（计算机科学与技术专业论文）嵌入式数控工具磨削系统的建模及仿真研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 随着数控系统的发展，嵌入式数控系统逐渐成为当前研究和应用 的热点。采用嵌入式数控系统具有很多优点，比如良好的开放性、稳 定性、模块化、可扩展性、可移植性及实时操作系统等。同时，由于 嵌入式数控系统对内存和实时性要求较高，因此，开发一个适用于嵌 入式数控系统的仿真系统的技术还不够成熟，大多是磨削点的线框显 示，基于嵌入式数控系统进行复杂实体建模及仿真研究的较少。 本文研究嵌入式数控工具磨削系统的建模及仿真，重点解决以下 两个方面的问题： 一方面是嵌入式数控工具磨削系统的几何建模。由于自主研制的 四轴联动数控工具磨床样机的加工对象是立铣刀，本文提出了一种基 本的建模思想并对立铣刀进行数学推理和算法实现：首先建立立铣刀 的刃口曲线和横截面模型，在此基础上建立立铣刀的前刀面、后刀面 以及螺旋槽的数学模型；然后通过多边形网格建立及生成算法实现立 铣刀的前刀面、后刀面及螺旋槽的几何模型；最后通过o p e n g l 的多 边形图元及二次曲面技术建立立铣刀的横截面及柄部模型，从而实现 了立铣刀的几何模型。经过测试，应用程序可以实现立铣刀的参数化 的几何模型。 另一方面是嵌入式数控工具磨削系统的加工仿真。由于直接驱动 数控工具磨床运动的是数控代码，为避免因加工代码错误引起的严重 后果，在n - r 前必须对数控代码的正确性进行图形验证。本文首先对 磨削点的轨迹进行了分析，生成相应的数控代码，通过对数控代码进 行解释，并转化为磨削点的轨迹信息，驱动砂轮对立铣刀进行三维实 体加工仿真。经过测试，应用程序可以通过设置砂轮和立铣刀的特征 参数，导入数控代码，实时仿真砂轮磨削立铣刀前刀面及后刀面的加 工过程。 关键词：数控工具磨削系统，立铣刀，几何建模，仿真 硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t 、i t ht h ed e v e l o p m e n to fn u m e r i c a lc o n t r 0 1s y s t e m 。t h ee m b e d d e d s y s t e mh a sb e c o m et h eh o t s p o t so fc u r r e n tr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n t h e e m b e d d e dc n cs y s t e mh a sm a n ya d v a n c e s ，f o re x a m p l e ，o p e n n e s s ， s t a b i l i t y ，m o d u l a r i t y ，s c a l a b i l i t y ，p o r t a b i l i t y a n dr e a l - t i m e o p e r a t i n g s y s t e m ，e t c a tt h es a m et i m e ，a sar e s u l to fh i g hm e m o r ya n dr e a l t i m e r e q u i r e m e n t sf o rt h ee m b e d d e dc n cs y s t e m ，t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n t o fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mf o rt h es i m u l a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m s t e c h n o l o g yi sn o tm a t u r ee n o u g h m o s ts i m u l a t i o no fe m b e d d e dc n c s y s t e mo n l yc a nr e a l i z et h ew i r e f r a m ed i s p l a y m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n o fc o m p l e xe n t i t i e so ne m b e d d e dc n cs y s t e mi sr a r e t h em a i nc o n t e n tr e s e a r c h e di nt h i sp a p e ri sa b o u tt h em o d e l i n ga n d p r o c e s s i n gs i m u l a t i o nb a s e do ne m b e d d e dc n c t o o lg r i n d i n gs y s t e m d u r i n gt h ei m p l e m e n to ft h i ss y s t e m ，t h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t sn e e dt o b ef o c u so n ： o nt h eo n eh a n d ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h em o d e l i n go fe m b e d d e d n u m e r i c a lc o n t r o lt o o lg r i n d i n gs y s t e m t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri s m a i n l ya b o u ts i m u l a t i o nf o rt h ep r o c e s s i n gc y c l eo ff o u r - a x i sn u m e r i c a l c o n t r o lt o o lg r i n d e rw h i c hl sp r i m a r i l yu s e dt op r o c e s st h ee n dm i l l 1i l l s 一一一一-一一 r p a p e rp r e s e n t s ab a s i cm o d e la b o u tt h em a t h e m a t i c a lr e a s o n i n ga n d a l g o r i t h mi m p l e m e n t a t i o nf o rt h ee n dm i l l ：f i r s t l y ，t h ef u n c t i o no ft h e e n dm i l l sc u t t i n ge d g ec u r v ea n dc r o s ss e c t i o ni se s t a b l i s h e d ， o nt h i s b a s ew ec a ne s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ee n dm i l l sr a k e f a c e ，n a n k a n dt h es p i r a lg r o o v e t h e nw ec a nc r e a t ea n da c h i e v e 也e e n dm i l l sc u t t i n gf a c et h r o u g ht h ep o l y g o nm e s h l a s t l y ，b yc r e a t i n gt h e c r o s ss e c t i o nw i t ho p e n g lp o l y g o ng r a p h i ce l e m e n t sa n ds h a n ko fe n d m i l lw i t hc o n i c o i d t h eg e o m e t r i cm o d e lo fe n dm i l l i sa c h i e v e d a f t e r t e s t i n g t h ea p p l i c a t i o nc a na c h i e v et h ep a r a m e t r i cd e s i g nt o re n dm l l i s 一一一 1 1 g e o m e t r i cm o d e l o nt h eo t h e rh a n d ，t h i sp a p e ri m p l e m e n t st h ep r o c e s s i n gs i m u l a t i o n o fe m b e d d e dn u m e r i c a lc o n t r o lt o o lg r i n d i n gs y s t e m b e c a u s ei ti sn c i i c o d ew h i c hd r i v e st h em o v e m e n to fc n c m a c h i n et o o l s i no r d e rt oa v o i d d a n g e r o u sp h e n o m e n o n ，i ti sn e e d e dt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so fn c c o d eb e f o r ep r o c e s s i n g f o rt h ef i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y s i st h et r a je c t o r yo f g r i n d i n gp o i n tw h i c hc a ng e n e r a t et h en cc o d e t h e n ，e x p l a i n s a n d t r a n s f o r m st h en cc o d e t ot h e g r i n d i n gp o i n t i n f o r m a t i o n a c c o r d i n g l y , i tc a nr e a l i z et h es i m u l a t i o no fg r i n d i n gp r o c e s s a f t e rt e s t i n g ，t h ea p p l i c a t i o nc a ns i m u l a t et h ep r o c e s s i n gb ys e t t i n g p a r a m e t e ra n di m p o r t i n gt h en cc o d ee x a c t l y k e yw o r d s ：c n ct o o lg r i n d i n gs y s t e m ，e n dm i l l ，g e o m e t r i cm o d e l i n g ， s i m u l a t i o n i i i 原创性声明 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，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期： 学位论文版权使用授权书 年月止日 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 名：掣聊签名晔期：等一止日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的背景与意义 第一章绪论 在数控加工过程中，数控系统根据加工代码来控制机床运动。为避免因加工 代码错误引起机床运动部件之间、工件与机床之间发生碰撞等危险现象，在加工 前必须对加工代码的正确性进行验证。加工代码的验证可通过在机床上进行试切 或采用计算机图形仿真等途径实现。由于采用试切方式验证加工代码的成本较高， 周期较长，且具有一定危险性，因此通过计算机图形仿真方式验证加工代码的方 法得到了越来越多的应用。 目前大多数的数控加工仿真都是基于w i n d o w s 平台在p c 机上进行开发的， 基于嵌入式数控系统的加工仿真较少。由于w i n d o w s 内核具有不对用户开放盼3 ， p c 机的实时性和稳定性比较差，系统的开放性有限，成本高等缺点d 1 。嵌入式数 控系统的开放性、稳定性、模块化、可扩展性、可移植性h ，及实时操作系统( 如 r t l i n u x 哺儿印) 的引入促进了数控技术的发展，并逐渐成为当前研究和应用的热 点。同时，由于嵌入式数控系统对内存、实时性要求很高，因此，开发一个适用 于嵌入式数控系统的仿真系统的技术还不够成熟，大多是磨削点的线框图形显 示，基于嵌入式数控系统进行复杂实体的建模及仿真较少。 本文主要研究嵌入式数控工具磨削系统的建模及仿真，由于自主研制的数控 工具磨床主要加工对象是立铣刀，而立铣刀的几何模型较为复杂，现有仿真软件 中的立铣刀，大多用简化的标准几何实体替代，还有一些是不能根据用户的输入 进行变化的几何模型。因此，本文提出了一整套的立铣刀的建模方案实现了立铣 刀的参数化的几何模型( 首先对立铣刀的刃口曲线和横截面进行建模、在此基础 上对立铣刀的前、后刀面及螺旋槽进行建模，最后通过建立立铣刀的柄部和横截 面，最终实现了立铣刀的数学模型) 。此外，本文就砂轮磨削立铣刀的加工过程 进行了三维实体仿真，通过对磨削点的轨迹进行分析，生成相应的数控代码，通 过对数控代码进行解释，转化为磨削点的轨迹信息，从而驱动砂轮对立铣刀进行 磨削加工仿真，从而可以验证加工代码的正确性，对加工过程进行监控，避免因 加工代码错误、参数设置错误、或输入错误而导致的严重后果。 硕士学位论文第一章绪论 1 2 嵌入式数控加工仿真的研究现状 1 2 1 数控加工仿真技术概述 为确保数控程序的正确性，在生产中，常采用易切削的材料代替工件进行试 切，检验加工指令。也有采用轨迹显示法，即以划针或笔代替刀具，以着色板或纸 代替工件来仿真刀具运动轨迹的二维图形( 也可以显示二维半的加工轨迹) 。但 这些方法费工费料，使生产成本上升，增加了生产周期。为此，人们一直在研究能 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h 1 。 从试切环境的模型特点来看，目前数控仿真分为几何仿真和物理仿真两类： 几何仿真陋1 的发展是随着几何模型的发展而发展的。几何仿真不考虑切削参 数、切削力及其它因素的影响，只考虑仿真刀具和工件几何体。它可以减少或消 除因程序错误而导致的机床损坏、夹具或刀具折断、零件报废等问题。 物理仿真旧1 0 1 是几何仿真功能的完善和扩充，揭示了加工过程的物理本质。 物理仿真通过仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具磨损和破损、刀具振动， 控制切削参数，从而达到优化切削过程的目的，利于提高加工效率和质量。但是， 数控加工过程动力学行为的高度非线性、时变、随机干扰严重、不确定性使加工 过程动力学模型的建立非常困难。 1 2 2 国内外研究现状 随着c a d 建模技术的发展，数控加工过程几何仿真技术经历了基于线框的数 控仿真、基于曲面的数控仿真和基于实体的数控仿真，目前，由于3 d 图形加速 技术的研究和实现，以及各种造型平台( a c i s ，a m e 等) 和图形软件开发包( o p e n g l 等) 的推出，实体仿真成为了研究的重点。 国外数控加工几何仿真技术较为成熟。美国的m a r y l a n d 大学开发了用于培 训数控操作人员的虚拟数控机床仿真器；美国国家标准及技术局n i s t 也开展了 虚拟机床的研究；韩国t u r b o t e k 公司开发出面向培训的虚拟数控铣削加工环 境，能够实现数控加工的几何仿真并配有声音信息；日本的s o n y 公司研制的 f r e d a m 系统可以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；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口羽。 2 硕七学位论文第一章绪论 经过多年发展，国外的数控仿真技术已形成了商品化软件。 美国的c g t e c h 公司在实体布尔集合运算的基础上推出了商品化的仿真软件 v e r i c u t ，不仅实现多轴仿真，还增强切削状态分析功能n 引；英国d e l c a m 公司的 p o w e rm i l l l 不仅提供五轴联动的实体切削仿真过程，而且提供五轴加工机床动 作仿真过程，动态仿真五轴加工过程机床各轴各机构运动关系，仿真软件支持摆 刀轴、双旋转工作台、摆刀轴与旋转工作台的组合n 制；还有法国d e l m i a 公司的 v n c ，c i m c o 公司的c i m c oe d i t 等其他数控仿真软件n 5 1 。 我国开展数控加工图形验证技术的研究始于8 0 年代末，具体可划分为以下 几个阶段： 1 ) 以二维视图为基础的仿真验证 这一阶段是从数控车削编程系统的动态仿真即回转体零件的加工开始的。随 着研究经验的积累，n c 验证的研究范围又扩大到箱体类零件的铣削加工。但是， 由于受到当时硬件和软件条件的限制，这些研究工作都是以二维视图为基础进行 的，其主要缺点是无法使用户对加工过程进行全方位观察，无法适应复杂数控加 工对仿真验证的要求，如在加工中心上进行的复杂曲面的多轴数控加工。 2 ) 以刀具和工件为验证对象的三维仿真验证 由于2 d 图形验证限制了工程技术人员对数控加工过程认识的直观程度，一 些工科院校和科研机构( 如：清华大学、哈尔滨工业大学、华中理工大学、西北工 业大学等等) 开始将数控图形验证技术的落脚点转向更加直观的三维图形显示， 开发了一些具有一定应用价值的三维数控加工图形验证系统。这些系统能够支持 3 轴到5 轴铣削加工过程的验证。但是，这些系统都仅仅以刀具和工件为验证对 象，没有充分考虑加工环境中的其它因素( 如：加工设备和卡具等等) 对验证结果 的影响。因此，该阶段的主要缺点是仿真验证结果的可信度不高。 3 ) 基于三维虚拟环境的仿真验证 在国家高技术发展计划( 8 6 3 ) c i m s 主题支持下，由华中理工大学和清华大学 合作研制的加工过程仿真器h m p s n 6 1 以及由哈尔滨工业大学在国防科工委“八五 预研项目柔性制造系统f m s 关键技术研究计划支持下开发的数控加工过程三维 动态图形仿真器n c m p s n7 1 ，都是以实体造型为基础，用数控程序驱动机床运动的仿 真器，可以说是国内在数控加工验证领域内的代表作。二者不同之处在于，h m p s 比n c m p s 增加了在通讯协议支持下的联网运行机制，而n c m p s 却具备独特的柔性 制造系统f m s 的仿真功能。但是，这两套系统均不具备精度检验的能力，且皆以 工作站为硬件基础。这种功能上的局限性和运行软件所需要的高昂硬件投资限制 了软件系统的推广应用。为了解决上述问题，哈尔滨工业大学的研究人员开发了 一套基于微机的复杂曲面数控加工仿真验证软件包n 踟n 引。该系统的三维模型没有 3 硕士学位论文第一章绪论 采用产同的c s g 和b - r e p 表达，而是在自己独有的复杂曲面离散技术的基础上构 建的。 尽管国内外数控加工仿真技术已经比较成熟，但大多数的数控加工仿真系统 都只能运行于w i n d o w s 平台，运行于嵌入式平台的较少。由于目前大多数的数控 加工仿真系统都是基于现有的c a d 软件的二次开发或者是基于几何造型平台的 开发。而这些软件或几何造型系统通常占用的内存空间大、对硬件的要求比较苛 刻且可移植性较差。同时由于嵌入式数控工具磨削加工曲面的复杂性，因此，在 嵌入式下研究数控工具磨削系统的建模及仿真技术不够成熟，大都是线框模型的 轨迹显示。如四川广泰数控、广州数控等等只能实现线框模型的轨迹显示。 由于线框模型中加工仿真模块未对刀具和待加工毛胚进行数学处理，难以进 行真实的加工仿真。这种方法只能用于校验g 代码有无明显错误，对于过切、余 量只能通过眼睛的观察来判断，而且不能对刀具的干涉和碰撞进行检查。 随着加工复杂度的日益提高，简单的线框仿真技术已经不能满足人们的需 要。同时，随着q t 和o p e n g l 技术的发展，在q t 中集成- j o p c n g l 技术啪1 ，且支持 嵌入式数控系统，使得在嵌入式下使用o p c n g l 渲染三维图形成为可能乜，从而 推动着嵌入式数控加工仿真技术向实体仿真技术发展。 1 3 研究的主要内容 本课题在大量研究的基础上，利用o p e n g l 的计算机仿真和动画技术，在 l i n u x 操作系统上，选择k d e v e l o p3 5 作为集成开发环境开发q t 应用程序。针 对福建省经贸委项目：“基于3 2 位片上系统的嵌入式数控磨床工具的研制 ，研 究和开发了“嵌入式数控工具磨削系统的加工仿真”。探讨了其关键技术，包括 嵌入式数控代码的解释及磨削点的线框显示、嵌入式数控磨削系统的几何建模， 磨削点轨迹分析等等，提出采用多边形网格建模技术来实现立铣刀的刃面模型。 本文的主要工作如下： ( 1 )研究嵌入式数控工具磨削系统的数学建模，提出了一整套的立铣刀 的建模方案( 首先对立铣刀的刃口曲线和横截面进行建模、在此基础上对立铣刀 的前、后刀面及螺旋槽进行建模，最后通过建立立铣刀的柄部和横截面，最终实 现了立铣刀的数学模型) 。 ( 2 )研究嵌入式数控工具磨削系统的几何建模技术，提出了采用多边形 网格技术来实现立铣刀刃面的几何模型。通过建立立铣刀前、后刀面及螺旋槽的 网格模型，利用网格的绘制算法实现了立铣刀刃面的几何模型。 ( 3 )对砂轮磨削立铣刀前刀面、后刀面的磨削点轨迹进行分析及建模。 4 硕士学位论文 第一章绪论 从而可以生成用于前刀面及后刀面磨削的数控代码。 ( 4 )针对数控代码的格式及特点，提出了数控代码的翻译方法，提取出 磨削点的轨迹信息，并通过设计直线插补算法和圆弧插补算法，实现了磨削点轨 迹的线框显示。 ( 5 )通过设置砂轮和立铣刀的特征参数，并导入相应的数控代码，实现 了砂轮磨削立铣刀前刀面及后刀面的三维实体仿真。 1 4 本章小结 本章首先分析了嵌入式数空工具磨削系统的建模及仿真研究的背景与意义， 即目前大多数的数控加工仿真都是基于w i n d o w s 平台在p c 机上进行开发的，基 于嵌入式数控复杂实体建模及加工仿真的研究较少。然后分析了国内外数控加工 仿真的研究现状和嵌入式数控工具磨削系统的加工仿真的研究现状。最后对本文 研究的主要的内容进行了概述。 5 硕士学位论文第二章嵌入式数控丁具磨削系统的加。 仿真的总体设计 第二章嵌入式数控工具磨削系统的建模及仿真的总体设计 2 1 嵌入式数控工具磨削系统的建模及仿真的实现方案 目前数控仿真系统的实现方式有很多种，主要方式有船2 1 ： 1 ) 基于现有软件的二次开发 二次开发就是在现有的软件( 如a c i s 晗3 一钔、p a r a s o li d 乜6 1 ) 功能基础上利用提 供的开发接口和相应的开发语言，对软件的功能进行补充，以适合特定用户对象 的具体要求。此种方案的优点是可以充分发挥原有软件的优势，以减少开发量， 缩短开发周期，对于一些专用的虚拟制造系统是一种很好的开发方案：缺点是要 花费一定的资金购买原有的软件，也要花费一定的时间和精力去熟悉开发语言和 接口。 2 ) 基于v c + + 与造型软件接合的开发 现有的造型软件主要优势就是可以进行实体建模，像u g 啪1 、r e r i c u t 乜7 1 、 p r o e 、a u t o c a d 2 0 0 0 、c i m a r r o n 、c a t i a 和3 d sm a x 陴1 都可以用来实体建模，因此 可利用这些成熟的造型系统实现虚拟机床的基本造型，并输出成i g e s 文件格式 由仿真系统来读取，最终形成虚拟机床的实体模型。实体模型建立后，可利用w t k 进行虚拟过程的开发，w t k 软件是运行于v c + + 4 o 或更高版本工作平台上的 虚拟现实系统，提供了大量的处理窗口、环境以及虚拟实现虚拟动作的函数，是类 似于o p e n g l 的功能强大的函数库。在动画仿真时，由于虚拟现实软件w t k 中对 于不同的运动方式有相应的函数，因此必须根据运动方式的不同将机床分成几个 部分，对于每一个独立的实体都有不同的运动方式。以上两种方案适合于开发一 些通用性的系统软件，但都需要开发人员编写大量的代码，首先要实现一个具有 三维几何造型和机械加工功能的软件，再使用图形库来进行加工过程的动态显 示。因此，这两类方案的工作量大，对开发人员要求较高，开发周期也相应地增加。 3 ) 基于v r m l 技术的开发啪1 v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) 即虚拟现实建模语言，是基于 矢量图形交互式动态的网络三维技术，它可以构建实时渲染的三维场景，并以事 件驱动的方式实现与该场景之间的交互，从而可以方便地将动画、物体的运动特 性和实时的多用户干预特性纳入到三维虚拟环境中，赋予用户与虚拟空间的交互 能力。v r m l 的节点用于定义实体的几何形状、大小、颜色和纹理等信息，从一个 子节点可以获得父节点的行为，通过节点的组合可以描述个非常复杂的3 d 信 6 硕士学位论文第二章嵌入式数控t 具磨削系统的加工仿真的总体设计 息。v r m l 支持对动画和行为的描述，一种方法是通过时钟传感( t i m e s e n s o r ) 节 点和插补器( i n t e r p o l a t o r ) 节点实现帧动画：另外，也可以使用描述节点s c r i p t 来实现，描述节点s c r i p t 可以加入程序语言，以进行物件行为的设定，编写的 语言使用j a v a ，具体实现时，采用r o u t e 语句和s c r i p t 节点结合使用的方法实 现动态效果。此种方案的优点是可以开发出基于网络的仿真系统，客户端仿真工 作完成之后，仿真结果以w r l 的格式保存并发布到网络上，异地工程人员可以进 行协同设计，适应当前制造业对信息共享技术的要求，具有一定的先进性和较大 的实用价值。缺点是对于机床的加工过程仿真尚需要大量的编程工作，而且缺乏 相应的技术基础。 4 ) 基于v c + + 和o p e n g l 技术的开发口幻 v c + + 是运行于w i n d o w s 系统上的交互式可视化集成开发环境，定制界面灵 活，但其图形处理功能较弱，必须选择- 1 9 图形开发工具。o p e n g l 即开放式图形 库( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) ，是一个三维图形软件接口，该接口由几百个过程与 函数组成：其中核心函数库提供了最基本的绘图命令，用来描述几何体形状、矩阵 形状、进行光照、纹理、雾和后走样处理：应用程序函数库用来管理坐标变换， 多边形镶嵌，绘制n u r b s 曲线、曲面，以及处理错误等：编程辅助函数库提供了窗 口管理和消息响应函数及一些简单模型的制作函数。利用这些函数，用户可创建 出高品质的三维图形以及交互的动态场景。 接下来就上述四种方案的进行了分析及比较。 第一种方法的优点是程序开发量相对较少，尤其是关于实体造型方面，但是 开发系统的通用性不强，涉及数据交换的问题，开发过程比较繁琐。 第二种方法的优点是使用现有的c a d c a m 软件作为二次开发平台，建立虚拟 制造环境，可以充分发挥现有软件的功能，从而大大降低开发成本，缩短开发周 期，但一般适用于一些专用的虚拟制造系统，不具备通用性，而且对于二次开发 语言和功能的熟悉需要很长时间探索和实践。 第三种方法的优点是可以开发出基于网络的仿真系统，客户端仿真工作完成 之后，仿真结果以w r l 的格式保存并发布到网络上，异地工程人员可以进行协同 设计，适应当前制造业对信息共享技术的要求，具有一定的先进性和较大的实用 价值。缺点是对于机床的加工过程仿真尚需要大量的编程工作，而且缺乏相应的 技术基础。 第四种方法的优点是：v i s u a lc + + 是基于c c + + 语言，又来自w i n d o w s 操作 系统本身开发的开发者m i c r o s o f t ，所以在众多的可视化集成环境中，它是 w i n d o w s 底层编程的最佳选择，而o p e n g l 是一个性能卓越的三维图形软件接口， 可以创建高质量的三维图形，并且独立于软硬件平台，这样开发出的软件通用性 7 硕士学位论文第二章嵌入式数控工具磨削系统的加丁仿真的总体设计 强。该方法的不足是需要编写大量的代码，工作量比较大。 本文主要研究的是嵌入式数控工具磨削系统的建模及仿真。由于第一种方案 和第二种方案的实现都需要c a d 软件的支持，而这些软件通常比较庞大且可移植 性较差，并且有的软件只能运行于w i n d o w s 平台，对于嵌入式开发并不适用。第 三种方案主要用于开发基于网络的仿真，而第四种方案使用v c 和o p e n g l 编程， 尽管l i n u x 下没有v c 集成开发环境，取而代之的是k d e v e l o p 集成开发环境及 q t 编程技术。k d e v e l o p 为软件系统的开发提供了类似于v c 的集成环境，同时由 于q t 集成了o p e n g l ，不仅可以用来开发界面，且可以用来进行几何模型的开发 及动画仿真。本文就是采用q t 作为界面开发工具和并利用o p e n g l 编程技术来实 现几何模型的实现与动画仿真，以k d e v e l o p 为集成开发环境开发应用程序。 2 2 嵌入式数控工具磨削系统建模及仿真的功能分析 2 2 1 嵌入式数控工具磨削系统建模及仿真的设计原则 为了缩短零件从设计到加工的开发周期，提高加工质量，减少制造费用，增 强企业对市场的应变能力，目前国内外都在努力采用图形仿真作为支撑工具。鉴 于国内目前的实际水平和软件基础，我们在设计图形仿真系统时应该遵行以下原 则： 1 、可行性：即所设计的仿真软件在技术上是可行的。本系统采用多边形网 格几何建模技术，采用直纹面生成算法和基于b e z i e r 曲线的曲面生成算法设计 了立铣刀刃面模型。 2 、实用性：即仿真系统的设计应该具有一定实际应用价值。本嵌入式数控 工具磨削系统采用中文界面，提供方便的操作接口，可供数控编程操作人员对数 控程序进行验证，具有很强的实用性。 3 、可靠性：即系统能够准确地模拟嵌入式数控工具磨床的加工过程，仿真 结果真实可靠。此为本系统能够根据输入的标准数控代码，计算出走到路径，利 用三维图形，真实可靠地反映出加工的实际过程。 4 、可移植性：为了使研究成果能够进一步推广应用，仿真软件应采用标准 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。无论q t 或者o p e n g l 都支持多种操作系统，采用的语言也都是c + + 编程。 5 、扩展性：即仿真软件应该采用模块化结构，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。本系统采用的是c + + 编程，采用面向 对象的分析和设计方法进行开发。整个系统可以看作是一个大对象，然后逐渐分 硕士学位论文第二章嵌入式数控工具磨削系统的加工仿真的总体设计 解成小对象，直到每个小对象实现为止。可以对每个对象进行相应的修改，也可 以添加新的对象到系统中。 2 2 2 系统的功能分析 嵌入式数控工具磨削系统的建模及仿真研究主要包括两个部分，一个是嵌入 式数控工具磨削系统的建模，主要包括工具( 立铣刀) 和刀具( 砂轮) 的建模及 砂轮磨削立铣刀的磨削点轨迹建模，另一个是嵌入式数控工具磨削系统的仿真， 由于嵌入式数控工具磨削系统的仿真是以n c 代码为驱动，数控翻译器对输入的 n c 代码进行语法检查、解释，并转化为相应的磨削点的轨迹信息，然后根据磨 削点的轨迹信息驱动砂轮磨削立铣刀。所有这些3 n - r - 过程均可以再计算机屏幕上 通过三维动画显示出来口2 3 引。因此嵌入式数控磨削系统的建模及仿真应具有以下 功能： ( 1 )数控代码的解释1 。数控代码是指在数控加工程序中用来描述工艺 过程的各种操作和运动特征的各种准备功能的g 指令和辅助功能的m 指 令及其他指令。为了能在计算机中实现嵌入式数控工具磨削的加工过程， 需要对n c 代码进行正确的解释，因此n c 代码解释器成为嵌入式数控磨 削系统中必不可少的核心模块。n c 代码翻译器用于指挥数控磨床的动作 和状态。因此，n c 代码的解释成为了嵌入式数控工具磨削系统中首要考 虑的关键技术。 ( 2 )可以对数控程序的磨削点的轨迹进行图形显示。嵌入式数控工具磨 削系统的基本功能就是提取出数控程序中的磨削点信息，驱动刀具对工 件进行磨削。对数控代码的磨削点进行线框显示，可以及时发现数控程 序的磨削点轨迹是否正确。 ( 3 ) 具有支持缩放、旋转、平移的虚拟三维加工场景。在三维的仿真过 程中，如果视角固定，用户将很难观察到一些细致的切削过程，从而为 判定程序的正确性、合理性带来了不便。因此，目前大多数三维的数控 加工仿真系统都或多或少的具有支持缩放、平移、旋转等功能和真实感 的光照、材质等效果的模型渲染能力，在此基础上，开发具有支持缩放、 旋转、平移三位加工场景的数控加工仿真系统将变得方便、简单。 ( 4 ) 支持工件和刀具的参数化建模。要在仿真系统中表达工件和刀具， 首先要完成的工作是进行工件和刀具的参数化建模，然后，对刀具的自 定义可以通过对刀具参数的指定或修改来进行。刀具的参数化建模是嵌 入式数控模型系统仿真的基本功能之一。 9 硕士学位论文 第二章嵌入式数控工具磨削系统的加- 下仿真的总体设计 ( 5 )实现嵌入式数控工具磨削系统的加工仿真。嵌入式数控工具磨削系 统的加工仿真应该具有工件和刀具的完整显示，同时，能通过数控代码 实现刀具磨削工件的磨削点轨迹的实时仿真。 2 3 嵌入式数控工具磨削系统的建模及仿真总体结构及模块设计 2 3 1 系统的总体结构 基于上述的嵌入式数控工具磨削系统的建模及仿真的设计原则及功能描述， 本系统的总体结构设计如图2 - 1 所示。 图2 1 嵌入式数控工具磨削系统的建模及仿真，总体结构 该系统主要划分为三个部分： ( 一) 嵌入式数控工具磨削系统的几何建模和运动建模； ( - - ) 嵌入式数控代码的翻译及仿真驱动信息的提取； ( 三) 嵌入式数控工具磨削系统的加工仿真。 由于嵌入式数控磨削系统的加工仿真是采用数控代码驱动刀具( 砂轮) 对工 件( 立铣刀) 进行磨削加工仿真，而数控代码的生成需要对数控工具磨床的运动 进行建模，生成相应的数控代码，然后通过对数控代码进行解释，驱动刀具对立 铣刀进行三维实体加工仿真。因此，要实现数控磨削系统的加工仿真，首先要实 现数控工具磨削系统的几何建模，实现工件( 立铣刀) 和刀具( 砂轮) 的几何模 1 0 硕士学位论文第二章嵌入式数控工具磨削系统的加1 二仿真的总体设计 型，此外需要对磨削系统进行运动建模，通过对磨削点的轨迹进行建模，可以生 成相应的数控代码，然后对数控代码进行翻译及磨削点轨迹信息的提取，最后通 过o p e n g l 动画处理，驱动砂轮对立铣刀的前刀面、后刀面进行加工仿真。 2 3 2 系统的功能模块 ( 1 ) 文件编辑器 文件编辑器主要用于对n c 代码的编辑和修改。当代码解释器发现文件错误 或仿真过程需要时，可以对文件进行实时的修改，以便再一次用于仿真验证过程， 其主要功能有文件管理和文件编辑，如图2 2 所示。 图2 - 2 文本编辑器 ( 2 ) n c 代码解释 n c 代码解释用于对所编制的程序错误进行检验并对数控加工过程仿真的动 作和状态起指挥和控制作用，其主要功能有：根据数控系统的编程细则及相关的 信息，检查n c 程序的错误；从n c 代码中提取刀具信息、磨削点信息和控制机 床运动的相关信息，并将有关的信息存在相应的数据结构中。n c 代码的解释由 词法分析、语法分析、加工信息的提取组成，如图2 3 所示。 图2 - 3n c 代码解释器 ( 3 ) 仿真驱动信息 仿真驱动信息是将数控代码解释得到的加工信息转化为磨削点的轨迹信息 提供给仿真显示模块。 ( 4 ) 仿真动态调试 本模块是整个系统的总控模块。根据用户的选择，把数控代码解释器得到的 磨削点信息以及控制机床部件运动的有关命令和状态信息传递给相应的仿真模 硕士学位论文 第二章嵌入式数控下具磨削系统的加工仿真的总体设计 块，同时控制仿真过程的执行和结果的输出显示。在仿真过程中，当发现代码有 错误时可以调用文件编辑模块，先对数控加工代码进行编辑，然后再调用n c 代 码解释模块，以获得进入加工过程仿真的有关信息。 ( 5 ) 仿真加工环境设置口习 通过参数设置对数控加工环境的参数进行配置包括立铣刀特征参数设置、砂 轮特征参数设置。以普通立铣刀为例，特征描述包括铣刀类型，前角，后角，第 二后刀角、铣刀的直径，芯径，齿数，刃长，铣刀总长，齿高等特征参数。 ( 6 ) 几何建模和运动建模 几何建模0 7 3 是指在计算机里组织数据类型和数据结构以表示刀具、毛胚等。 在本文中主要实现数控工具磨削系统的立铣刀和砂轮的建模。通过对立铣刀的刃 口曲线、横截面、刃面建模，从而构造了立铣刀的几何模型。 运动建模涉及数控机床零部件的几何位置关系和运动关系。数控机床运动模 型涉及3 个坐标系：世界坐标系、局部坐标系、砂轮坐标系。世界坐标系决定了 整个机床的空间位置。局部坐标系是指被磨削工件的坐标系，反映了砂轮坐标系 的运动，砂轮坐标系则描述了砂轮的位置啪1 。 ( 7 ) 加工过程仿真 本模块是整个系统的核心部分，实现嵌入式下数控代码驱动刀具对工件的磨 削过程的仿真。数控工具磨床通过读取n c 代码来驱动刀具( 砂轮) 对工件( 立 铣刀) 进行磨削。嵌入式数控工具磨削系统的加工仿真主要包括前刀面的加工过 程仿真和后刀面的加工过程仿真。 2 4 本章总结 本章首先分析了目前数控加工仿真的实现方案，在此基础上提出了嵌入式数 控工具磨削系统的建模及仿真的实现方案。其次通过分析系统的设计原则和功能 需求，设计了嵌入式数控磨削系统的建模及仿真的总体结构和各功能模块，包括 用于编辑、调试数控程序的数控程序编辑调试器；用于提取加工信息的数控程序 的解释器；工件和刀具的几何建模及刀具的运动建模分析等等。最后对各个模块 的功能和实现方法做了简单的阐述。 1 2 硕士学位论文 第三章嵌入式数控磨削系统的几何建模 第三章嵌入式数控工具磨削系统的几何建模 嵌入式数控工具磨削系统的几何模型由数控磨床、刀具、工件和夹具组成。 其中工件和刀具的建模是实现数控工具磨削系统加工仿真的先决、必要条件。嵌 入式数控工具磨削的过程是数控工具磨床在数控代码的驱动下带动刀具对被夹 具固定在工作台上的工件进行切削啪1 。因此，要实现对数控加工过程的仿真， 首先要建立刀具和工件的几何模型，然后实现嵌入式数控工具磨削系统的加工过 程仿真。 由于自主研制的四轴联动数控工具磨床样机h 刚的加工工件是立铣刀，采用的 刀具是砂轮，采用砂轮磨削立铣刀的前刀面和后刀面的加工方式。由于立铣刀的 几何模型较为复杂，现有仿真软件中的立铣刀，大多用简化的标准几何实体替代， 还有一些是不能交互的几何模型。本章着重讨论了立铣刀的几何建模技术及实现 算法。 本章首先分析了立铣刀的数学模型，即立铣刀主要由横截面、刃面( 包括前 刀面、后刀面、螺旋槽) 及柄部组成。然后对立铣刀刃面的建模和实现算法进行 了研究( 包括刃口曲线建模、横截面建模、前刀面和后刀面建模、螺旋槽建模、 多边形网格算法的设计与实现等等) ，最后建立了立铣刀的横截面和柄部模型， 从而实现了立铣刀的几何模型。 3 1 立铣刀的数学建模 立铣刀主要包括三个部分：立铣刀的横截面、立铣刀的柄部及立铣刀的刃面 川，如图3 1 所示。 图3 - 1 立铣刀的结构图 硕士学位论文 第三章嵌入式数控磨削系统的几何建模 由图3 - i 可知，立铣刀的刃面为横截面截形曲线绕回转轴进行螺旋运动所形 成的曲面。立铣刀的柄部为圆柱体。立铣刀的横截面可表示为边界曲线所形成的 曲面。立铣刀的横截面和柄部建模比较容易，横截面的建模只需要得到横截面的 曲线的顶点信息，然后利用0 p e n g l 的多边形图元绘制即可；立铣刀的柄部也可 以通过o p e n g l 自带的二次曲面进行绘制；立铣刀的刃面建模较为复杂，接下来 将着重介绍立铣刀刃面的建模。 立铣刀的刃面主要由前刀面、后刀面及螺旋槽组成。立铣刀的刃面可以看成 是立铣刀横截面绕固定轴进行转动和移动而形成的螺旋面h 毛删。因此，要建立立 铣刀的刃面模型，首先要建立立铣刀的刃口曲线方程和横截面方程。由于前刀面 和后刀面的横截面为直线，因此它所形成的螺旋面为直纹面，调用直纹面生成算 法可生成。而螺旋槽的横截面截形为一曲线，由于各个厂家采用的刀具不一样， 加工出来的曲线形状也各异，本文采用b e z i e r 曲线进行近似拟合。因此通过调 用基于b e z i e r 曲线的曲面生成算法可以生成螺旋槽。立铣刀的刃面建模流程图 如图3 - 2 所示。 r开始、 士 建立立铣刀的 刃口曲线方程 建立立铣刀的h 横截面方程 审 直纹面生成算法 基于b c z i c r 曲线 0 的曲面生成算法 建寺寺铣刀的 0 刚、庙j 回建立螺旋槽 l j 0 r r结束、 图3 - 2 立铣刀刃面的建模 1 4 硕十学位论文第三章嵌入式数控磨削系统的几何建模 3 2 立铣刀的