o d e l i n gm e t h o d st os i m u l a t et h ea c t u a lm a n u f a c t u r ea n do p e r a t i o no f n u m e r i c a ic o n t r 0 1l a t h e i nt h ea r t i c l e ，e x p o u n dt h ef a c tr e a l i z a t i o nc o u r s e f u n c t i o nm o d u l e m a k eu pa n do p e r a t i o nm e t h o do fs y s t e m ss o f t w a r ei nd e t a i lo r i g i n a l l y i ti sv e r yd i f f i c u l tt o r e a l i z ea l lf u n c t i o n so f t h en cm a c h i n e s ow e o n l yc o n s i d e rt h em a i nf u n c t i o nn o w t h i ss y s t e ma d o p t st a r g e t sp r o c e d u r ed e s i g nm e t h o d ，t h ep r o c e d u r et h a td e v e l o p sh a s a d v a n t a g e s ，s u c ha se n c a p s u l a t i o n ，i n h e r i t i n g ，m u c ha t t i t u d e s ，e t c ，t h ed a t aw h i c hh a v e r e d u c e dt h ep r o c e d u r ea r ep o l l u t e d ，i n c r e a s ee x c h a n g i n ge x p l o r a t i o n ，r e a d a b i l i t ya n d m a i n t a i n a b i l i t yo f t h ep r o c e d u r e ，h a v ei m p r o v e ds y s t e m a t i cp r o g r a m m i n ge f f i c i e n c yg r e a t l y t h i ss y s t e m a t i ci n t e r f a c ei sf r i e n d l y , i ti se a s yt os t u d yt oo p e r a t e ，c a nb eu s e dt ot e a c h i n g a n ds t u d y i n gn u m e r i c a lc o n t r o lt e c l m i q u eo p e r a t i o ns k i l l s t h ep e r s o nc a r tf i n i s ht h e o p e r a t i o nj u s tl i k eo nr e a ln u m e r i c a lc o n t r o ll a t h e a tt h es a m et i m ei ta l s or e d u c e st h e p a y m e n to f b u y i n ge x p e n s i v ei n s t r u m e n t s h a v i n gav e r yi m p o r t a n tu s e f u lv a l u e w r i t t e nb y ：r u il i d i r e c t e db y ：vp r o f l i a n g l i n gl u o k e yw o r d s ：v i r t u a lm a n u f a c t u r i n go p e n g l s i m u l a t i o nn l a m e f i c a lc o n t r 0 1t , a t h e i i 独创性声明 y9 2 8 8 7 6 本人声明所警交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及敬得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和敏谢的地方外，论文中不包含其他人已缀 发表或撰写过的研究成果，也不镪含为获得奄昌文学或其他教育机构的学位或证 书丽後羯过酶耱精。与我一露工l 乍沟藏志对本磷究掰骰静任何贡献穗己在论文中佟了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作前签名： 考专茚 签字日期：毋胛g 年石月 9 日 学位论文版权使用授权二 ； 本学位论文作者完全了解南昌土学有关保留、使用学位论文的规定，有权 绦疑莠自困家有关帮门或规掬送交逡文的复印髑：葶l l 磁盘，允询：论文被查润稠爨阅。本 人授权南昌文学可以将学位论文静全部或部分内容缟入有关数据库谶行检索，可以 采用影印、缩印哦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厝适用本授权书) 学位论文作者签名：手鼋彩 签字强瀚：如年月穹疆 f 导师签名：汤荔衫 签字强麓：玉嘭年参月夕嗣 学位论文搏耆孥披屠去囊： 工作单位：。韦专厨口! ；客朝够缸蹄兹滩五司 电活：，岁7 ，哆舻， 通讯地址： 郏编： 第一章绪论 第一章绪论 虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 是2 0 世纪9 0 年代发展起来的一个新的研 究领域，它是计算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计与制造综 合发展的产物【卜4 1 。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 ，o rv m t ) 是8 0 年代后期提出并得到迅速发展的一种新思想。它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、加工和装配、 检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。由于虚拟制造系统基本上不消耗资源和能量， 也不生产实际产品，而是产品的设计、开发与加工过程在计算机上的本质实现，即完 成产品的数字化过程。与传统的设计和制造相比较，它具有高度集成、快速成型、分 布合作等特征。因此，虚拟制造技术不仅在科技界，而且在企业界引起广泛关注，成 为研究的热点。 1 1 虚拟制造技术产生的历史背景 制造业为了在竞争激烈的全球市场求得生存与发展，必须能够更好地满足市场所 提出的t 、q 、c 、s 要求【5 ，6 。，即要以最短的产品开发周期( t i m e ) ，最优质的产品质量 ( q u a l i t y ) ，最低廉的制造成本( c o s t ) 和最好的技术支持与售后服务( s e r v i c e ) 来赢得市场与用户面对不可预测、持续发展、快速多变的市场需求，企业的生产活 动必须具有高度的柔性、不得不将许多新出现的技术引入到设计和制造领域中来。 与此同时，信息技术发展迅速，特别是计算机技术、网络技术、信息处理技术等 大量的高新科技都取得了人们意想不到的进步。基于这些因素，8 0 年代诞生了许多新 的制造技术和制造系统3 1 ，如柔性制造系统( 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 ) 、 以信息集成为核心的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 d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 。这些系统都以高度柔性、智能化、集成化为特征，提高了 产品质量和生产效率。到了八十年代末，以过程集成为核心的并行工程技术( c e ， c o c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 进一步提高了制造水平。随着网络技术和生产技术的发展， 到了2 0 世纪9 0 年代，出现了精益生产( l p ，l e a np r o d u c t i o n ) 、敏捷制造( a m ，a g i l e ， m a n u f a c t u r i n g ) 、分布式制造( d m ，d i s t r i b u t e dm a n u f a c t u r i n g ) 和虚拟企业( v e ， 南昌大学工学硕士学位论文 v i r t u a le n t e r p r i s e ) 等新的领域。在这种形势下，虚拟制造( v m ，v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ) 也随之而生。它的诞生是现代科学技术和生产技术发展的必然结果， 是各种现代制造技术与系统发展的必然趋势。 1 2 虚拟制造的定义 虚拟制造的本质是以新产品及其制造系统的全局最优化为目标，以计算机支持的 仿真技术为前提，对设计、制造等生产过程进行统一建模。在产品设计阶段，实时地、 并行地模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造 成本、产品的可制造性。从而更有效更经济更灵活地组织生产，以达到产品的开发周 期和成本的最小化、产品设计质量的最优化、生产效率最高化的目的。虚拟制造也可 以对想象中的制造活动进行仿真，它不消耗现实资源和能量，所进行的过程是虚拟过 程，所生产的产品也是虚拟的。 1 3 数控加工仿真技术的研究与发展 1 3 1 数控加工仿真概述 当今世界上一切制成品无一不是直接或间接由机床所制造的机器或工具器械制 造的，因此机床又被称为工作母机，其现代化程度直接关联着制造业的现代化程度， 而机床的现代化程度又集中体现在数控机床上，数控机床是工厂自动化的基础，数控 技术是数控机床的关键技术。 现代数控技术集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术、现代控制技术、 传感检测技术、信息处理技术i 网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体， 是现代制造技术的基础，它的发展和运用开创了制造业的新时代，使世界制造业的格 局发生了巨大变化。 数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段，它的广泛使用 给机械制造业的生产方式、产业结构、管理方式带来了深刻的变化，它的关联效益和 辐射能力更是难以估计：数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础， 现代的c a d c a m ，f m s ，c i m s 等都是建立在数控技术之上；数控技术是国际技术和商业 贸易的重要构成部分，工业发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润的重 要出口产品，与之相关的世界贸易额逐年增加。 第一章绪论 综上所述，数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础 性技术，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志。实现加工机床及 生产过程数控化己经成为当今制造业的发展方向。专家们曾预言：机械制造的竞争， 其实质是数控的竞争。 仿真就是应用计算机对复杂的现实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，从而得到一系列的统计功能。由于仿真是以系统模型为对象 的研究方法，而不干扰实际生产系统。同时，仿真可以利用计算机的快速运算能力， 用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因此可以缩短决策时间，避免 资金、人力和时间的浪费。计算机还可以重复仿真，优化实施方案。 数控加工仿真采用可视化技术，通过仿真和建模软件，模拟实际的加工过程【5 】。 在计算机屏幕上将铣、车、钻、镗等加工方法的加工路线描绘出来，并提供错误信息 的反馈，使工程人员能预先看到制造过程，及时发现生产过程中的不足，有效预测数 控加工过程和切削过程的可靠性及高效性。此外，还可以对一些意外情况进行控制。 数控加工仿真是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 ) 、计算机辅助制造( c a m ) 和建模仿真技术于一体。人能够凭 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时，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，对加工方案的优劣作出评估与优化，从而最终达到缩短产品的开发周期、降低生 产成本、提高产品质量和生产效率的目的【1 4 _ 17 1 。 1 3 2 国内的研究现状 数控仿真技术的发展是随着计算机技术的发展和应用而发展起来的。传统的人工 操作的，效率低的，产品单一的，缺乏柔性的生产方式逐渐被高自动化、高效率的现 代生产方式所代替。为解决传统的数控代码编写效率低、错误量大的问题，出现了刀 具控制自动编程系统o 由于加工程序的对错对于数控加工至关重要，一般的数控加工 程序检验采用试切法或刀具轨迹显示法【1 8 。2 0 】，防止加工错误并防止干涉和碰撞的产 生。 试切法就是在机床上试切一个软性材料，以此来验证并修改一些关键程序，这种 方法对于大型的复杂工件，极为繁杂，不仅调试周期长，而且工件加工精度也得不到 应用的保障。刀具轨迹显示法就是以绘图工具( 如铅笔) 代替刀具，以纸代替毛坯来 3 南昌大学工学硕士学位论文 描述运动轨迹。这种方法只限于二维平面，局限性大。针对以上问题，研究人员将注 意力转向数控加工过程的计算机动态图形仿真上。所谓动态图形仿真，就是在计算机 屏幕上动态地模拟出被加工材料的去除过程，这是计算机图形学与工业制造有机的结 合。 国内在这一方面做了不少工作【2 1 之3 1 。如华中科技大学开发的n c p v s s 系统具有n c 铣削加工过程仿真功能：同济大学研制的n c 程序微机动画仿真系统：哈尔滨工业大 学的n c m p s 系统，可建立集成的n c 加工仿真环境i 面向多轴数控加工中心；大连理 工大学的c v b s i m u 系统，可对插装阀块进行n c 加工过程动态仿真，保证n c 程序的正 确性。 1 3 3 数控加工仿真的方法和内容 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称为正向仿真，它的 主要目的是检验刀具的运动轨迹的正确性。基于数控代码的模拟仿真称为反向仿真， 它能够检查刀具的运动轨迹正确与否，判断2 h t _ 参数选择是否合适等。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更接近实际。 数控加工过程模拟仿真包括几何仿真和物理仿真两个部分。几何仿真将刀具与零 件视为刚体，不考虑切削参数、切削力及其它因素对切削加工的影响，只是对数控程 序进行翻译，产生刀具位置数据，并以此数据驱动机床运动部件和刀架运动，刀具对 工件进行虚拟切削。物理仿真包括加工精度分析，切削过程的热变形，切削力作用下 的系统弹性变形、夹紧变形，以及机床的静态、动态分析等。 1 3 4 基于网络的数控加工仿真 为了更好的适应网络化制造环境和柔性制造的需要，目前符合柔性c n c ( c o m p u t e r n u m e r i c a l c o n t r 0 1 ) 数控机床系统的应用越来越广泛 2 4 , 2 5 】，而且大多数的c n c 机床用 户都希望使用开放式p c c n c 系统。在满足柔性制造的前提下如何缩短需求和实现的时 间就成为了关键。利用网络技术来缩短程序编制者、加工者和程序修改者之间的距离 是一个直接而有效的办法因此必须利用网络技术来实现程序编制者和加工者以及其 他代码维护修改者之间对数控加工代码的实时交流。体现了仿真和加工的及时性，消 4 第一章绪论 除了数控加工代码仿真和真实加工存在的脱节现象。基于网络的数控加工仿真【2 6 j 是在 传统计算机图形模拟数控机床加工过程的基础上结合网络技术以最大限度的发挥数 控机床快速、便捷的能力。减少因交互所耗费的时间。网络化制造要求能够利用不同 地区的现有生产资源，把它们迅速组合成为一种没有围墙的、超越空间约束的、靠电 子手段联系的、统一指挥的经营实体，以便快速推出高质量、低成本的新产品。分散 网络化制造是一种可持续发展的、以人为中心的生产模式。它能够在充分利用现有的 社会资源( 包括人力资源和设备资源) 和不扩大环境污染的基础上，借助信息技术快速 地以合理的成本将产品从设计转入生产，来适应市场的多变和用户的需要。简言之， 网络化制造主要解决两个问题：快速响应市场的需求和充分利用现有资源，降低成本， 保证可持续发展。它的运作空间可以是全社会的，甚至是跨国界的。基于网络的数控 加工仿真是本系统以后发展的一个重要方面。 1 4 论文选题依据及研究意义 1 4 1 选题依据 数控技术是制造业发展的方向。数控机床作为典型的机电一体化产品，是高新技 术的重要组成部分，采用数控机床提高现代制造工业的数控化率，已成为当前制造业 技术更新的必由之路。 数控编程使指从零件图纸到获得加工程序的全过程。但无论采用什么系统进行数 控程序的编制，都可能发生错误，这些错误编程人员事先往往很难预料，尤其对于多 坐标数控铣手工编程产生的数控程序，由于其复杂性和不可靠性，在进行产品加工前， 往往要进行多次试切检查和程序调整，模拟零件的加工过程，检验刀位计算是否正确、 加工过程是否过切、所选刀具、走刀路线、进退刀方式是否合理、刀具和约束面是否 干涉与碰撞等等，从而大大降低了生产效率。 而通过对已编制好的数控程序的仿真，使数控加工操作进入了虚拟操作加工的全 新平台。利用生动的三维动画图形，模拟真实的机床切削运动。使用者可以进行编程 和操作加工等多项仿真练习，在很短时间内就能熟练操作f a n u c 、s i e m e n s 系统数控 车床、数控铣床及加工中心。可以有效地减少以上过程所占用地设备生产时间和所消 耗地人力和物力。 实体数控仿真使数控仿真发展至今一直在探索的热点技术。数控仿真系统采用实 5 南昌大学工学硕士学位论文 进行多角度观察，以及剖视观察，对加工毛坯进行尺寸 和角度的度量，实体模型具有更多的几何信息，如体积、重心，并且实体数据结构具 有良好的扩展性，可以给实体模型添加更多的设计和加工信息。然而实体仿真不容易 实现，表现在数据信息的处理上，拓扑重构上，布尔求交和动态显示上。对于一个较 成功的数控加工仿真系统来说，对其性能的基本要求是图形显示的实时性，能够以图 形显示的方法再现实际切削加工过程，图形显示的真实感强，不产生图形的跳跃和闪 烁。数控加工过程中，图形仿真是对加工程序进行校核、检验及调试的一个重要环节。 在导师的指导下，了解到现有的数控仿真系统在对机床模型再现、几何实体布尔 求交和动态显示等各个方面所存在的问题，从而确定了本课题的重点研究内容。 1 4 2 研究意义 ( 1 ) 在经济效率方面 可以用作数控技术操作技能的教学培训，近年来，随着企业数控机床应用率的大 幅度提高，数控机床的操作技能培养成为各类职业院校一个期待解决的问题。而数控 机床是高科技产品，价格较昂贵，许多院校受场地和资金的限制，无法购置大量的数 控机床来供学生实训。另一方面，学生直接在数控机床上进行操作练习，容易因为培 训中的误操作而导致昂贵设备的损坏。数控虚拟仿真系统的开发，即可以使受训人员 达到实物操作训练的目的，又可以大幅减少昂贵设备的投入，具有很高的应用价值。 ( 2 ) 在仿真系统方面 通过对开放式数控系统的研究，构造以p c 为平台，具有开放式体系结构的模块化 数控虚拟仿真系统。支持数控加工程序的编制；操作培训和相关技术咨询；数控代码 信息共享；实时交互协同故障诊断等。本课题所研究的数控虚拟仿真软件，可动态模 拟实际数控机床的操作过程；可模拟实际设备加工环境及其工作状态；对数控加工程 序进行快速、精确的仿真；验证数控加工程序的可靠性；防止干涉和碰撞等情况的发 生。 6 。 第一章绪论 1 5 本课题的研究内容及方法 1 5 1 研究内容 本课题所要研究的主要内容：数控虚拟仿真系统的研究与开发。通过较为逼真的 三维几何模型莱模拟数控车床的实际加工过程。提供一个加工全过程的可视化、交互 式虚拟仿真环境，进行虚拟的数控加工操作。 1 5 2 研究方法 虚拟制造的关键技术包括适合产品、制造资源、制造环境等的建模技术与工具， 面向产品性能分析评价、制造过程分析评价与生产管理与控制分析评价等生产活动的 仿真技术与工具，即计算机仿真、建模及优化技术是实现虚拟制造的核心。其中，建 模方法是虚拟现实技术中最重要的技术领域，计算机图形领域的著名学者伊万萨瑟 兰曾经说：“计算机屏幕只是一个窗口，但通过这个窗口，我们可以看见一个虚拟的 世界，而我们面临的挑战是如何使这个世界看起来真实、动起来真实、摸起来真实! ” 而所有这些“真实”的实现，依靠的就是建模技术。虚拟现实的建模技术主要包括几 何建模、物理建模和行为建模 2 7 , 2 8 】。 几何模型描述的是具有几何特性的形体，它包括两个主要概念：拓扑元素 ( t o p o l o g i c a le l e m e n t ) 和几何元素( g e o m e t r i ce l e m e n t ) 。拓扑元素表示几何模 型的拓扑信息，包括点、线、面之间的连接关系、邻近关系及边界关系；几何元素具 有几何意义，包括点、线、面等，具有确定的位置和度量值( 长度和面积) ，这些构 成了模型的几何信息。 在虚拟环境中，只是简单地说明一个对象的“静态”3 - d 几何是不够的，必须考 虑虚拟环境随着其位置、碰撞、缩放、表面变形等变化而动态产生的变化。 在几何建模中所建立的对象模型都是刚体和不可变形的，实际上，现实世界中的 很多物体，如皮球、水、泥土等等，当用户与之交互时会发生各种变形。理想的虚拟 环境需要描述这些变形，遗憾的是描述有些物体的变形非常困难。比如用户把手砸向 水面会见出水滴，手砸向水面使水面的运动变化与水底的形态变化非常复杂，很难用 数学方法描述其规律。 几何建模与物理建模相结合，部分实现虚拟现实“看起来真实、动起来真实”的 特征，而要构造能够逼真地模拟现实世界的虚拟环境，必须采用行为建模方法【2 9 】。 7 南昌大学工学硕士学位论文 行为建模处理物体的运动和行为的描述。如果说几何建模是虚拟现实建模的基 础，行为建模则真正体现出虚拟现实的特征：一个虚拟现实中的物体若没有任何行为 和反应，则这个虚拟现实是孤寂的，没有生命力的，对于虚拟现实用户是没有任何意 义的。 所以，本课题采用的研究方法是以基于建模的虚拟现实技术为指导，结合几何建 模和行为建模在计算机上创建一个虚拟制造环境，逼真地仿真模拟数控机床的操作、 加工过程。 通过相关可视化编程软件设计实际数控机床类似的操作面板。 8 第二章开发工具选择及o p e n g l 概述 第二章开发工具选择及o p e n g l 概述 2 1 开发平台及编程语言的选择 数控虚拟仿真系统研制及开发总的指导思想是： ( 1 ) 界面友好，用户操作方便、灵活。 ( 2 ) 软件开发时考虑与实际数控机床的操作、加工过程大致相同。 ( 3 ) 尽量增强各功能模块的独立性；便于进一步扩展。 ( 4 ) 模拟仿真图形的三维真实感要强。 图形交互式自动编程系统的研制，一个最基本的原则就是能够实现用户与系统之 间方便地进行信息交换。这反映在软件本身的设计上，即要求软件需具有设置合理的 界面，同时还要求软件界面具有一定的美感。针对这样一些要求，选择合适的编程软 件将显得非常重要。 仿真软件的界面编程，用c 为c n c 编写界面程序是一件痛苦的事情，而要做出漂 亮的界面就更是难上加难了。用面向对象技术可以轻松地完成这个工作。 1 、面向对象技术简述 面向对象技术是一种与传统软件工程的功能方法完全不同的、以对象为中心的方 法，它不仅是一种程序设计技术，更重要的是体现了一种思维方法 3 0 1 。 面向对象编程是一种试图模仿现实世界模型方法的程序设计技术，它将世界看成 是由一组彼此相关并能相互问通信的实体即对象组成。为了在程序中建立对象，必须 先说明“类”，“类 表示对一组性质相同的对象的程序描述，它由概括了一组对象共 同性质的数据和函数组成。在程序运行时通过“类”建立对象。封装性、继承性、多 态性是“类”最重要的几个特点。所谓封装性、继承性、多态性的具体含义可以通过 有关资料了解，这里不再赘述。 2 、仿真软件的面向对象编程 前面介绍了使用面向对象技术具有许多优点。现在比较常用的基于面向对象技术 的编程语言由很多，如：v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等，这些语言功能各异、各具特 色。其中v i s u a lc + + 又以其强大的功能而倍受编程人员的喜爱，特别是c 语言优于其 它语言的图形处理功能，使得在数控仿真软件的编制中，v i s u a lc 抖成了一个非常合 9 南昌大学工学硕士学位论文 适的选择。 在v i s u a lc + + 环境下，用它提供的m f c 类库可以在很短的时间里作出非常漂亮的界面， 使得编程人员可以有更多的时间放在软件其它功能的设计上。通过m f c 类的继承，还 可进一步扩展其功能，做出风格迥异的界面。更重要的是，通过运用面向对象技术可 以达到软件重用的效果，使数控仿真软件的开放性大大提高。 基于面向对象技术的特点及v i s u a lc + + 语言的强大功能，因此，本系统采用当今 用户普遍使用的w i n d o w s 系统作为开发平台，采用支持可视化编程的集成环境v i s u a l c + + 6 0 作为算法语言和界面设计工具，采用以封装性、继承性和可重用性为特征的面 向对象编程技术，将系统设计为目前流行的w i n d o w s 风格软件。 同时，由于v i s u a lc + + 6 0 的图形处理功能很弱，要完成本课题的图形显示及动 态仿真比较困难，因此，还必须选择一种图形开发工具。a u t o c a d 虽然是一种被公认 的优秀的图形开发工具，但它的优秀却只表现在二维方面。而3 d sm a x 和t r u c e s p a c e 虽它们不能进行参数化设计，但有强大的三维图象功能，能够绘出真实感强的图形。 o p e n g l 具有强大的三维图形处理功能，可方便地进行参数化设计，且w i n d o w s 系统对 其具有全面的支持，并且许多在计算机界具有领导地位的计算机公司纷纷采用o p e n g l 作为三维图形应用程序设计界面，并且它具有广泛的移植性，采用o p e n g l 成为广为 流行的三维图形开发标准 3 1 - 3 4 1 。因此，它成了本系统图形开发工具的当然之选，但它 三维图形处理消耗太大内存空间。本文采用o p e n g l 、 3 d sm a x 两者各自的优势，实 现三维图形的处理。 2 2o p e n g l 概述 o p e n g l ( 开放性图形库o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 是美国高级图形和高性能计算 机系统公司( s g i ) 所开发的一个三维计算机图形和模型库。它独立于硬件和窗口系 统，可以运行在当前各种流行的操作系统上，如w i n d o w sn t 2 0 0 0 ，w i n d o w s x p ，u n i x 等。并且，各种流行的编程语言也都可以调用o p e n g l 中的库函数，如c ，c + + ，j a v a 丝【3 5 ，3 6 】 寸 o o p e n g l 实际上是与图形硬件完全无关的程序设计接口，由1 0 0 多个相关命令与函 数组成。o p e n g l 是一种基于状态的执行机制，即o p e n g l 命令的执行被置于各种状态 中，而且一直有效地保持到有命令改变这种状态为止。s g i 公司为用户提供了三个连 1 0 第二章开发工具选择及o p e n g l 概述 接库( 实用库g l u 、视窗系统扩展库g l x 、辅助库g l a u x ) ，使0 p e n g l 的程序设计更简 化。0 p e n g l 还包括多个基于双缓存技术的动画操作函数，可以有效地支持对几何造型 的三维仿真。 从几何造型的建模到动画生成的全部过程中，0 p e n g l 命令或函数对图形的基本操 作是从图形顶点开始，通过流水线处理，最后把像素写入帧缓存的。图2 1 是o p e n g l 基本操作的计算机图表学描述： 圈一圈一一困一圈 图2 1o p e n g l 工作流程 目前，用于制作三维图形的软件比较多，相比较之下，o p e n g l 的真实感更强， 更易于实现物体三维虚拟现实的交互性和自主性。 2 2 1o p c n g l 三维仿真的特点 基于o p e n g l 的三维仿真具有如下的特点： 1 建模方便。o p e n g l 不仅提供基本的三维几何像素生成函数；而且提供了大量 关于点、线、面以及n u r b s 曲线曲面等基本图元操作函数，用之可以构建相当复杂 的集合造型，以满足三维仿真的造型需要； 2 实时的三维仿真。由于o p e n g l 同时提供了颜色缓存、深度缓存、模板缓存、 累积缓存等基于双缓存技术的动画操作寒暑，使仿真应用程序设计的算法更简单，极 大地提高了动态仿真的帧显示速度，使实时的三维仿真得以实现： 3 高度的真实感显示。o p e n g l 还提供了大量的着色、光照、景深、阴影、混合、 消隐、反走样、明暗处理、材质处理、图像处理、纹理映射、深度检测等功能寒暑， 保证了三维仿真图形显示具有高度的真实感； 4 程序的独立性。o p e n g l 是与硬件、视窗和操作系统相互独立的，因而三维仿 一黼一 i 士圆圆卤 南昌大学工学硕士学位论文 真程序可以完全独立于视窗和操作系统之上，仿真程序的设计可相应划分为5 个层次： 图形硬件、操作系统、窗口系统、o p e n g l 和三维仿真程序。 5 程序的通用性与可移植性。由于o p e n g l 可集成到各种标准视窗和操作系统 当中，如d o s 、w i n d o w s x p 、w i n d o w sn t 、u n i x 等，因此基于o p e n g l 的三维仿 真程序有良好的通用性与可移植性。 6 o p e n g l 可以在网络上工作，即客户机j j 艮务器型，显示图形的计算机( 客户机) 可以不是运行图形程序的计算机( 服务器) ，客户机与服务器可以是不同类型的计算机， 只要两者服从相同的协议。 在三维图形的处理过程中，要绘制许多复杂的图形，单纯利用o p e n g l 库提供的 基本几何体构造比较困难。而且，在程序的设计编写时，大量的绘图语句的编写和运 行会占用很多的内存，降低程序的效率，增加程序设计的复杂程度和工作量。通过对 o p e n g l 分析研究可以知道，它对模型的数据格式没有特殊的要求，并不要求把三维物 体模型写成固定的数据格式，模型的建立可以借用通用的建模软件工具，如a u t o c a d 、 3 d sm a x 、u n i g r a p h i c s 掣3 7 , 3 8 】。 开放图形程序库o p e n g l 是一种快速、高质量的3 d 图形软件，现己成为3 d 图形 软件接口的工业标准。o p e n g l 仅仅是一个图形函数库而不是一种程序设计语言，不提 供诸如程序流控制、窗口操作、人机交互之类的命令或函数，因此只有与其他程序设 计语言相结合才能发挥它的作用。微软基本类库m f c 是p c 机上w i n d o w s 操作系统中 广泛使用的应用程序框架，它提供可视窗口程序的界面和基本输入输出功能，弥补了 o p e n g l 的不足。因此o p e n g l 与m f c 相结合开发3 d 图形软件就成为优势互补的理想工 具。 2 2 2o p e n g l 的运行系统平台和结构 o p e n g l 独立于硬件设备、窗口系统和操作系统。它是一种用于创建3 d 图形的强 大而成熟的a p i 。但它与屏幕管理一点也不相关，也没有用于键盘输入或鼠标交互的 函数。其设计的主要目标之一就是平台的无关性。许多大的计算机公司已经把o p e n g l 集成到各种操作系统中，如u n i x 、d o s 、w i n d o w s 等。 o p e n g l 的运行操作平台和结构如图2 4 所示： 1 2 ：。 第二章开发工具选择及o p e n g l 概述 应用程序层 工 o p e n g l 工 操作系统 旷 图形硬件系统 图2 - 3o p e n g l 的运行操作过程 w i n 3 26 d i 上 l 视频驱动程序 图2 - 4o d e n g l 在w i n d o w s 环境中的 工作平台和结构 最底层为图形硬件系统，如a g c 一3 d 、s g i 等。第二层为操作系统，如u n i x 、w i n d o w s 等。第三层为o p e n g l 。第四层为应用程序层。另外，o p e n g l 在网络中是透明的。 0 p e n g l 的库函数被封装在o p e n g l 3 2 d 1 动态链接库中。从客户应用程序发布的 对o p e n g l 函数的调用首先被o p e n g l 3 2 d l l 处理，在传给服务器后，被w i n s r v d l l 进一步进行处理，然后传递个d d i ( d e v i c ed r i v e ri n t e r f a c e ) ，最后传递给视频显示 驱动程序。图2 - 3 显示了这一过程【3 圳。 1 3 南昌大学工学硕士学位论文 三章数控虚拟仿真环境的建模方法 建模方法是虚拟现实技术中最重要的技术领域，也是虚拟现实技术中的关键技术 之一。计算机图形学是虚拟现实的奠基石，在计算机图形学中，被研究最多的，也是 最重要的研究方向之一就是建模技术。建模技术的内容十分广泛，不仅涉及数学、动 力学、运动学等基础学科，同时，还涉及机器人学、机械工程学和生物工程学等应用 学科 4 0 - 4 5 】。 虚拟制造是虚拟现实技术在制造领域的应用，利用虚拟现实技术将各种与制造过 程相关的技术集成，在数字化制造资源构成的虚拟环境中，在制造过程模型的控制下， 虚拟设备模型对虚拟产品模型进行加工过程的模拟仿真，使产品或制造系统在实际物 理实现之前，就能让设计者或者客户体验到未来产品的性能以及制造系统的状态，从 而做出具有前瞻性的决策和优化实施方案。为了能在虚拟制造环境中模拟实际制造过 程中的行为活动，需要对产品、制造资源和相关活动进行全面建模。本文主要讨论如 何在虚拟环境中实现制造设备模型的建立和控制。 图3 一iv r 建模周期 虚拟制造以虚拟现实技术为基础，利用计算机仿真技术建立虚拟制造环境，设计 人员或用户可以“进入”虚拟的制造环境中，检验其设计、加工、装配和操作【4 1 | ，甚 至可以在其中“自由”运动，随意观察周围的事物，产生一种身临其境的感觉。虚拟 制造环境由相应得虚拟设备构成，虚拟设备应能够较完整地反映物理设备的特性，如 物理设备的几何特征、材料特征、运动信息等。因此，必须根据真实的制造设备所具 有的特征，对其进行数字化，建立虚拟设备模型。 14 第三章数控虚拟仿真环境的建模方法 在虚拟现实中，模型是实际的或想象中的物体或现象的数字表示，它给出对象的 结构和性能的描述，并能产生相应的图形。虚拟现实的建模过程主要包括几何建模、 物理建模和行为建模，还包括音频建模、交互建模等h 6 1 。虚拟现实建模的整个周期如 图3 1 所示。 3 1 几何建模 数字化设备几何模型【4 7 1 是构成虚拟制造场景的基本元素。几何模型反映了设备的 形状位置特征，这些特征一方面为设备各组成部分的三维几何信息，如机床底座为长 方体，丝杆为圆柱体等：另一方面为各部分之间的几何位置关系，即拓扑信息，如机 床底座与主轴箱的位置关系，导轨与工作台之间的位置关系等，利用拓扑信息可以将 设备各个部分的模型正确