（航空宇航制造工程专业论文）基于实体造型的数控加工仿真验证技术的研究与实现.pdf

摘要 计算机数控加工仿真验证算法是数控j j 【j 工仿真技术研究中的热点之一。本 文系统地研究了该技术领域中数控加工仿真验汪的算法，主要包括： l阐述了a c i s 几何平台的开发接口、结构以及a c i s 的功能特色。 2系统介绍了数控加工仿真验证r 1 一的备 t - 算法，并提出和实现了一种新的算 法( z & n 算法) 。 3对仿真验证后的误差输出，进行了新的表示n 4研究和探讨了数控d i l l 仿真验i j e 综合模型的建立。 关键词：计算机新澌设计与制造、数控加i 丽真、仿真醯锰、z & n ；酝关键词： i ! ：茎! ! 塑墅丝j | j 。与制造、数控加工仿真、仿真验汪、 算法 i 伯寸几蹁崩晷别蓬 a b s t r a c t s i m u l a t i o no nc o m p u t e ri s a ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fc a d c a m a n dt h ep r e c i s l o “ o fs i m u l a t i o ni sb a s e do nt h ev e r i f i c a t i o na l g o r i t h m t h ev e r i f i c a t i o t ia l g o r i t h m o f t h r e e - a x i sn cm i l l i n g i s i n v e s t i g a t e dd e e p l y a n ds y s t e m a t i c a l l yi n t h ep a p e r t h e p a p e r i n c l u d e ： 1t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no f a c i sp l a t f o r mi si n t r o d u c e di nt h ep a p e r 2a l lk i n d so fv e r i f i c a t i o na l g o r i t h ma r ei n t r o d u c e da n d an e wa l g o r i t h m ( z & n ) i s p u tf o r w a r d 3t h eo t r p u to f v e r i f i c a t i o ne r r o r si ss h o w n i nan e wm e t h o d 4t h ee s t a b l i s h m e n to fi n t e g r a t e dv e r i f i c a t i o nm o d e l i si n v e s t i g a t e d k e y w o r d ：c a d c a m 、n c s i m u l a t i o n 、n cv e r i f i c a t i o n 、z & na l g o r i t h m 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1c a d c a m 技术的发展概况 c o m p u t e r a i d e dd e s i g n c o m p u t e r - a i d e dm a n u f a c t u r i n g ( c a d c a m ) 即计算机 辅助设计与制造，指的是以计算机为主要辅助手段的产品设计与制造。通过c a d 技 术进行模型设计，然后根据c a d 模型所提供的几何信息以及输入的工艺参数等利用 c a m 生成n c 代码，通过数控机床进行一些高难度、高精度的加工。c a d c a m 技 术包括设计绘图、几何造型、工程分析、特性计算、机构运动分析、数控加工编程、 j j n - 过程仿真、装配干涉检查等，是项综合性的、技术复杂的、正在迅速发展之 中的系统工程。 c a d c a m 的发展已有四十多年的历史，源于航空工业。目前已经广泛地应用 于航空、航天、汽车、造船、机械、轻工及建筑工程设计等领域。而就该技术本身， 也已经在几何设计、数控加工编程和工程分析等方面取得了许多重大的突破。几何 设计从二维绘图、三维线架、三维曲面、实体造型而逐步发展到参数化特征造型； 数控加工编程则朝着提高加工效率和精度为目的、基于复合几何建模并能生成各种 粗、精加工方式刀具轨迹的方向发展；工程分析也经历了从简单的数值分析到加工 模拟仿真和各种信息可视化分析的演变。伴随着这些理论和算法的成熟和发展，并 根据市场的需求，c a d c a m 系统产品也从单一产品发展到集二维绘图、几何造型、 数控加工编程和工程分析等功能于一体、支持，f ：行工程和基于参数化特征造型的大 型集成化软件系统，比较著名的有u g i i 、p r o e 、c a t i a 、i - d e a s 和c i m a t r o n 9 0 等。高性能与集成化是这些系统的明显特征之一，系统中的数控加工功能集钻、车、 铣、电火花线切割、快速成型编程为一体。c a d 环节能够和工艺过程设计、数控加 工编程紧密衔接，共享统一的数据库。基于特征的加工技术、基于知识的加工技术 已在其中的些系统中得以实现。数控加工方法正朝着以提高切削效率为前提，集 粗加工、精加工优化轨迹生成的方向发展，开发平台也在从通用的机械c a d c a m 平台朝着能集成专业应j 罚软件的j l ：放式平台方向发展。 国内的c a d c a m 技术起步于六- i 。年代巾期。在国家的大力支持下，经过3 0 多年的发展，开发出一系列实用的c a d 软件。如南京航空航天大学的超人 ( s u p e r m a n ) c a d c a m 系统、华中理工大学的高华c a d 、清华大学的“体素造型 系统”、中科院凯思公司的p c a d 、北京航空航天大学的c a x a 、围防科技大学的 银河c a d 等等。推出的三维参数化特征造型系统有北京航空航天大学的“金银花”、 浙江大天公司的“g s m c a d i i ”等。但是，国内的c a d c a m 技术在成熟产品的研 制开发以及市场销售等环节中都与其它发达国家有着相当的差距。另外，这些系统 茎三壅堡堕型塑墼丝塑王堕壅墅堡垫垄塑竺塑兰壅堡。 功能较为单一，虽然在某个单项上具有较高的水平，但从整体来看，技术水平与上 述国外的c a m 软件相比差距很大。 随着计算机性能成量级的提高和价格成倍的下降，随着“网络通讯的普及化”、 “信息处理的智能化”、“多媒体技术的实用化”， c a d c a m 技术的应用越来越广 泛，越来越深入，c a d c a m 技术已朝着开放、集成、智能化和标准化的方向发展。 1 2 数控加工仿真验证技术的发展与应用 数控加工仿真验证技术是计算机辅助制造( c a m ) 技术的重要组成部分，也是 c a d c a m 技术中降低生产成本、提高生产效率重要的环节之一。它是一门涉及计 算机图形学、可视化技术、图象显示和处理、几何造型技术等多门学科的综合技术。 该技术的应用能提高机械制造加工精度、保证产品制造过程中的正确性；数控加工 仿真验证技术使产品设计和制造过程紧密结合，大大缩短了生产准备过程，适应产 品快速更新换代的需要，显著提高生产效率，实现“无纸化设计”；应用该技术能最 大限度地避免人为事物而降低生产成木。设计和制造对象的几何形状越复杂、加工 精度要求越商，产品的改型越频繁、生产批量越小，数控加工仿真验证技术的优越 性就越充分地得到发挥和体现。 在c a d 和数控加工自动编程技术不断发展的同时，数控加工仿真验证技术也应 运而生，并在近十年中得到了迅猛的发展。 计算机图形技术的进步为数控加工仿真验证技术的发展奠定了基础。从第一代 阴极射线管式的图形显示器开始，计算机图形显示设备经历了矢量显示器、存储管 式显示器、光栅扫描式显示器的发展过程，显示设备的显示精度、显示速度不断得 到改善。与此同时，高质量的图形显示卡也在不断地推陈出新。 另外近年来，由s g i 公司推出的o p e n g l 三维图形库，作为三维图形的开发以 及应用工具，随着i , i 。算机技术的迅猛发展，已被认为是高性能图形和交互式视景处 理的标准。包括m i c r o s o f t 公司、s g ! 公司、a t t 公司的u n i x 实验室、i b m 公司、 d e c 公司、s u n 公司、l i p 公司等儿家在计算机市场占主导地位的大公司都采用了 o p e n g l 图形标准，大大地方便了人f f j 币, o 用o p e n g l 在微机上进行c a d 设计、仿真 模拟等等。 计算机图形技术在软硬件方面的迅速发展带动了数控加工仿真验证技术的不断 进步，数控仿真验证技术的发展历程可分为三个阶段：线框显示仿真、真实感图形 仿真、刀轨切削精度验证。 l 、线框显示仿真 在早期的数控加工编程系统中，人们只能通过线框图来观察数控加工的刀具运 动情况。在线框显示仿真技术中，最简单最常用的方法是刀位轨迹的显示验征， 2 塑塞塾窒堕墨查兰堕圭堂堡笙塞 即将刀位数据( 刀心坐标与刀轴矢盘) 的线框图显示出来，判断刀位轨迹是否 连续，检查刀位计算是否正确；其次是将刀位数据连同被加工表面的线框图一 起显示出来，来判断刀位轨迹的正确性，走刀路线、进退刀方式是否合理。由 于线框图显示的场景和真实空间有相当大的差距，因此用户通过对线框图的观 察不能对实际的切削过程作出准确的判断，不能真正达到仿真的目的。 2 、真实感图形仿真 随后的发展过程中，真实感动态图形显示方法逐渐代替了线框显示方式，用户 可以通过计算机生成的真实感图形形象地检查数控加工的切削过程，以此检查加工 代码的正确性。加工过程动态仿真验证技术的基本思想是：采用实体造型技术建立 加工零件毛坯、夹具以及刀具在加工过程中的实体几何模型，然后采用真实感图形 显示技术，把加工过程中的零件模型、夹具模型及刀具模型动态地显示出来，模拟 零件的实际加工过程。动态仿真验证技术的特点是仿真过程的真实感较强，可以对 整个数控加工过程的切削状况作出一个定性的评价和分析，在一定程度上能具有试 加工的验证效果。 3 、刀轨切削精度验证 为了更进一步对数控加工程序进行评价，因此需要对加工过程进行定量分析， 在对切削过程获得动态图形仿真的同时，对加： 过程完成后的“零件”进行精度验 证，将该“零件”与其精度模型对比计算出误差及分布情况，进步将数控加工仿 真提高到定量的层次和水平上。 数控加工仿真技术主要研究方向是基础算法的研究、动态仿真技术、仿真误差 验证技术和仿真综合模型等方面。由于要求数控仿真系统能够进行快速计算和高图 形显示精度，数控加工仿真技术研究也因而着重于切削过程的几何表示、图象表示 两个方面。 1 切削过程的几何表示： 是解决切削过程中加工工件和刀具模型的实体布尔计算问题。现有几种常用几 何表示方法，并加以分析。 1 、实体建模方法： 其优点是可提供三维形体的最完整的几何与拓扑信息，且由于大量的 c a d c a m 软件系统都采用实体造型技术，因而它有广阔发展前景；其缺点是 算法复杂、涉及大量数据的存储和数据库设计与管理难度。它分为下面几类： a 、c s g ( 体素构造法) 用一些基本实体，如圆柱体、圆锥体、长方体等的布尔操作表示；缺点在 1 基于实体造型的数控加工仿真验证技术的研究与实现 于只能产生非雕塑曲面的零件模型 b 、b r e p ( 边界表示法) 构造刀具切削段的包络体，通过毛坯模型和切削段包络体间b o o l e a n 减运 算来达到模拟刀具切削过程的目的。 c 、混合表示法( 结合上两种方法) 采用c s g 和b r e p 相结合的方式，利用c s g 进行布尔操作，用b r e p 进行消隐 ， d 、八叉树建模方法 形体每次按八个顶点细分，直到达到要求的精度。可以表示任意复杂的模 型，且易于实现布尔集合运算，但该模型数据结构要求的内存空间随着零件的 复杂程度而变得非常的庞大，同f i 寸建立八叉树模型本身也非常复杂，将c s g 和b r 印建立的物体的数据结构转化为八叉树数据结构也需要大量的计算。 e 、实体建模的最新发展 将物体的雕塑曲面成为数据结构的一部分。k i m u r a 运用改进的日r 印数 据结构包含了对b e z i e r 类型的雕塑曲面的描述； c a s a l e 和s t a n t o n 提出了“t r i c u b i ch y p e r p a t c h ”的单一数据结构，并不以 c s g 和b - r e p 为基础，其数据结构可以进行布尔运算。 2 、n cv e r i f i c a t i o n 的算法： r o t h 提出将三维布尔运算映射到图象空间从而简化为一维空间的布尔操作； a n t h e r t o n 扩展该思想，基于多边形的扫描隐藏面消除算法； ( 上面两种方法不需要计算和保存加工后的完整的几何定义，所以显示较快， 但改变视角后，整个过程要重新仿真。) a n d e r s o n ：空间的立方划分，立方体作为对象的最小几何特征( 只适合三坐标) ； c h a p p l e ：点一向量的方法。( 以零件表面法向量与刀具扫掠体的求交为基础， 算法思想简单、计算效率高、数据存储量要求不高，避免了中问过程的仿 真，可以进行尺寸公差的检验，但其加工曲面的信息( 包含几何、拓扑信 息) 在此近似替代中部分丢失，造成信息不完整，从而可能带来计算误差， 带来仿真结果失真，不能解决计算的有效性，不能满足实际应用) ： o l i v e r ：零件用工件表面的法向量代替，只建立刀具扫掠体的几何模型， 减少了大量的布尔运算，并成功地应用于三坐标铣削数控程序检验。 r o b e r tb j e r a r d ：“t h eo b j e c t - - s p a c eb a s e d ”方法。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 z 空间分割法：其思想是将切削过程等效为刀具在工件表面上被离散的长方体 单元的高度变化过程，然后通过记录这些高度值动态显示模拟切削过程。 2 切削过程的图象表示： 其关键在于图形消隐处理。常用图形消隐算法有画家、z 缓冲区、扫描线、 区域采样等算法；而数控加工仿真中的消隐算法一般有基于传统扫描线算法的消隐 处理和等轴测投影消隐算法。 从试切环境的模型特点看，n c 仿真分为几何仿真、物理仿真两个方面，几何仿 真不考虑切削参数、切削力及其他因素的影响，只仿真刀具工件几何体，以验 证n c 程序的正确性。切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴，通过仿真切削过程 的动态力学特性来预测刀具的磨损和破损、刀具震动，控制切削参数，从而达到优 化切削过程的目的( 1 9 9 3 年h s k i m 提出的动态n c 铣削力模型，1 9 9 1 年y a n g 提 出的球头刀铣削力模型，1 9 9 3 年y s t a r n g 研究出的动态铣削过程铣削力仿真模型， 非常成功) 。几何仿真和力学仿真相结合将获得更精确的试切模型，这是目前国内尚 未涉及的、但急待解决的新课题。 综合国内外研制n c 仿真系统方面的情况，不难看出，n c 仿真在国外已有很大 发展并达到一定的水平。国内的仿真技术研究起步较晚，9 0 年代初才出现几个仿真 系统。 西北工业大学的研究主要基于物体空问的离散，将毛坯表示为多个柱体的集合， 每个柱体的截面为三角面，将刀具扫掠体选择性地与毛坯三角柱相交，刀具切削毛 坯生成新表面的过程，简化为三角柱高度减小的过程，避免了布尔运算中的大量求 交运算，问题在于离散精度的选择以及验证精度。 华中理工大学机械学院自动化所1 9 9 6 年的一篇文章介绍了他们的系统：由图形 及n c 程序的输入、编辑，编译，千涉碰撞检查，局部放大和旋转平移，单段执行， 找点，仿算加工时间，生成仿真报告等8 个模块组成。干涉碰撞检查在对二维和三 维的问题采取了不同的处理方法。三维仿真采用八叉树法；二维仿真采用了区域法 ( 建立工件、夹具、刀具的区域，然后组合成一个新的区域，新区域为空，正常或 欠切，非空为碰撞) 。 目前，国内以实体造型为基础的仿真软件只有两套：一套是清华大学和华中理 工大学在国家高技术发展计划( 8 6 3 ) c i m s 主题下研制的加工过程仿真器啪s ( 软 件采用c + + 开发，图形采用o p e n g l 支持，毛坯处理采用r a y c a s t i n g 方法，将空 问连续实体离散成一系列的空间直线段，将实体的布尔运算简化为一维的布尔运 算) ；另一套是哈尔滨工业大学在国防科工委“八五”预言项目柔性制造系统( f m s ) 关键技术研究计划支持下的数控加工过程三维动态图形仿真器n c m p s 。 现在市场上比较成熟的仿真系统软件，如美国c g t e c h 公司的v e r j c u t 系统、 5 薹至壅堡望型塑堑丝塑三堕皇堕堡垫查塑婴窒墨壅堡一 英国m i c f o c o m p a t i b l e s 公司的n s e e 系统等，它们都包含动态仿真和切削精度验证 等现代数控加工仿真技术的基本功能模块。这些数控加工仿真系统的图形显示速度 快、图形真实感强，能仿真不同系统、不同格式的数控代码，能验证数控切削过程 的正确性，分析代t l - q e e 存在的问题( 如干涉、过切、欠切等) ，并能根据分析结果为 用户提供精度分析报告等一系列技术文档。通过使用上述系统，可以最大限度地避 免产品制造前的试切过程，降低生产成本，提商劳动生产率。同时，数控加工仿真 技术的发展及其系统的推出也进一步发展和完善了c a d c a m 技术和系统，促进了 c a d c a m 技术和制造业更紧密的结合。 1 3 论文的选题背景及研究内容 在计算机辅助设计与制造中，数控加工仿真验证是其重要的关键技术之。对 于一个成熟的c a d c a m 系统而言，数控加工仿真功能模块是实现设计者正确的设 计和制造意图的关键，在现代制造业中，产品日趋频繁的更新换代给传统的设计生 产方式带来了强有力的冲击，这些传统的过分依赖于人的设计生产方式显然已经不 再满足要求，必然要被包括c a d c a m 技术在内的全新概念的设计、生产模式所代 替，而数控加工仿真技术是反映产品的数控加工是否达到预期效果的一种重要的技 术手段。因此，对数控加工仿真技术的研究具有重要的意义。 南京航空航天大学c a d c a m 工程研究中心进行c a d c a m 技术研究、软件开 发和推广应用已有二十多年的历史，相继研制开发了“b s u r f 三维c a d 系统”、“计 算机辅助飞机外形设计系统”、“b s u r f g i 交互式曲面造型系统”、“m s d 微机曲面 设计系统”、“超人( s u p e r m a n ) c a d c a m 集成系统”、“超人2 0 0 0c a d c a m 系统” 等具有自主版权的软件系统，并且在航空工业极其他相关行业中推广应用，产生了 重大的技术经济效益，同时也为民族c a d c a m 产业的振兴与崛起作出了贡献。 超人2 0 0 0c a d c a m 系统是基于a c i s 几何开发平台上，用v c + + 60 语言开发 实现。a c i s 是美国s p a t i a lt e c h n o l o g y 公司推出的世界上第一个用于三维应用的、 商用的几何开发平台。迄今a c i s3 d t o o l k i t 在【! ! = 界上已有3 8 0 多个基于它的开发商， 并有1 8 0 多个基于它的商业应用，最终用户已近一百万。许多著名的大型系统都是 以a c i s 作为造型内核，如a u t o c a d ，c a d k e y ，m e c h a n i c a ld e s k t o p ，s o l i de d g e 等等。a c i s 通过统的数据结构将线框、曲面和实体造型集成起来，并允许这三种 表示共存于统一的数据结构中，使系统具有统一的几何模型。a c i s 用c + + 编程，采 用面向对象的技术，构造众多的c + + 类，覆盖c a d 对象的所有方面。类中定义相 应的成员函数，提供c a d 系统所必须的基本功能。同时提供大量的a p i 函数，为 开发者提供了基础和拓展空间。在国际流行的开发c a d 平台- a c i s 上开发 c a d c a m 系统，能充分利用最新的成果，站在更高的技术起跑线上。 本文总结了作者在南京航空航天大学c a d c a m 工程研究中心攻读硕士学位期 6 南京航空舰天大学硕士学位论文 间在超人2 0 0 0c a d c a m 系统的开发过程中所做的工作，特别是对数控加工仿真验 证技术的研究与实现。具体包括以下几个方面的内容： 1 、在a c i s 平台下实体造型和显示技术的研究与应用。 基于实体的仿真验证技术首先要求读取实体模型文件，而不是对模型进行 三角化后进行验征；其次要求对刀具扫略体进行精确的实体造型。另外，验证 后的云图显示基于以o p e n g l 为基类的a c i s 中g l 显示技术。 2 、数控加工仿真验证技术的研究与实现。 作者采用基于实体造型技术的z & n 算法，利用z 高度法判断采样点是否 超差，利用法矢求解误差，既解决了矢量切割法效率低的缺点，也解决了z 高 度法精度计算可靠性低的缺点。另外采用本算法，可以用不是很密的细分，来 计算验证一些加工精度要求很高的零件。电就是，细分密度与验证精度没有直 接关系。 3 、数控加工仿真验汪综合模型的研究与探讨。 实际加工精度和编程精度是数控加工程序的两个不同的概念，本文对数控 加工中切削力、刀具磨损、机床精度等因素对实际加工精度的影响进行了探讨。 本课题的研究是在南京航空航天大学c a d c a m 工程中心多年来对c a d c a m 技术研究、开发过程中技术积累的基l i i l i 上，结合国家九五攻关项目、江苏省九五攻 关项目“超人2 0 0 0c a d c a m 系统”，剥国内、外现有仿真验证算法进行归纳总结， 并提出、实现了一种更为有效的验证算法，以j j 通过对一些关键技术和算法的研究 与实现完善国内现有c a d c a m 系统的不足，为新一代系统的开发奠定基础，以推 动我国自主版权c a d c a m 软件产业的发展。 7 苎王壅竺堕型丝塾丝塑三堕塞堕里堡查竺堑壅兰壅堡 第二章a c i s 几何平台的体系结构 2 1a c i s 平台概述 a c i s 是美国s p a t i a lt e c h n o l o g y 公司推出的三维几何造型引擎，它集线框、曲 面和实体造型于一体，并允许这三种表示共存于统一的数据结构中，为各种3 d 造 型应用的开发提供了几何造型平台。s p a t i a lt e c h n o l o g y 公司在1 9 8 6 年成立，并于1 9 9 0 年首次推出a c i s 。目前a c i s3 dt o o l k i t 在世界上已有3 8 0 多个基于它的开发商， 并有1 8 0 多个基于它的商业应用，最终用户已近一百万许多著名的大型系统都是以 a c i s 作为造型内核，如a u t o c a d ，c a d k e y ，m e c h a n i c a ld e s k t o p ，b r a v o ， t r i s p e c t i v e s ，t u r b o c a d ，s o l i d m o d e l e r ，v e i l u ms o l i d 等。 a c i s 的重要特点是支持线框、曲面、实体统一表示的非正则形体造型技术，能 够处理非流形形体。 2 2a c i s 的开发接口 如图2 - 1 所示，基于a c i s 的开发接口有3 个：a p i 函数、c + + 类和d i 函数。 图2 - 1 中a m f c ( a c i sm i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s sc o m p o n e n t ) 是专门为m i c r o s o f t w i n d o w s 平台提供的与m f c 的接口。 图2 1c + + 应用与a c i s 的接口 ( 1 ) a p i 函数( a p p l i c a t i o n p r o c e d u r a li n t e r f a c e ) a p i 函数提供了应用与a c i s 间的主要接口。应用通过调用a p i 函数建立、修 改或恢复数据，无论a c i s 底层的数据结构或函数如何修改，这些函数在每一版本 中均保持不变。当在a p ! 例程中发生错误时，a c l s 可立即自动回溯到调用此a p i 例程前的状态，从而保证模型不会崩溃。 塑塞墼皇堕墨查堂堡主堂垡堡奎 一 a p i ( a d p l i c a t i o np r o c e d u r a l i n t e r f a c e ) 函数是一个函数集，应用程序通过调用 这些函数可以操作模型。a p i 函数融入了变量错误检查、日志处理和中继模型管理。 ( 2 ) 类( c l a s s ) 类接口是定义a c i s 几何和拓扑模型及其它a c i s 特征的c + + 类的集合，开发者 可以直接利用这些类和方法与a c i s 相互作用，也可以根据自己系统的需要为特定 的用途从a c l s 类导出新的类和方法。类接口在各版本中可能有变化。 m f c 是面向对象设计语言v i s u a lc + + 设计的类库，大约包含了2 0 0 多个c + + 类。 由于m f c 提供了一种重复使用的代码，应用软件可根据需要从m f c 继承强大的功 能函数；同时由于基础类库提供的接口从它的底层应用事件开始，很大程度上不受 约柬，同时，采用了封装机制，故应用软件使用m f c 相当便捷。a c i s a p p w i z a r d 从 c d o c u m e n t ，c w n d ，c w i n a p p ，和c o l e s e r v e r l t e m 这4 个类派生自己的类。这些新 类的不同之处在于它们有指向a c i sm f c 类的指钏，从而这些指针指向a c i s 的类。 a m f c ( a c i sm i c r o s o f lf o u n d a t i o nc l a s sc o m p o n e n t ) 是专门为m i c r o s o f l w i n d o w s 平台提供的与m f c 的接口，其巾大部分的类是从m f c 派生出的。此外，为 了使操作更为方便简单，添加了一些新的工具类来提供多数应用所需的操作，如 c a m e r am o v e m e n t ( 模型观察) ，m o u s em o v e m e n t ( 鼠标消息响应) ，d r a g g i n g o p e r a t i o n s ( 拖曳操作) ，b o o l e a no p e r a t i o n s ( 布尔操作) ，d r a w i n gl i n e s 、c i r c l e s ( 画线、圆) ，a n d f i l l e t s ( 倒角) 等等。 a c i sm f c 的类和函数有双重功能：提供a c l s 与m f c 的接口；为基于m f c 的a c i s 应用程序提供初始的框架结构。a c l sm f c 中提供的工具用来创建几何模 型( 画直线、圆等) 及管理视。a c i sm f c 中提供的工具功用函数用来实现对工具 栈的管理。工具栈用来指定激活的工具，同时可以将工具操作中断和悬挂起来以执 行其它操作。所悬挂的操作在某个时刻可以恢复。 ( 3 ) d i 函数( d i r e c ti n t e r f a c e ) d i 函数提供了不依赖于a p i 而对a c i s 造型功能可直接访问的接口，与a p l 不 同的是，这些函数在各版本中可能有变化d i 函数并不能访问a c i s 中的所有功能， 它们通常用于那些并不改变模型的操作，如查询等功能。另外，d i 函数提供了底层 样条库的接口。 2 2 几何与拓扑 几何( g e o m e t r y ) 、拓扑( t o p o l o g y ) 和属性( a t t r i b u t e ) 构成了a c i s 模型，三者统 一由最基础的抽象类e n t i t y 所派生。虽然e n t i t y 本身不代表任何对象，但在 e n t i t y 中定义了它所有子类应具有的数据和方法( 如存储、恢复、回溯等) 。a c i s 模型数据的c + + 类层次关系如图2 - 2 所示。a c i s 的拓扑包括b o d y ( 体) 、l u m p 9 苎王壅堡堕型塑墼丝垫三堕塞堕垩垫查堕塑壅兰壅婴一 ( 块) 、s h e l l ( 壳) 、s u b s h e l l ( 子壳) 、f a c e ( 面) 、l o o p ( 环) 、w i r e ( 线 框) 、c o e d g e ( 公共边) 、e d g e ( 边) 和v e r t e x ( 顶点) a c i s 把线框 ( w i r e f r a m e ) 、曲面( s u r f a c e ) 和实体( s o l i d ) 存储在统一的数据结构中， 这种共存机制使a c l s 支持混合维模型和各种非闭合模型。图2 - 3 描述了拓扑对 象间的关系以及拓扑与几何间的关系。 - - - - - - - - - l - 。- 。- 。 a t t r i b _ t u r d e f i n e d a t t r i b u t e ! 。一s y s t e t ma t t r l b u t o 图2 - 2a c i s 中模型的c + + 类层次关系 l o h m x篙端篙室|篆 堕塞堕皇堕蒌查堂堡圭堂堡堕整 lt r a n s f o r m 卜 l s u r f a c e j 辱j i p c u r v e i l 与。啷l ic u r v e 卜葚 l a p o i n t l ? 图2 -a c i s 中模型的数据结 2 3 主要功能和特 2 3 a c i s 产品由两部分构成：核心模块( a c i 3t o o i k i t ) 和多种可选模块( o p t i o n a h u s k s ) 。在核心模块中提供了基本、通用功能，而在可选模块中提供了一些更为 级的和更专用的功能，其主要功能如下 线架造 提供多种创建二维图素的方式，包括点、直线、圆、自由曲线等 提供图素问的操作功能，包括旋转、平移、拷贝、等距、过渡、裁剪、打 等 2 ，曲面造 提供创建各种平面、柱面、锥面、球面、环面、样条曲面的方式 提供了曲面问的操作功能：包括旋转、平移、拷贝、等距、过渡、裁剪、 伸等 提供通过一个线框或一组边生成曲面的方式：其方法包括覆盖( c o v e r i n g ) 蒙皮( s k i n n i n g ) 、放样( 1 0 f t i n g ) 、网格曲面( n e s u r f a c e s ) 、可变形曲 ( d e f o r m a b ls u r f a c e s ) 网格曲面是对于具有突变数据平面片和海量数据平面片的a c i s 曲面模型 可以用分片曲面网格多边形表示。变形曲面( d e f o r m a b lm o d e l i n g ) 是一利 交互定义合理、自由曲线曲面的方法，而不是一利，l l i l 线曲面的表示方法， 是一种基于能量优化策略的方法，用户可通过施加负载和约束来修改曲线 曲面的形状 3 实体造 1 基于实体造型的数控加工仿真验证技术的研究与实现 通过体的拓扑元素( 立方块、圆锥体、圆柱体、棱柱、棱锥、球体、圆环体 等) 来创建实体； 通过包围某一区域或扫掠曲面来创建实体。 该部分还包括以下功能： 过渡扩展了a c i s 内含的标准过渡功能，对于具有复杂拓扑和几何关系的 模型，提供了多样的过渡类型。 局部操作在3 d 模型的曲面上进行局部操作，而不会改变实体模型的拓扑 结构；同时允许现有的模型特征不通过布尔运算进行操作，可以保证模型拓 扑和几何的完整性。 壳体构造通过给定的距离和实体模型的所有曲面，可以创建或定义一薄壁 的壳体，在工业造型方面具有广泛的应用。 4 求交、布尔运算和缝合 求交( i n t e r s e c t ) 用于对模型的几何进行操作，可进行曲线和曲线、曲线和 曲面、曲面和曲面的求交运算；通过底层的c + + 类实现，利用求交器 ( i n t e r s e c t o r ) 判断曲线和曲面是否相交并可求出交点。 布尔运算( b o o l e a no p e r a t i o n s ) 包括并、交、差运算； 缝合( s t i t c h i n g ) 是通过共边或共顶点缝合两个体。 5 模型分析 a c i s 的模型分析功能主要包括：对象关系( o b j e c tr e l a t i o n s h i p ) 、物理特性 ( p h y s i c a lp r o p e r t i e s ) 、单元拓扑( c e l l u l a rt o p o l o g y ) 、几何分析( g e o m e t r i c a n a l y s i s ) 和光线测试( r a yt e s t i n g ) 等。 6显示、渲染与交互 a c i s 的显示方式包括线框图、多面体图、多面体消隐图、光照图。可以使 实体、曲面、线架造型的隐藏线消失，继续保持模型的几何性，能够更好地 对3 d 模型进行真实感显示，更方便地发现造型的缺点或矛盾。 模型渲染可以极大缩小开发周期，通过光照、材质、纹理和三维裁剪创建高 质量的、交互式的、具有真实感显示的a c i s3 d 模型。 交互方面提供了拾取和过滤( p i c k i n g a n d f i l t e r i n g ) 、橡皮线( r u b b e r b a n d i n g ) 、 网格管理( g r i dm a n a g e m e n t ) 等功能。 7 模型管理 包括文件的存储与恢复、零件管理及回溯。a c i s 提供了两种存储模型文 件的格式，即以a s c i i 文本格式存储文件s a t ( s a v ea st e x t ) 和以二进制 格式存储文件s a b ( s a v ea sb i n a r y ) 。s a t 文件的格式是开放的，为非基于 a c i s 的应用存取a c i s 模型提供了途径。通过a c i s 的零件管理组件( p a n m a n a g e m e n tc o m p o n e n t ) ，可把实体组织成零件，并且可以以各种方式对零 件进行操作。通过回溯功能可在a c l s 模型的各状态间切换，支持线性或非 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 线性的历史流，并支持多个历史流。 2 3 2 特色 a c i s 的产品线是采用软件组件技术设计的，在公司成立之时就打起了软件组件 技术和开放系统的旗帜向传统的c a d c a m 领域发出了挑战。建立在软件组件技术 基础上的开放式体系结构形成了a c i s 的重要特色，其主要特色如下： ( 1 ) 基于组件的开放式体系结构。 通过采用软件组件技术，可使不同用户、不同应用采用不同的组件组合， 开发者也可以用自己开发的组件替代a c i s 组件。a c l s 的c + + 库由3 5 个d l l 组成，为开发者开发3 d 应用提供了极大的柔性和功能基础，开发者可以迅速 把a c i s 的新版本集成到产品中。例如a s h l a r 公司( v e l l u ms o l i d s ) 和v i s i o n a r y d e s i g ns y s t e m s 公司( i r o n c a d ) 几乎在a c i s4 0 面市的同时宣布其基于4 0 的 应用推出。 ( 2 ) a c i s 的几何总线( a c i sg e o m e t r yb u s ) 。 a c i s 的开放体系结构和它的s a t 构成了a c i s 几何总线。如图2 - 4 所示， a c i s 几何总线使线框、曲面、实体的几何与拓扑模型数据能够自由交换，当s a t 模型在“b u s ”上流动时，不需任何解释与翻译。产品模型从概念设计到制造过 程，可能使用多个商家提供的应用，通过几何总线摆脱了数据翻译的负担，无 须为模型的互操作做任何工作，这在封闭式系统中是不可想象的。 ( 3 ) 强大的组件功能。 a c i s 除了在它的a c i s3 dt o o l k i t 中提供了各种功能强大的内置组件( 如 f a c e t e r 、零件模型管理、图形交互、基本显示、o p e n g l 显示等组件) ，还在o p t i o n a l h u s k s 中提供了满足更高级需求的可选组件，包括高级过渡( 支持复杂拓扑、 几何过渡) 、高级渲染、可变形曲面、修补、网格曲面、局部修改、精确消隐、 抽壳等组件另外，还有许多第三方开发的组件，这些组件也同样可嵌入基于 a c i s 的应用中。 基于实休造型的数控加工仿真验证技术的研究与实现 图2 - 4a c i s 几何总线 2 4 a c i s 的结构 a c i s 产品的核心是几何造型器( g e o m e t r i cm o d e l e r ) ，还包括些可与核心集 成的组件，称为外壳( h u s k ) 。在其核心部分只提供一些基本的几何造型功能，提供 数据的几何、拓扑、属性三类信息，在h p i ( p p l i c a t i o np r o c e d u r a li n t e r f a c e ) 中提供了具体的造型方法。在外壳中提供其它高级功能，外壳可以是s p a t i a l t e c h n 0 1 0 9 y 公司提供的，如高级渲染( a d v a n c e dr e n d e r i n g ) 外壳、三维工具箱( 3 1 ) t 0 0 1 k i t ) 外壳等，也可以是用户通过p a r tm a n a g e r ，g r a p h i c a l i n t e r a e t i o n 等l l u s k ，搭构自己的一些功能。所有上述数据的描述、操作方法都封装在对象中， 对象之间层次关系保证了操作的一致性，而重载机制又保证了操作的可扩充性。a c i s 提供的可扩充的开发语言s c h e m e 及支持的c + + 调用为系统命令接口，为应用开发 提供了极大的伸缩性。a c i s 核心结构如图2 - 5 所示，与a c i s 核心集成的外壳如图2 - 6 所示。 1 4 南京航空航天大学硕士学位沦文 图2 - 5 a c i s 核心结构 图2 - 6 与a c i s 核心集成均衡的外壳 2 5 a c i s 的模型表示 a c i s 模型表示由各种属性( a t t r i b u t e s ) 、几何( g e o m e t r i e s ) 和拓扑 ( t o p o l o g i e s ) 构成。) e l , - 、拓扑和属性三者统由最基础的抽象类研盯i t y 所派 生。虽然e n t i t y 本身不代表任何对象，但在e n t i t y 中定义了它所有描述实体的 子类应具有的数据和方法( 如存储、恢复、回溯等) 。 a c i s 是用c + + 开发的，用c + + 类的层次实现了概念模型，c + + 类的层次如图2 2 基于实体造型的数控加工仿真验证技术的研究与实现 所不。 几何是指模型的物理描述，几何类用来定义通用的曲线、曲面几何元素。几何 类分为两个层次：底层是通用构造几何( c o n s t r u c t i o ng e o m e t r y ) 类，它并不与物 体的数据结构建立永久性联系；在物体的固定数据结构中再设置一层对应的上层模 型几何( m o d e lg e o m e t r y ) 类。几何类分作曲线、曲面和实体三大基本类。从e n t i t y 派生的表示模型几何的类为c u r v e ( 派生类为e l l i p s e ，i n t c u r v e 和 s t r a i g h t ) ，p c u r v e ，p o i n t ，s u r f a c e ( 派生类为c o n e ，p l a n e ，s p h e r e ， s p l i n e ，和t o r u s ) 和t r a n s f o r m 。特定的几何信息对这些子类来说是私有 的，对这些类的访问都需通过成员函数进行。 2 6 小结 通过对a c i s 的开发接口、主要功能特点以及结构和模型表示等几方面的介绍， 对a c i s 这个几何平台进行了整体的概述。并针对其主要的功能特色予以重点剖析， 其中的大部分结构在仿真验证系统的开发中部将有所应用并在某些方面得到了扩 展。 1 6 塑塞些皇堕墨盔堂堡圭堂堡堡壅 一 第三章数控加工仿真误差验证算法的研究与实现 3 1 引言 计算机数控加工仿真( n c 仿真) 作为汁算机辅助制造( c a m ) 的一个重要组成部 分，利用计算机图形技术与产品的数控加工技术，以可视化的形式来直观地表示零 件加工缺陷，打破了传统的零件试切后再进行数控加工的模式。加工动态仿真一般 不考虑切削参数、切削力以及其它因素的影响，只动态显示刀具的切削过程，以避 免刀具明显的过切和欠切，以及与工件、夹具和机床的碰撞。丽n