（航空宇航制造工程专业论文）基于internetintranet数控加工仿真研究与开发.pdf

，椭蛩 f j 随着c a d c a mf i 0 1 i 断发堤，数控技术 ! j 到了、。泛的应川。计算机硬件性能的 提# 辩1 1 劁形 & 示技术l ( j 发展，使j 视化数控加i ：网形仿真成为个检测数控程序正 i f | j r ：的照要于段。嗣l i q ，存制造行、1 i ，建秆j - j 二i n t e r n e f f i n t r a n e t 的企! 世信息网j i ： 发年l 关的t 程软件给制造q k f ( , j 企、旧口水了4 i t 命一i + l j r , j 发展。、， 本论文总结了作者n ：剥数7 空d l lf 仿真算法、儿何模型表达、动态实时仿真等技 术f i q t i j l 。究r h 以及花丌发p c b a s e dv c n c ( v i s u a lc o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 和 w e b b a s e d v c n c 发过桴1 i ，墩符f r , j 进展和成果。水文分为两部分： f 矿数控d r l _ i 仿真算法以及儿何模型表达原删 总结了几种传统算法，提了丛r 规i m , i _ - f f j ”化的筛单算法，并介绍了p c b a s e d v c n c3 1 发过程。 l 硝w e b b a s e dv c n c 系统的设计1 j 发 v w e b b a s e dv c n c 采：。i 层7 i l i 构，【! | jj 1 1 户服务层、心j 玎服务层和数据服务层，利 刚j a v a 的j b u i l d e r 丌发】：具j 1 ：发允成的。 关键b 日：机械：j j l li ? 、c a d c a m 、数 i - d l ii ：9 i ，、o p e n g l 、j a v a 、v r m l 南京航! = ；! 舰犬人学硕卜何沦义 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc a d c a mc o n t i n u a l l y ，n ct e c h n i q u eh a sb e e n a p p l i e d w i d e l y b e c a u s eo ft i l ei m p r o v e m e n to f c o m p u t e rh a r d w a r ep e r f o r m a n c ea n dd e v e l o p m e n t o f g r a p h i c sd i s p l a y ，i th a sb e c o m eo r e o fi m p o t t a n tm e a n sb yw h i c hv i s u a ln c m a c h i n i n g g r a p h i c ss i m u l a t i o ni su s e dt oc h e c kw h e t h e rt h en cp r o g r a mi sc o r r e c tm e a n w h i l e ，i nt h e m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ，t i l er e v o l u t i o n a tyd e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s h a s b e e nl - e s u l t i n gf o r mb u i l d i n gh a t e r n e t i n t ta n e t b a s e de n t e r p r i s ei n f o r m a t i o nn e t w o r k b a s e do nt i l er e s e a r c ho fn cm a c h i n i n gs i n l u l a t i o n a l g o r i t h m s ，g e o m e t r ym o d e l p r e s e n t a t i o n ，r e a l - t i m e s i m u l a t i o n ，a n d i m p l e n r e n t a t i o n o fp c b a s e d v c n c ( v i s u a l c o m p u t e rn u m e t i c a lc o n t r o l 、a n dw e b b a s e dv ( 1 n c t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ew o r k a n da c h i e v e m e n tr l h ec o n t e n t so ft i l ep a p e rc a l lb ed i v i d e di n t ot w o p a r t s ： ，i h e p r i n c i p l e o fn c n l a c h i n i n g s i m u l a t i o n a l g o r i t h m s a n d g e o m e t r y m o d e l p l _ e s e n t a t i o n t h et r a d i t i o n a la l g o li t h m sa l + es l l m m a li z e di t b r i n gi nas i m p l er e g u l m t r i a n g l ep a t c h b a s e da l g o r i t h ma n di n t l o d u c et h ed e v e l o p m e n t o fp c b a s e dv c n c t h e d e s i g na n dh n p l e n l e n t a t i o no fw e b b a s e dv c n cs y s t e m w e b b a s e dv c n c h a s a d o p t e dat h r e e t i e sa r c h i t e c t u r e ，n a m e l yu s e rs e r v i c et i e ，a p p l i c a t i o ns e r v i c et i ea n d d a t as e r v i c et i e 1 tl l a sb e e ni m p l e m e n t e db yj a v ad e v e l o p m e n tt 0 0 1 j b u i l d e r k e y w o r d s ：m a c h i n i n g c a d c a m ，n cm a c h i n i n gs i m u l a t i o n ，o p e n g l ，j a v a ，v r m l 南京航空航大人学硕p ，1 立_ 论文 第一章绪沦 制造、l k 发达足个国家经济强盛的标志。随着科学与技术的进步，电子、信息 及自动化技术的广泛应用，使z l - ? 得到了巨大发展，市场竞争亦变得愈来愈激烈， 竞争推动着整个社会飞速前进，同时给食、i k 造成了严酷的生存环境，而信息化、网 络化使仓业具有竞争实力的必要的，也是最有效的手段。 1 1 网络技术在制造业中的应川 在企业信息化的过年! ，川，网络化逐渐成为艰i i l ，并渗透到企业各个部门。目前， 7 f i i l i q 造业r i ，网络技术的成jt j 主要有以_ 卜儿个力i i | ： c a d c a m c a e 系统 c a d c a m c a e 技术作为制造、保持竞争力的有力工具，在缩短产品上市 时n u 、提高产品质量、降低成本等方丽发挥蓿重要作用。引入网络技术，把i n t e r n e t 作为系统的扩展部分，是儿乎所有c a d c a m c a e 系统的发展方向。在设计的 符个叫期，让i 殳计团队的成员和刖j 、能够通过w e b 浏览器来浏览产品模型，是 这些系统提供的攮本网络功能。而支持团队协同设计及并行设计是 c a d c a m c a e 系统的共同发展力阳之一。 最常1 j 的网络图形格式是虚拟现实建模语言( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n g l a n g u a g e ，v r m l ) 格式。v r m l 是扪述刚上三维物体和二维世界的一种标准 文什格式，使得f _ ! h ) t e ) n e t 输罔形变得肛常简单。另一方面，v r m l 文件比 表示相同三维剥象的其它文什格式小得多，非常适合用来在网上传输产品模型。 使j i j 现有的支持v r m l 的w e b 浏览器或安装插件就可以浏览三维产品模型，用 j 1 i i j _ 以征其一i t 漫游，还可以通过嵌入的年l l 关链接访问产品信息、技术支持及演 示等计：多在线文档。1 1 前，儿下所有大型c a d c a m c a e 系统都提供v r i v l l 的 棚关功能，剥v r m l 的支持逐渐成为标准。 列了：二维图形，也有专门为其丌发的网络格式。a u t o d e s k 公司为其产品 a u t o c a d 捕洲；了与d w g 格式棚刘应的网络图形格式d w f ( d r a w i n gw e b f o r m a t ) ，这是一种高度压缩的图形格式，专门用于在网络上传输。d w f 文件 i t ia u t o c a dn jd w f o u l 命令输，j 1 d w f 浏览器进行浏览。它的共同特点 是代码体积小，以现有的l e 或n e t s c a p e 等w e b 浏览器为平台，不必安装a u t o c a d 系统，可以独立运行或嵌入i t t m l 文什。除了其基本的缩放、平移、按层视图 浏览等功能外，d w f 浏览器还有i t f l 7 t 1 7 l l j _ i 7 、访问内嵌链接等实用功能。这些特 南京航空航大人学硕l ：学位论文 点非常便于分散存不同地域的设计团队成员及用户在设计过程中研究分析发计 图纸。 除了网络浏览产品设汁信息，支持团队1 办同设计及并行设计也是 c a d c a m c a e 系统的共同发展方向之一。现代制造企业往往分散于不同地域， 产品的设计开发需要各地的工程师密切合作。大型c a d c a m c a e 系统为适应 这种分布设计制造模式，提供基1 i 网络f i , j f f i ￥决方案。通过i n t e m e “i n t r a n e t ，身处 不同地理位胃的- f i l i l5 i i l i 可以实时观察、操作同。产讯模型，进行并行设计，大 大加快产品的丌发速度。 敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ，a m ) 1 9 9 1 年，美国政府为了在世界经济巾重振雄风，并在未来全球市场中取得 优势地位，山吲防部、工业界和学术界联合研究未来制造技术并完成了2 1 世 纪制造企业发展浅略报告。该报告f 砌确提出了敏捷制造的概念。敏捷制造是一 种快速i i 向应高层的制造概念，它是丽绕着现有市场机遇通过建立动态联盟( v i r t u a l o r g a n i z a t i o n ) 来实现的。动态联盟是指企业群体为了赢得某- s t 遇性市场竞争， 把一复杂产品迅速月：发生产出来并推向市场，他们从各自公司选出丌发生产新 产品的优势部分，然后综合成一个币一的经营实体，这是一个临时性的联盟， 它随机遇的产乍而产i 三，随着机遇的逝去而消亡。 敏捷制造使制造企业能够把握f i 场机遇，及时动态地重组生产系统，与其它 企业棚比，能在最短的n _ j 问内向市场推i i 有利可图的、用户认可的、高质量的 产品。以计算机网络将本地的、异地的，甚至异国的制造企业或制造资源( 设 备、产品设计或工艺规程) 联成一个整体，为共同的目的，进行i 办调的努力。 如果说，c i m s 侧重于企业内部箨部门、备环节之间的集成与信息交流，那么， 敏捷制造则发展到企业之问的集成与信息交流。通过计算机网络联接起来的企 业，被称为虚拟企业( v i r t u a le n t e r p r i s e ，v e ) 。 汁算机网络通讯技术是实现敏捷制造和动态联盟的关键信息技术。由于敏捷 制造和动态联盟是跨机构、跨地区的全球企业组织方式，计算机网络通讯技术 成为其最基本的技术基础。各种网络技术的发展使全球范围的网络信息传输及 数据访问成为可能，计算机f 列络，特别是i n t e r n e t 和i n t r a n e t 的发展使得异地组 织动态联盟成为可能。 项目网站( p r o j e c t w e b s i t e ) 当制造企! l p j r 始一个新的：【程项口，可以专门为之建立一个网站，这个网站 的服务对象是项目参与者。防火端技术及加密技术等安全措施使具有相应权限 的访问者才能访问丌应页丽、获取或发前j 信息。跨地区、跨行业的项目参与者 可以通过项目网站获取资料、提请求、组织会议、审阅批注设汁、传递工程 2 南京航空航大人学硕k 学位论文 文档等。项目网站的意义在1 ：通过减少对面的会议及旅行，减少递送缓馒的 信件来减少延误、降低费用、节省时问、提高效率，使之成为信息、管理中心。 项目网站的组织形式对于国际问项 0 合作有特别重要的意义。 电r 商务( e l e c t r o n i cc o m m e l c e ，e c ) 电了商务是指列整个贸易活动奖现i u 了化。从涵盏范围方面可以定义为：交 易各方以电予交易方式而不是通过当而交换或直接面谈方式进行的任何形式的 商_ k 交易；从技术方面可以定义为：电予商务是一种多技术的集合体，包括交 换数据( 如r 乜予数据交换、电了1 1 | f 5 件) 、获得数据( 共享数据库、电子公告牌) 以及自动捕获数据( 条形码) 等。它是利用信息技术来处理商务活动的系统， 如f 乜予商j 世( e l e c t r o n i cb u s i n e s s ) 、网络贸易( n e tc o m m e r c e ) 、i n t e r n e t 商务、 w e b 商务、w e b 购物等，统称f ( 1 了商务。在现实生活中，人们常常将一切使用 新的通信技术和计算机技术来改变传统的商务服务模式的活动都视为电子商 务。 电予商务将改变企业的生产力式。山= r 咆子商务是种快捷、方便的购物手 段，消费者的个性化、特殊化需要可以完全通过网络展示在生产厂商面前。为 了吸引顾客，突： ；产品的设汁风格，制造、胁| 1 的j ：多企业纷纷发展和普及电予 商务。如美国 爵特汽下公司在1 9 9 8 年的i 月份将分郴在全世界的1 2j j 个电脑 7 1 l 作站与公司的内部网连接起来，并将全l i ! ：界的1 5 万个经销商纳入内部网。福 特公司的最终日的是实现能够按照用户的不同要求，做到按需供应汽车。 电予商务将给传统行业带来场革命，它将极大地提高商务活动的效率，减 少不必要的c 刚环节，传统的制造业藉此进入小批量生产、多品种的时代，“零 库存”成为可能。 在制造! 叱巾，除了以上提到的网络技术外，还有几种基本的网络应用也在工程 设计及项目开发中发挥作用。这些应用包括了电子邮件、b b s 、新闻讨论组、f t p 文件传输、网络电话、网络电视会议、电子自板及搜索引擎等。它们大多是一般的 网络使用者都很熟悉的只常 ：具，存工程没计方面也大有用武之地。如m i c r o s o r 开 发的n e t m e e t i n g 能同叫提供音频视频交互、聊天( 文本交互) 、传送文件、共享程 序及电予白板( 图形文本交互) 等功能，这些功能列于异地工程合作都有实际意义。 1 2 数控加工技术的发展概况 数控加工编程是计算机辅助制造( c a m ) 巾的一个重要组成部分，也是c a d c a m 技术中最能明显发挥效茄的生产环节之。它在实现设计加工自动化、提高加工精 3 南京航空航天大学项j ：学位论文 度和加工质最、缩短产品研制周期等方而发挥着重要作用，可以大量节省专用工艺 设备，适应产品快速更新换代的需要。在诸如航空工业、汽车工业等领域有着大量 的应用。出于生产实际的强烈需求，国内外都列数控编程技术进行了广泛的研究， 并取得了丰硕成果。 数控编程是从零仆图纸到获得数挖加 i 程序的全过程。可以直接从产品的数字 定义产生加工指令，保证零件具有精确的协调和互换性，产品最后用数控测量机检 验，易于严格控制外形和尺寸精度。生产对象的几何形状越复杂，加工精度要求越 高，设计更改频繁，生产批量越小，数控期1 l n o 优越性就越容易得到体现。它的主 要任务是计算加工走刀巾的刀位点( c u t t e rl o c a t i o np o i n t 简称c l 点) 。刀位点一般 取为刀具轴线与刀具表面的交点，多轴加工巾还要给山刀轴矢量。为了解决数控加 工中的程序编制问题，5 0 年代，m i t 设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编 制的语言，称为a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt 0 0 1 ) 。其后，a p t 几经发展，形 成了诸如a p t i i 、a p t i l i ( 立体切削用) 、a p t ( 算法改进，增加多坐标曲面加工编 程功能) 、a p 7 r - a c ( a d v a n c e dc o n t o u r i n g ) ( 增加切削数据库管理系统) 和a p t - s s ( s c u l p t u r e ds u r f a c e ) ( 增加雕塑曲面加工编程功能) 等先进版。 a p t 能处理二维轮廓、三维曲面的铣削m | l 工，包括刀轴可倾斜的多坐标加工。 但是a p t 是一个庞大的系统，较难掌握。为此，在a p t 的基础上，世界各国又各 自发展了带有一定特色和应用性更强的a p t 衍生语言，如美国m d s i 公司开发的 c o m p a c t ，i b m 公司开发的适用丁二小型计算机的a s a p t ，德国阿亨工业大学开发的 e x a p t ( e x a p t 语言简化了a p t 语高巾图形抑i 述部分，把重点转移到加工工艺上， 具有切削条件自动选择和加工顺序自动决策功能) ，e 1 本日立公司的h a p t ，富士通 公司的f a p t ，法国的i f a p t ，意大利的m o d a p t 等。我国也在7 0 年代以后，以 a p t 语言为蓝本丌发研制了一些数控自动编程语言系统，如s k c 。1 ( 2 5 维) 、s k c 一2 ( 四 坐标平面变刳角) 、s k c 3 ( 五坐标平面变斜角) 、c a m 2 5 1 ( 参数曲面定义与加工) 以及微机上使用的e a p t 、h z a p t 、m a p t 等。 和现代商品化c a d c a m 系统的交互式图形编程所不同的是，以a p t 为代表的 批处理语言编程系统采用专用语句体写源程序，用源程序描述加工零件的几何形状， 以及进刀和走刀方法，还有大量辅助语句描述加工过程的各种工艺参数，如进给率、 加工余量等，将其输入计算帆，t _ ha p t 处理系统经过编译和运算，输出刀具中心轨 迹，然后再经过后置处理，把通用的刀位数据转换成相应数控机床所要求的n c 指 令格式。 采用a p t 语言编制数控加工程序具有程序简练、走刀控制灵活等优点，使数控 加工编程从面向机床指令的“汇编语言”级，上升到面向几何元素点、线、面 的“高级语言”级。这种编程方法在国外经历了数十年的发展，软件系统较为成熟， 所以即使是现今的交互式编程系统，往往也带有a p t 系统再处理一遍。a p t 系统所 采用的基本概念和思想深刻地影响了数控加：亡自动编程技术的发展。特别是用零件 4 南京航空航天人学硕 学位论文 i f i ( p a r ts u r f a c e ) 、导动丽( d r i v es u r r a c e ) 及l = ；= 查面( c h e c ks u r f a c e ) 控制刀具运 动的思路，至今仍是大多数交互式图形编程系统的基本框架。 随着技术及应用需求的不断发展，a p l l 语南系统同益暴露出了它的缺点和不足， 例如，零件的设计与加：1 二之间用图纸传递数掘，m 碍了设计与制造的一体化，图纸 解释、：f 艺过程规划要 ：艺人员完成，列用户的技术水平要求比较高，既困难而又 容易 1 1 错，等等。针对a p t 语言的6 决点，1 9 7 2 年美国洛克希德加里福尼亚飞机公 司经过8 年的努力，苘先研制成功采j j 图象仪辅助泼计绘图年 1 编制数控加工程序的 系统，称为c a d a m 系统，后被r i 本儿大公司采用。用c a d a m 编程，时间缩短为 a p r 编程的2 5 3 0 。1 9 7 5 年法国达索飞机公司引进c a d a m 系统，成为c a t i a 系统。8 0 年代初，该公司将c a l i a 门j 于飞机吹风模型的设计和加工，使其设计制 造周期得以大大缩短。 随着c a d c a m 技术的发展，数控加工编程系统也从a p t 过渡到以交互式图形 编程为主，能够有效地与c a d 集成，与c a d 兆享统一的数据模型。与批处理的语 言型数控加i 工编程系统相比，这样的系统能够提供单一准确的产品几何模型，几何 侍息的产g i 和处理于段灵活；引入了参数化设计功能之后，通过成组编码和特征建 模技术，使得c a d 环节易于和工艺过程设计和数控办l 工自动编程相衔接。目前的商 品化数控加工编程系统基本上都是属_ 。这一类n 0 。 1 3 数控加工仿真技术的发展概况 数控程序的编制，无沦是a p t 还是c a d c a m 系统，都可能发生错误，比如， 加工过程中是否会发生过切、欠切，选择的刀具、走刀路线、进退刀方式是否合理 等，这些问题编程人员事先往往很难预利，因此需要提供对刀位进行验汪的必要手 段。 为了验证n c 程序的正确性，常采用试切的方法。用塑模、蜡模或木模等进行 加工，当加工完成后，通过手工或坐标测量仪列工件进行测量来检查n c 程序的正 确性。程序每改变一次，就需要重新试叨一次。因此，在实际加工之前，往往需要 很多次试切，这不但浪费了大量的人力和物力，i i i 且延缓了生产周期。 剥_ ! f i f ：r = 过程进行仿真是利用汁算机图形学的手段，在计算机上模拟加工走刀和 零什切削金过程。随着数控编程技术的发展，在n c 程序自动检验中，主要研究方 向是生成真实感的n c 加工仿真图形。首先建立数控= f ) 工的仿真模型，然后采用动 态仿真显示数控加工的全过程，山于产生的图形是真实感效果图，所以能够直接地 观察检测n c 程序代码地正确性，刘1 。些细微的加工地方，还可以通过放大的方 法进行观察，直接观察拒切削过程，l j 能遇n f l j 问题，反复凋试，以进一步确定n c 程序的i r 确性。 南京航空航天大学硕十学位论文 目前n c 切削过程仿真分几何仿真和力学仿真两个方面。几何仿真只仿真刀具 与一i + 件几何休的运动，以验l i en c 程序的i i i 确r i ：，以减少或消除因程序错误而导致的 机床损伤、夹具破坏或刀具折断、零f t ：报废等问题；同时还可以减少从产品设计到 制造的时问，降低生产成本。切削过程的力学仿真是通过仿真切削过程的动态力学 特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数，从而达到优化切削过程的目的。 几何仿真技术的发展是随着几何建模技术的发展而发展的。目前常用的建模方 法有直接实休造型法，基于图像空问的方法和离敞矢量求交法。 i 4 论文的选题及主要章节安排 i n t e r n e t 作为未来信息社会臻础结构l j 原型，其影响j f 在超过任何现有的技术， 其中的w e b 技术则更是如同飓风一样横扫人类社会的各个角落，迅速成为2 0 世纪 最伟大的科技成果之一。只要有一台与 n t e r n e t 相连的计算机，不管它是通过什么方 式连入i n t e r n e t 的，任何人都可以访问i n t e r n e tl 任何位置的w e b 站点，实现不受限 制的全球访问，获取自己想要的任何信息。 随着计算机及其网络在制造领域的普遍应用，已经有了许多成熟的商业软件在 使用，但大都集：p 在局域网的p c 机和图形工作站上。w e b 技术的发展为推动制造 企、晒融合到i n t e r n e t 之中提供了一种有效的手段。 本文就是针对w e b 技术在制造过程的数控加工仿真的应用所进行的研究与原型 的实现，为制造领域的企业提供提供一种工具，达到资源共享、异地协同设计、缩 短制造过程分析的周期、降低生产成本的目的。 w e b b a s e dv c n c ( v i s u a lc o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 是一个i n t e r n e t i n t r a n e t 环境下的数控加工仿真原型。在分布式系统集成化的工作环境中，它通过 i n t e r n e t i n t r a n e t 把分和在不同地方的资源和服务集成到一个统一的环境中来，用户 无论在何处登录，都可以通过一致的用户界面透明的使用各种资源和服务，进行数 控加工仿真和共享产品信息的管理。 本文共分为七章。第一章概要沦述了w e b 技术列制造业的影响与应用，并简要 f c j 介绍了数控加工技术以及数控加工仿真技术的发展概况。第二章简单的叙述了数 控仿真技术概念以及主要的几何模型，同口寸提出了一利t 简单有效的几何模型，并比 较了它们的优缺点，最后，介绍了利用o p e n g l 实现的基于p c 的v c n c 系统。第 三章详细介绍了三种基于i n t e r n e t i n t r a n e t 的企、j k i - i 。算模型，传统的计算模型、j a v a 训算模型、三层结构的浏览器服务器模型。第四章阐述了基于i n t e r n e t i n t r a n e t 数控 加工仿真丌发的可行性、丌发工具选取以及模型的建立与实现。第五章详细介绍了 w e b b a s e dv c n c 系统的设计和实现，其中包括系统的结构、系统的功能描述、系统 j | 1 的数据通信协议、系统客户层a p p l e t 、系统服务层s e r v l e t 、系统服务层仿真s e r v l e t 与v r m l 模型以及w e b b a s e dv c n c 系统数据层数据库结构。最后一章对基于 6 南京航。i ! 航火人。、乎坝i 。、产何论文 i n t e l n e t i n t r a n e t 数控肌l + 仿真的f i j ：究jw e b 。b a s e dv c n c 系统”发工作进行了总结 j i ：展望了系统的j j j ! 一步丌发。 南京航，航人人学硕i “他论文 第二章数控肌i 工仿真技术 2 1 汁算机仿真的概念及应用 从工程的角度来看，仿真就是通过剥系统模型的实验去研究一个已有的或设计 巾的系统。分析复杂的动态刑象，仿真足一种有效的方法，可以减少风险，缩短设 汁并制造的周期，并节约投资。训f ：, l ：j l 仿真就足借助计算j f l ，利用系统模型对实际 系统进行实验研究n 0 过柙。它随菥计算机技术的发展而迅速地发展，在仿真中占有 越来越重要i t j t 也位。 计算机仿真1 1 的建模活动是通过剥实际系统的观测或检测，在忽咯次要因素及 不可检测变量的基i i | ；h 用物丑1 1 或数学的力法进行描述，从而获得实际系统的简化 近似模型。这艰| 勺模型同实际系统的功能j 参数之州应具有相似性和剥应性。 仿真模型足列系统的数学模型( 简化模型) 进行+ 定的算法处理，使其成为合 适的形式( 如将数值积分变为迭代运贸：模型) 之后，成为能被计算机接受的“可计 算模型”。仿真模型对实际系统来日i ：是一个二次简化的模型。 仿真实验是指将系统的仿真模型袖引算机l i 运行的过程。仿真是通过实验来研 究实际系统的利技术，通过仿真技术可以弄消系统内在结构变量和环境条件的影 响。 计算机仿真技术的发展趋势 ：要表现彳1 ：阿个方面：应用领域的扩大和仿真i , - i 算 机f l j 智能化。计算机仿真技术不仪张1 统的一程技术领域( 航空、航天、化工等方 i i ：i ) 继续发展，而n 扩大到社会经济、生物等许多非：l 程领域，此外，并行处理、 人下智能、知谚 席和号家系统等技术的发展i f n , i ；, j 着仿真计算机的发展。 数控加工仿真利用计算机来模拟实际的加过程，是验证数控加工程序的可靠 性和预测切削过程的有力： 具，以减少一件n 勺试切，提高生产效率。 2 2 数控仿真技术的1 i j l = 究现状 数控机床加r 零什是靠数控指令平1 i ! j 铲控制完成的。为确保数控程序的正确性， 防i ： j | | t 过程巾1 ：涉和碰掩的发 - i ，神：。哎际乍广t i ，常采用试切的方法进行检验。 f i i 这种方法费r 费利，代价昂炙，使小j “：成本f i 升，增加了产品加工时问和生产周 l 【j 】。后来又采门j 轨迹鼹示法，即以划 ；| 或笔代许川其，以着色板或纸代替工件来仿 真，j 具运动轨迹的f l i j i 司形( 也i i j 以鼹示：维j q 加 ：轨迹) ，有相当大的局限性。 8 南京航空航天人学硕_ ，学位论文 列丁二：r 什的i 维和多维_ l f 工，也有用易切削利料代替工件( 如，石蜡、木料、改 性树脂司l 塑料等) 来检验加：i 。的切削轨迹。但足，试切要占用数控机床和加工现场。 为此，人们一直在珂f 究能逐步代替试切的计算机仿真方法，并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的进展，目前正向提高模型的精确度、仿真 计算实时化和改善图形显示的真实感等方向发展。 从试切环境的模型特点来看，日前n c 切削过程仿真分几何仿真和力学仿真两 个方而。几何仿真不考虑切削参数、切i l j l j 力及其它物理区l 素的影响，只仿真刀具一工 件儿何休的运动，以验ln c 程序的n ! 确性。它可以减少或消除因程序错误而导致的 机床损伤、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题；同时可以减少从产品设计到制 造的时间，降低生产成本。切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴，它通过仿真切 削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数，从而达到优化 切削过程的目的。 儿何仿真技术的发展是随着儿何建模技术的发展而发展的，包括定性图形显示 和定量干涉验证两方而。目前常用的方法有直接实体造型法，基于图像空间的方法 和离散矢量求交法。 2 2 1 直接实体造型法 这种方法是指工件体与刀具运动所形成的包络体进行实体和尔差运算，工件体 的三维模型随着切削过程被不断更新，因此，一般应用于由体素构造法( c s g ) 或边 界表示法( b - r e p ) 表示的实体造型系统中。 s u n g u r t e k n 和v e l c k e r 2 州丌发了一个铣床的模拟系统。该系统采用c s g 法来 记录毛坯的三维模型，利用一些基本图元如长方体、圆柱体、圆锥体等，和集合运 算，特别是并运算，将毛坯和一系列刀具扫描过的区域记录下来，然后应用集合差 运算从毛坯巾顺序除去扫描过的区域。所谓被扫过的区域是指切削刀具沿某一轨迹 运动时所走过的区域。在扫描了每段n c 代码后显示变化了的毛坯形状。 k a w a s h i m a 2 7 1 等的接合树法将毛坯和切削区域用接合树表示，即除了空和满两 利l 坌点，边界结点也作为八叉j j c ! l 的叶结点接合树的数据结构。边界结点包含半空 间，结点物体利用在这些半空间上的c s g 操作来表示。接合树细分的层次由边界结 点允许的半空间个数决定。逐步的切削仿真利用毛坯和切削区域的差运算来实现。 毛坯的显示采用了深度缓冲区算法，将毛坯划分为多边形实现毛坯的可视化。 由于现有的c a d c a m 系统中布尔实体造型技术已比较成熟，可用实体的布尔来 实现数控加工的仿真。直接实体模型方法从理论上讲能提供准确的数控加工仿真和 检测，可支持二轴到五轴的数控加 ：仿真，其加工出的零件表示具有连续性，可以 进行加工误差的测量。但求交过程和离散显示过程所消耗的时间降低了实时性能， 9 南京航空航大人学硕j ：学位论文 实现连续更新的毛坯的实时可视化耗时太长，难以应用于实时检测和动态模拟，于 是一些基于观察的新方法被提出来。 2 2 2 基于图像空问的方法 这种方法用图像空问的消隐算法来实现实休瓶尔运算。v a nf l o o k 幢刚采用图象空 间离散法实现了加工过程的动态图形仿真。他使用类似图形消隐的z b u f f e r 思想， 沿视线方向将毛坯和刀具离散，在每个屏幕象素上毛坯和刀具表示为沿z 轴的一个 长方休，称为d e x e l 结构，如图2 1 。刀具切削毛坯的过程简化为沿视线方向上的 田田 y 屏幕像素显示缓存结构d e x e l 结构 图2 u 1 d e x e l 模型 一维砸尔运算，切削过程就变成两者d e x e l 结构的比较，共有八种情况 1 只有毛坯，显示毛坯 2 毛坯完全在刀具之后，显示刀具 3 刀具切削毛坯前部，更新毛坯的d e x e l 结构，显示刀具 4 刀具切削毛坯内部，删除毛坯的d e x e l 结构，显示刀具 5 刀具切削毛坯内部，创建新的毛坯d e x e l 结构，显示毛坯 6 刀具切削毛坯后部，更新毛坯的d e x e l 结构，显示毛坯 7 刀具完全在毛坯之后，显示毛坯 8 只有刀具，显示刀具 南京航空航天人学硕p 学位论文 这利方法将实体布尔运算和图形鼎示过程合为一体，使仿真图形显示有很好的 实i 时性。为了进一步提高数控加工过程的实时性，l t s u 和y a n g 【2 们提出了一种三轴铣 削加： 实时仿真的z - m a pi e 等轴侧投影算法。f g t l 使用zm a p 作为基本数据结构， 记录个= 维网格的每个方块处的毛坯高度，即z 向值。这种数据结构只适用于刀 轴z 向的i 轴铣削仿真。刘每个铣削操作通过改变刀具运动每一点的深度值，很容 易更新z值，利用一等轴侧投影进行真实感效，更新工件的图形显示。由于这_map 种方法采用m 等轴侧投影方法，因此无法对_ l l l l ：结果进行各个角度的观察。 2 2 3 离散矢量求交法 由于现有的实体造型技术未涉及公差和曲而的偏置表示，而像素空间布尔运算 并不精确，使仿真验证有很大的局限性。为此c h a p p e l 提出了一利t 基于曲面技术的 “点一矢量”( p o i n t v e c t o r ) 法。这利一方法将曲面按一定精度离散，用这些离散点 来表示该曲面。以每个离散点的法矢为该点的矢量方向，延长与工件的外表面相交。 通过仿真刀具的切削过程，计算各个离敞点沿法矢到刀具的距离，这就好似曲面上 长满了草，因此离散矢量求交法又称之为“割草法”。 该方法分为被切削曲面的离散( d i s c r e t jz a t i o n ) 、检测点的定位( l o c a t i o n ) 和离散点矢量与工件实体的求交( i n t e r s e c t i 0 1 g ) 三个过程。 旦堡堕窒堕垄叁堂堡= ! = 堂堡堡塞 切削刀具 斟20c h a p p e l 的制棼法 离散 将待加j l 模型离散成足够密的m 而网络并获得网格上的法矢，即用一些网 格多边形来近似代表l 而 定位 对每次刀具移动抽取发生变化的离散点和法矢 求交 计算决定每个m 丽离散点与刀具扫掠丽之间的距离，这个距离可以标识该 点是否有误差。 采用图像映射的方法显示加工误差图形，零件表面的加工误差可以精确地描写 i l 来。 总体来说，基于实体造型的方法巾几何模型的表达与实际加工过程相一致，使 得仿真的最终结果与设计产品问的精确比较成为可能。但实体造型的技术要求高， 计算量大，在目前的汁算机实用环境下较难应用于实时检测和动态模拟；基于图像 空间的方法速度快得多，能够实现实时仿真，但山于原始数据都已转化为像素值， 不易进行精确的检测；离散矢量求交法基于零件的表面处理，能精确搞述零件面的 加- 误差，主要用于曲面加工的误差检测。 2 3 数控加工仿真模型的建立 本文介绍的零t 1 ：表面规则三角片化模型，综合了离散矢量求交法和基于图像空 问模型表示法的一些优点，在良好的系统交互性效果下，简化了模型，考虑到显示 1 2 南京航空航天人学硕i 。位沦文 速度与碌示精度的折衷，提商了绘制实时性。本算法通过计算零件表面三角片顶点 与刀具扫掠面之问的距离，计算出各三角片顶点高度值，修改自定义的数据结构， 并利用o p e n g l 图形函数库，实现了实时n jj j h ：j ：仿真一个实例。 2 3 1 模型的建立 诒吲算机图形学和几何造型巾，物体常常用三角形网格模型来描述，随着设备 精度的提高和加工面的复杂化，三角形网格模型通常由上万个、几十万个的三角形 面片组成，为了达到良好的绘制实时性，简化动态仿真过程中重构模型的计算过程 以及减少存储空间的丌销，我们采用了零制：表而规则三角片化的方法，使每一个三 角片平均几乎只占用一个是实型内存空问。 假设铣削零件为长方体，1 l l j 工表而的尺寸为m x n ，车削零件为圆柱体，长度 为l ，! 卜径为r ，显示误差为a ，即显示展大精度。 1 铣削模型的建立 为了叙述的方便年清楚起见，首先 引入零件表丽规则三角片化的规则。 步骤1 在给定精度下，将零件被 加。1 ：表面等距网格化，再将得到的每一 个网格向j 司一方向一分为二，完成零什 被加工表面三角1 也，如图2 - 4 。 则节点数为：( m a + 1 ) x ( n a + 1 ) ( 其 。hm a 、n a 取整) 被加工表面三角片的个数为： m a n a 步骤2 定义一个高度缓冲 区，将得到的网格节点的高度值 存入高度缓冲区内。 步骤3 将与零件被加工表面 相邻的零件表面，在与高度相互 难直的方向上等距网格化，i ；l j ：将 每一个网格向同一方向一分为 ：，完成整个零什表两的三角化， 得到零件三角形网格模型，如图 2 5 。 非i 1 1 ：表面三角片的个数为： ( m a + n a ) x 4 三角片的总个数为： ( m a + 4 ) x ( n a + 4 ) 一1 6 图2 - 4 加t 表面的规则三角j 【 图2 - 5 铣削零件三角形网格模 南京航空航天大学硕十学位论文 2 车削模型的建立 为了叙述的方便和清楚起见，首，七引入车削零件表面规则三角片化的规则。 步骤i 在给定精度下，将车削零件旋转表面等距网格化，再将得到的每一个 网格向同一方向一分为二，完成车削零件旋转表面三角片化。 则节点数为：( 2 z r a ) ( l a + 1 ) ( 其中，2 ：r t - i u a 、l a 取整) 被加工表面三角片的个 数为：( 27 t - r a ) x ( l a ) 步骤2 定义一个高度 缓冲区，将得到的网格节点 的高度值设置为零件旋转的 半径，存入高度缓神区内。 步骤3 将车削零件旋 转休的两个端面，以圆心为 公用顶点三角片化，得到零 件三角形网格模型，如图2 6 。 图2 - 6 铣削零件三角形网格模型 t # - ) j u 工表面三角片的个 数为：4 玎r a 三角片的总个数为：2 石r a x ( 2 + l a ) 按以上方法得到的网格节点是规则的离散点阵，对于每个节点只需将高度值存 入高度缓冲区内。这样，既节省了存储空问，又方便数据的读写，有利于提高绘制 的实时性。 2 3 2 模型的绘制 完成了对零件表面规则三角片化后，就可以利用o p e n g l 图形函数绘制所有的 三角片，显示出加工零件的外观。由于网格= 再点即为三角形的顶点，高度缓冲区存 储的数值即为各节点高度值，而且得到的，所以按以上建模方法，就能很方便遍历 到每个网格节点，绘制出所有的三角片。在以下几章，我们将提到虚拟现实建模语 言，利用它封装的类可以更方便的在浏览器中绘制、渲染。 2 3 3 动态仿真的模型重构算法 对与车削的动态仿真模型，在模型重构即车削过程中，可以将车削模型转化为 4 南京航空航天大学硕j “学位论文 铣削模型，如将一个厚为r 、宽为2 z r 的钢板冲压成个半径为r 的钢柱的一个 逆过程。这样，车削模型就统- - n 铣削模型小了。在转化的同时，车刀的运动轨迹 也要作相同的变换。 将车削与铣削的模型统一起来之后，其算法咆从具体到一般，简化代码，便