（机械制造及其自动化专业论文）虚拟加工过程仿真的研究与分析.pdf

、 ， t ，i 釜 _ 析， 取得 含其 机构 均已 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名：j 牲 e l 期：兰呈! 丛夕一 j 企 j 1 ， 一 i 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 由于数控加工的高效率、高质量和高柔性的特点，使得它成为目前应用最为广 泛的加工方法，因此对数控加工过程仿真的研究与分析具有重要的应用价值。本文 利用v c + + 和o p e n g l 开发了一套主要由数控车床、数控铣床等虚拟设备组成的虚 拟加工过程仿真系统。本系统实现了生产线设备的合理布局、生产线设备整体动态 仿真以及虚拟场境的三维漫游等功能。本文的主要研究内容为：1 ) 虚拟加工过程 仿真系统中的设备建模；2 ) 利用o p e n g l 的双缓存技术实现虚拟设备的整体动态仿 真，在车削仿真的基础上，实现切削力、切削温度的预测以及工件在受力变形条件 下的误差显示：3 ) 利用三维交互操作方式实现生产线设备的合理布局；4 ) 模拟人 的行为，对虚拟场景进行三维实时漫游。 关键字：虚拟加工过程，生产线，动态仿真，实时漫游 a b s t r a c t c n c m a c h i n i n g h a v eh i g hp r o d u c t i v ee f f i c i e n c y , h i g hq u a l i t ya n df l e x i b i l i t yw h i c h m a k ei tt h em o s tw i d e l yu s e da l lo v e rt h ew o r l d ，s oi th a sv e r yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n v a l u et or e s e a r c ha n da n a l y z et h ev i r t u a lm a c h i n i n gp r o c e s ss i m u l a t i o n b yu s i n gv c + + a n do p e n g l ，av i r t u a lm a c h i n i n gp r o c e s ss i m u l a t i o ns y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d ，w h i c h i sc o m p o s e do ft h ev i s u a ld e v i c eo ft h en cl a t h ea n dn cm i l l i n gm a c h i n e i tr e a l i z e d p r o p e rr e d i s t r i b u t i o no ft h ee q u i p m e n to fp r o d u c t i o nl i n e ，o v e r a l l s i m u l a t i o no f e q u i p m e n t sa n dt h er e a l - t i m ew a l k t h r o u g hi nt h ev i r t u a ls c e n e t h em a i nw o r k sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ：1 ) e q u i p m e n tm o d e lo ft h ev i r t u a lm a c h i n i n gp r o c e s ss i m u l a t i o n w i l lb eb u i l to n 2 ) i tr e a l i z e so v e r a l ls i m u l a t i o no fv i r t u a le q u i p m e n t sb yu s i n gd o u b l e b u f f e ro fo p e n g l i ta l s or e a l i z e st h ef o r e c a s to fc u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n gt e m p e r a t u r e a n dt h ee r r o rs h o wo fw o r k p i e c e sd e f o r m a t i o nc a u s e db yc u t t i n gf o r c eb a s e d0 nt h e s t u d y o fn cl a t h ep r o c e s s i n gs i m u l a t i o n 3 ) u s e rc a ne a s i l ya c h i e v ear a t i o n a l d i s t r i b u t i o no f e q u i p m e n tb yt h r e e d i m e n s i o n a l m o d eo fi n t e r a c t i v e o p e r a t i o n 4 ) s i m u l a t i n gh u m a nb e h a v i o r , u s e rc a nr e a l i z et h er e a l t i m ew a l k - t h r o u g hi nt h ev i r t u a l e n v i r o n m e n t l i uj i n l e i ( m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gw e n j i a n k e yw o r d s ：v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g , p r o d u c t i o nl i n e ，d y n a m i es i m u l a t i o n ， r e a l t i m ew a l k - t h r o u g h ， 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 计算机仿真技术在制造业中的应用l 1 2 数控仿真技术的概述1 1 2 1 数控加工仿真的概念j 1 1 2 2 数控仿真的分类2 1 3 数控仿真技术国内外的研究现状2 1 4 数控仿真系统发展趋势3 1 5 课题的研究背景和目标3 1 6 课题的研究意义和内容4 1 6 1 课题的研究意义4 1 6 2 课题的研究内容5 1 7 本章小结5 第二章虚拟加工仿真系统主体框架设计6 2 1 虚拟加工仿真系统设计6 2 1 1 虚拟加工仿真系统设计的原则6 2 1 2 虚拟加工仿真系统的方案选择6 2 1 3 虚拟加工仿真系统的功能要求7 2 2 虚拟加工仿真系统的框架总体结构7 2 3 虚拟加工仿真系统的开发工具介绍9 2 3 10 p e n g l 图形学概述9 2 3 2v is u aic + + 6 0 概述1 1 2 3 。30 p e n g l 在v c + + 下的实现1 1 2 4 本章小结1 2 第三章虚拟加工仿真系统的几何仿真的研究13 3 1 虚拟设备的几何建模；1 3 3 1 1 几何建模的采用的方法1 3 3 1 2 几何模型的绘制1 3 3 2n c 代码的预处理与识别分析模块设计1 5 i 华北电力大学硕士学位论文目录 3 2 1n c 代码的预处理模块1 5 3 2 2n c 代码的识别分析模块1 5 3 3 虚拟设备整体几何仿真1 7 3 3 1 虚拟设备整体几何仿真的意义1 7 3 3 2 虚拟设备整体几何仿真过程框架图的构建1 8 3 3 3 虚拟设备整体几何仿真的实现1 9 3 4 仿真过程中碰撞检测的研究2 1 3 5 本章小结2 2 第四章虚拟加工仿真系统的物理仿真的研究2 3 4 1 物理仿真的意义2 3 4 2 物理仿真研究的内容2 3 4 3 切削力的研究2 3 4 3 1 切削力的来源及分解2 3 4 3 2 切削力的经验公式2 4 4 4 切削温度的研究2 7 4 4 1 切削热的产生和传出2 7 4 4 2 切削温度的经验公式2 8 4 5 切削力对工件变形的研究2 9 4 5 1 工件变形因素的概述2 9 4 5 2 解析法分析切削力对工件的变形：2 9 4 6 切削力与切削温度预测和工件变形误差图的实现3 l 4 6 1 切削力与切削温度的预测实现3 1 4 6 2 工件变形误差图的实现3 2 4 7 本章小结3 4 第五章生产线设备场景的创建与实时漫游的研究3 5 5 1 虚拟生产线的概述3 5 5 2 虚拟生产线的设计流程3 5 5 3 生产线设备布局的研究：3 6 5 4 生产线设备场景实时漫游的研究3 8 5 4 1 研究生产线设备场景实时漫游的意义3 8 5 4 2 投影模式的选择? 3 8 华北电力大学硕士学位论文目录 5 4 3 场景漫游的动作及实现3 9 5 4 4 场景漫游的边界约束4 1 5 5 生产线辅助设备仿真的实现4 1 5 6 本章小结4 2 第六章虚拟加工过程仿真系统简介4 3 6 1 虚拟加工仿真系统界面4 3 6 2 虚拟加工仿真系统功能介绍4 4 6 3 本章小结：4 6 第七章总结与展望4 7 7 1 总结：4 7 7 2 展望4 7 参考文献4 8 致谢一5 1 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 2 一 焉 j 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 计算机仿真技术在制造业中的应用 计算机仿真技术作为一门新兴的技术，它是以计算机系统为工具，以相似原理、 信息技术和控制理论为基础，根据系统实验的目的，建立实际或联想的系统模型， 并在不同条件下，对模型进行动态仿真的一门综合性技术【i 】o 在制造领域内，从产 品的设计、制造到测试维护的整个产品生命周期中，计算机仿真技术贯穿始终。它 在减少损失、节约成本、缩短产品开发周期和提高产品质量等方面发挥了重大的作 用。随着先进制造技术的重视和发展，为计算机仿真技术的应用和发展提供了新的 应用空间，也提出了更高的要求。目前，计算机仿真技术在制造业中的应用具有以 下特征和趋势【2 】： 1 ) 应用范围不断扩大。在仿真技术应用对象来看，从产品设计、制造、装配 过程扩展到研究制造系统的设计和运行，再到库存管理、产品测试维护等，涉及到 制造企业的多个方面。 2 ) 仿真技术的分布性。仿真的分布性是由制造企业地域的分布性决定的，制 造企业可以通过网络实现异地协作，而网络制造、虚拟企业等新概念的提出本身就 是基于网络实现的。 3 ) 与图形和传感器技术相结合，极大地提高了仿真技术的交互性，由此形成 了虚拟制造、虚拟产品开发等新概念。 4 ) 仿真技术的集成化。即综合运用仿真技术，创建可运行的产品开发和制造 环境，而虚拟制造、网络制造等新概念，集中体现了仿真技术应用的分布性、交互 性和集成化的趋势。 1 2 数控仿真技术的概述 1 2 1 数控加工仿真的概念 数控加工仿真是指实际数控加工过程在虚拟环境中的映射，它是c a d c a m 的 重要组成部分，它是在实际加工制造之前，借助计算机在虚拟环境中对零件进行模 拟加工来验证数控代码的正确性、合理性，以避免实际加工过程中可能出现的过切、 碰撞等状况。通过数控加工仿真可以达到节约生产成本、避免刀具、机床损坏以及 提高产品质量和加工效率等目的 华北电力大学硕士学位论文 1 2 2 数控仿真的分类 目前，数控仿真按照有无物理因素的介入可分为几何仿真和物理仿真： 1 ) 几何仿真：几何仿真不考虑切削参数、切削力、切削温度以及其它物理因素 的影响，只仿真刀具工件几何体的运动，以验证n c 程序的正确性。几何仿真 的关键是数控机床、刀具、夹具、工件的三维几何模型的构建和有效的仿真算法的 确定。通过几何仿真可以消除由程序错误而引起的机床损坏、刀具折断以及工件报 废等问题。 2 ) 物理仿真：物理仿真是在几何仿真的基础上进行完善和扩充，它能反应实际 加工过程，然而物理仿真还处于摸索研究阶段，如对加工过程中的切屑形状、切削变 形、刀具磨损、切削振动等都难以模拟实现。物理仿真的关键是如何提取几何仿真 中的切削层参数，并将其应用于切削力、切削热的计算以及加工参数的优化选取中， 以及用于建立切削力、切削热、切削振动等模型。通过物理仿真可以获取加工过程 中夹具刀具工件的动态力学特性来预测夹具振动、刀具破损破坏、工件的 加工精度等，从而达到控制切削参数、优化切削过程、提高加工效率和加工精度的 目的【3 】。 1 3 数控仿真技术国内外的研究现状 国外从上世纪7 0 年代开始，就在数控仿真方面进行了大量的研究工作。数控 仿真经历了从加工过程的几何仿真逐渐走向物理仿真的过程，开发了基于数值分析 和模拟来预测工件、刀具物理属性的仿真软件，取得了许多研究成果( 4 1 。8 0 年代中 期出现了基于实体模型的数控仿真系统【5 1 ，这些系统能较真实地反映加工过程。9 0 年代，英国b a t h 大学机械工程系用o p e n n v e n t o r 2 0 软件工具开发出了基于s v l i s 几 何造型工具的仿真系统；美国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【6 】；日本的h o r i s h i m a d e n k i 工学院引入了面向对象数据结构、可视化 设计和智能管理概念开发了v m s s 系统，它能有效地进行f m s 建模【7 】；德国提出的 采用c o s i m a 图像仿真系统，能够识别程序中的大部分图形错误，从而改善n c 编程 质量，大大缩短了机床调试时间，并以d e c k e ld o d 加工中心的实体模型模拟加 工过程，该系统既适用于通常的数控加工，也适于柔性制造系统的仿真【8 】。 目前，国外的数控仿真技术已形成了商品化软件，包括数控加工仿真软件和生 产线虚拟设计软件。数控加工仿真软件如【9 】：日本s o n y 公司研制的f r e d a m 系统 不仅可以对球头铣刀加工自由曲面进行三维仿真，还能在加工过程中进行干涉、碰 撞检验；美国c g t e e h 公司开发的数控仿真软件v e r i c u t ，不仅实现多轴仿真，还 增强了对切削状态分析功能；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 华北电力大学硕士学位论文 等其它数控仿真软件。生产线虚拟设计软件如：d e l i m a 公司开发的三维可视化的 虚拟工厂及离散事件仿真软件q u e s t 1 0 】；以色列t e c n o m a t i x 公司的c a p e 软件 e m p o w e r ，它是对一个完整的工厂从生产线、加工单元到加工工序操作的所有层次 进行设计、仿真和优化的集成计算机软件【1 1 】；原c i m t e c h n o l o g i e s 公司开发的 v i s f a c t o r y 软件，它是一套车间布局设计、物流设计软件【1 2 】。 我国对数控仿真的研究始于上世纪8 0 年代末【b 】，随着数控加工技术在制造业 中的重要性越来越高，数控仿真技术也在我国引起了高度的关注。许多大学和研究 机构都在这方面有所研究【1 4 】，例如：清华大学进行了虚拟设计环境软件、虚拟装配、 虚拟机床和虚拟汽车训练系统等方面的研究；浙江大学进行了分布式虚拟现实技 术、v r 工作台和虚拟产品装配等研究；西北工业大学进行了虚拟样机的研究；天 津大学进行了机床的虚拟设计和仿真加工的研究；华中科技大学机械学院开发了面 向生产线的虚拟仿真原型系统i n t e v s s ；广东工业大学对灌装线的虚拟漫游与仿真 做了一定的研究；同济大学研制的数控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【 】等。 目前，国内市场上也有一些功能较完善的国产数控仿真软件，如南京宇航自动 化研究所的y h c n c 系列数控仿真软件【l6 1 ，它支持多种数控系统，且具有良好的用 户界面，图形显示的真实感效果也很好；南京航空航天大学的s u p e r m a n 2 0 0 0 c a d c a m 的仿真模块 1 7 】。但这些仿真软件与国外仿真软件相比还有一定的差距， 需要不断完善和商品化。 1 4 数控仿真系统发展趋势 目前，国内外研究出的仿真系统大多数是几何仿真系统。在实际生产过程中， 为了提高加工效率，获得较高的加工精度，关键是在加工之前能给出合理的加工参 数和对工件加工质量的进行预测，使机床发挥最大功能。未来的数控仿真系统必须 既能通过几何仿真验证n c 代码的正确性，又能通过物理仿真预测刀具、夹具及工 件的弯曲变形、疲劳、振动、加工过程的温升甚至机床的主轴变形等，通过对这些 物理因素的科学预测，为操作者提供合理的加工参数、工艺参数。根据这些参数， 操作者可以使机床发挥最大潜能，提高加工效率，这样的数控仿真系统才能在实际 应用中称得上是功能完善、真正意义的虚拟数控仿真系统。 1 5 课题的研究背景和目标 2 1 世纪制造业仍然是影响国民经济发展、提高人民生活水平的主要产业。随着 全球经济一体化进程的加快和中国加入世界贸易组织，我国制造业的发展受到越来 越大的竞争压力和严峻的挑战，竞争的焦点是如何获得最能够满足市场要求的时间 华北电力大学硕士学位论文 t ( t i m e ) 、质量q ( q u a l i t y ) 、成本c ( c o s t ) 和月艮务s ( s e r v i c e ) 1 8 】【19 1 。因此，如何迅速准 确地设计制造系统是保证产品能够快速响应市场的一个重要部分，生产线是制造业 中的关键元素，它的设计好坏将直接影响整个制造系统的执行效率。能否对生产线 设计提供有效的技术支持，关系着制造业乃至国计民生的发展。为了适应生产活动 的发展，满足制造业对高品质生产线的设计需求，国家“十五”8 6 3 计划中设立了 “装备与汽车制造业c a p p 系统开发及应用”项目。 生产线的设计往往依据产品的种类、数量以及工艺特性结合企业自身车间的结 构特点，对所需的加工设备和辅助设备进行空间配置，并充分保持设备之间在空间 位置上的协调性，来保证整个车间系统的畅通。传统设计生产线方法是设计人员依 靠经验进行规划设计，但由于系统的复杂性，常使得设计规划实施很难达到预期效 果，资料表明：国内外现己运行的复杂制造系统约有8 0 都没有完全达到系统的功 能要求，其中6 0 的问题都可以归结为由初期规划不合理造成的。为了减小风险， 可利用虚拟技术对生产线进行优化设计来解决这一问题。然而，生产线系统一般都 属于复杂系统，其设计和运行管理过程中存在着大量的不确定因素，例如：对实际 生产认知的模糊性，以及生产线运行状况的不可预测性等众多不确定因素。由于众 多的不确定因素，虽然国内外在生产线虚拟设计领域的研究越来越受到重视，但是 至今尚无一种数学方法能够精确地解析求解这类问题，也没有功能完善的面向生产 线设计的商品化软件。针对这种情况，研究面向生产线设计的建模机制和加工过程 的整体加工仿真策略，解决生产线在设计和应用中存在的建模困难、柔性化低等问 题，开发出一套适用于中小型企业的虚拟生产线设计软件是本课题的目标。 1 6 课题的研究意义和内容 1 6 1 课题的研究意义 随着虚拟制造技术的应用日渐增强，虚拟机床的仿真系统的研究越来越受到学 者们的关注，并开发出了许多数控机床仿真系统，如最为常见的数控车削仿真系统、 数控铣削仿真系统以及数控车铣仿真系统，然而这些仿真系统在实际应用较少。随 着制造业自动化程度的提高，数控仿真系统必须朝着模拟工厂自动化甚至虚拟工厂 的方向发展。宁夏小巨人机床有限公司的智能生产中心是虚拟制造系统的典范，它 通过网络使虚拟设备与车间实际机床设备相连接，把实际机床设备的操作转化为在 电脑屏幕上的设备图标的操作，只要双击任意一台设备图标，就可以显示刀具号、 程序号、所加工工件的数量等相关内容，然而这只是智能生产中心的部分功能。它 的应用给我们带来很大的启发：开发研究基于多种数控机床的虚拟生产线设计仿真 软件，是提高仿真系统在实际中广泛应用关键，因此对面向生产线设计的建模机制 和数控设备整体加工仿真过程研究具有重要的现实意义，同时该系统也可以作为数 4 华北电力大学硕士学位论文 控培训与教学系统，来培养我国不同层次的数控技术人才，正是开展本课题研究的 意义所在。 1 6 2 课题的研究内容 利用计算机进行虚拟制造可视化生产线设计是现代制造技术发展的必然趋势。 本文在w i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l 的系统环境下，以v i s u a lc + + 和o p e n g l ( 即： o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 为丌发工具，采用面向对象的编程技术，实现虚拟加工仿真 系统的开发，本课题研究的主要内容集中在以下几方面： 1 ) 虚拟制造系统的设备建模 利用o p e n g l 创建生产线中所需设备的三维实体模型( 主要包括数控车床、数 控铣床) ，并通过模型变换函数如放大、平移、旋转等函数，改变三维实体模型显 示效果，为下一阶段的加工过程几何仿真打好基础。 2 ) 生产线设备整体几何仿真 通过虚拟设备模型库，按照零件加工工艺、加工数量选取合适的设备组成加工 设备生产线，并利用o p e n g l 的模型变换函数和双缓存技术，实现生产线上的加工设 备既可独立进行几何仿真又可整体进行几何仿真且互不影响。 3 ) 加工设备物理仿真 物理仿真能真实地反映加工过程，是虚拟加工过程仿真的重要组成部分，具有 重要的意义。本文主要对车削过程中切削力、切削温度以及切削力对工件变形误差 的影响进行研究。 4 ) 生产线场景维实时漫游 为了使用户能从不同的方位详细观察加工过程，以及所建生产线场景的结果能 以一种直观、贴近真实世界的方式展现出来，使用户能产生一种融入现实场景的感 觉【2 0 】【2 1 】【2 2 1 ，因此需要对所建场景进行三维实时漫游技术的研究。 1 7 本章小结 本章通过查阅大量的资料，分析了计算机仿真技术在制造业中应用的特点和趋 势以及数控仿真技术在国内外研究的现状和发展趋势，在此基础上分析了开展本课 题研究的意义，确定了课题研究的内容。 华北电力大学硕士学位论文 第二章虚拟加到争真系统主体框架设诈一 2 1 虚拟加工仿真系统设计 虚拟加工仿真系统可以研究、实验数控加工过程。把仿真技术应用于数控加工 领域，通过模拟机床的加工过程，可以验证数控代码n c 程序以及解决碰撞、干涉 等问题；通过对加工过程的虚拟仿真可以对加工方案进行评估和优化，可以减少材 料消耗和降低成本，提高工件的加工精度和加工效率。通过对设备交互性布局以及 三维实时漫游功能，操作者可以从不同的角度观察数控加工状态，解决了设备和设 备之间、设备与工件之间在空间上的干涉问题，同时也给操作者一种融入现实场景 中的感觉。 2 1 1 虚拟加工仿真系统设计的原则 由于所开发的是一个系统，因此我们在设计虚拟加工仿真系统时应该遵守以下 原雪l l j 1 ) 先进性：即所设计开发的系统与同类系统相比，在功能上应有一定的优越性。 2 ) 准确性：即模拟仿真数控加工过程与实际数控加工过程有较好的吻合性。 3 ) 实用性：即所设计的系统应该具有实际的应用价值和应用前景。 4 ) 可扩展性：即所设计的系统可根据需求，在功能上进行扩展来满足新的需求。 5 ) 可移植性：即为了使系统能在不同的系统平台环境中应用，所设计的系统应 尽量减少对硬件的依赖性。 2 1 2 虚拟加工仿真系统的方案选择 经过查阅大量资料得知目前流行的方案有以下几种： 1 ) 基于v r m l 技术的开发 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 ) 即虚拟现实造型语言，一般用于开 发基于网络环境的仿真系统。用它开发虚拟机床仿真系统需大量的编程工作，并且 v r m l 的三维建模能力有限，交互性不强，建立的场景只支持简单的浏览、移动和 旋转。 2 ) 基于v c + + 、o p e n g l 与现有造型软件联合开发 利用v c + + 、o p e n g l 和现有的造型软件( 如u g 、p r o e 、3 d s m a x ) 等联合开 发。利用三维造型软件创建虚拟机床的模型，并输出成3 d s 、s t l 或i g e s 等文件 格式，通过o p e n g l 图形接口技术来读取，最终构成虚拟机床的实体模型【2 3 1 。但是 6 华北电力大学硕士学位论文 这种方法需要依赖昂贵的c a d c a m 软件，成本颇高。 3 ) 基于通用的c a d c a m 软件平台 c a d c a m 软件，如u g 、p r o e 、c a t i a 等都提供二次开发的方法和接口。通 过以c c + + 语言作为二次开发工具和造型软件提供的a p i 函数混合编程来实现仿 真系统的开发。虽然这样可以利用c a d c a m 软件强大的交互建模能力优势，减少 编程的强度、难度和缩短开发周期，但是这种方法不但需要依赖昂贵的c a d c a m 软件，而且开发人员还要去熟悉c a d c a m 软件的使用和二次开发语言以及接口技 术。 4 ) 基于v c 抖和o p e n g l 技术 这种方法应用最为广泛，技术成熟，实例较多。o p e n g l 是优秀的三维图形库 软件接1 3 ，利用它提供的函数可以创建出高质量的三维图形 2 4 1 。v c + + 可以很容易 的开发出友好的用户界面，因此以v c + + 为开发工具，在v c + + 的m f c 环境下调用 o p e n g l 函数，开发虚拟加工仿真系统。这种方法除了代码编写繁重外，在仿真、 场景渲染等方面容易实现。 综合比较上述几种方法的优缺点，本课题选用第四种方案，即结合v c + + 和 o p e n g l 的优势开发虚拟加工过程仿真系统。 2 1 3 虚拟加工仿真系统的功能要求 根据课题的研究内容，系统的主要功能包括以下三部分： 1 ) 设备布局功能：设备布局是指按照零件加工工艺和数量选取加工设备，并组 成生产线。 2 ) 仿真功能：仿真功能主要是指数控设备能以n c 代码为驱动进行几何仿真， 同时能对数控车床在加工过程中产生的瞬时切削力、切削温度进行预测，以及输出 由切削力引起工件变形误差图。 3 ) 漫游功能：漫游功能是指用户能对所建生产线场景进行全方位的详细观察， 并能产生一种融入现实场景中的感觉。 2 2 虚拟加工仿真系统的框架总体结构 根据仿真系统的要求，建立了虚拟加工仿真系统的框架总体结构如图2 一l 所示。 7 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 虚拟加工仿真系统的框架总体结构 由图2 1 可知，该仿真系统主要有文本管理、设备操作、设备、场景视图操作 8 华北电力大学硕士学位论文 和场景漫游等五部分组成。下面对这几部分进行简述： 1 ) 文本管理：主要是指对数控n c 代码的操作，如编辑、存储等功能。通过仿 真结果可以检查有无过切现象的发生，如果有说明n c 代码不正确需要修改。 2 ) 设备操作：是指对设备的放大、缩小、平移、删除以及对设备部件如工作 台、刀架、尾座等进行操作 3 ) 设备：包括辅助设备和加工设备。辅助设备是指生产线中的非机床设备， 主要有搬运小车、工件台等。加工设备是指生产线中的机床设备( 包括数控车床、 数控铣床) 。加工设备部分根据几何仿真的需要分为加工仿真环境和加工仿真过程 1 2 5 ，即几何仿真结构模型。加工仿真环境主要包括设备的几何模型和运动模型。本 文虚拟设备的几何模型和运动模型是利用v c + + 和其内置的o p e n g l 混合编程创建 的。利用该方法绘制出了真实感强的三维设备模型，并通过调用o p e n g l 的坐标函 数对三维实体设备模型分别进行控制，实现动态仿真。加工过程仿真主要包括数控 程序检验、碰撞干涉检验、加工过程显示等部分。当完成刀具、夹具、工件等尺寸、 材料的定义、设置工艺系统参数以及切削用量数据后，数控程序通过检验、译码模 块产生驱动信息，驱动机床、刀具、工件各部分的运动完成刀具对工件的切削仿真 过程，同时检测刀具、夹具、机床的碰撞与干涉。通过提取刀具、夹具、工件的几 何和物理信息，可以在模拟加工过程中实现瞬时切削力和切削温度的预测，以及由 其引起的工件变形，并通过图示显示出来，即物理仿真结构模型。 4 ) 场景视图操作：是指对所建设备场景进行俯视、仰视以及放大、缩小、平 移、旋转等操作。 5 ) 场景漫游：利用o p e n g l 中的g l u l o o k a t 0 函数，设置相对应的参数来达到漫 游的效果。 2 3 虚拟加工仿真系统的开发工具介绍 2 3 1 o p e n g l 图形学概述 1 ) o p e n g l 简介 o p e n g l 是以s g i 的g l 三维图形库为基础制定的一个通用共享的开放式三维 图形标准程序接口。它可以独立于操作系统和硬件环境，几乎适用与所有的计算机 环境，应用领域非常广泛。由于它稳定性好、可移植性强的特点已经成为三维图形 软件开发者必须掌握的工具，利用它可以开发出各种不同效果的交互式三维动画场 景【2 们。 2 ) o p e n g l 的功能 o p e n g l 的主要功能包括：模型绘制、颜色模式设置、坐标变换、光照和材质 口 华北电力大学硕士学位论文 设置、纹理映射、管理位图和图像增强、实时动画和交互技术【2 7 】。 ( 1 ) 模型绘制：o p e n g l 提供了能够绘制点、线和多边形等基本图元的绘制函 数，还提供了复杂三维物体( 球、多面体、茶壶等) 以及复杂的曲线、曲面绘制函 数。 ( 2 ) 颜色模式设置：o p e n g l 颜色模式有三种，即r g b 模式、r g b a 模式和颜色 索引模式。 ( 3 ) 坐标变换：o p e n g l 变换包括视图变换、模型变换和投影变换三种类型的 变换。 。 ( 4 ) 光照和材质设置：o p e n g l 支持发射光、环境光、镜面反射光和散射光四 种类型的光照。此外，还可以指定不同材质模型的表面反射属性，这些不同的属性 使物体各表面对光照产生不同的反射效果，从而使物体各表面显现出不同的颜色， 增强了物体立体感和真实感。 ( 5 ) 纹理映射：o p e n g l 提供了纹理图像贴图函数，可以把纹理图像粘贴到物 体表面，从而获得具有真实感效果的物体模型。 ( 6 ) 管理位图和图像增强：o p e n g l 除了能绘制基本几何图元外，还提供绘制 位图、绘制索引图像、读取位图、图像以及复制图像功能。 ( 7 ) 实时动画：o p e n g l 通过支持双缓存功能实现实时动画，双缓存分别被称 为前台缓存与后台缓存。简单的说：后台缓存计算场景、生成画面，前台缓存显示 后台缓存已画好的画面。 ( 8 ) 交互技术：o p e n g l 的交互技术是通过选定、反馈两种渲染模式操作来实 现的。 3 ) o p e n g l 的工作流程 图2 2 为o p e n g l 的基本工作流程【2 引。程序从左侧进入，将几何顶点数据和图 像像素数据经过一系列的运算处理后生成待显示的帧。在o p e n g l 的基本工作流程 中，o p e n g l 首先将所有数据存储在一个显示列表中，稍后一次性进行处理。在处 理求值程序阶段，o p e n g l 提供了一种高效的方法来近似绘制几何曲线和曲面。接 着进入每个顶点操作和图元组合阶段，在这个阶段对顶点进行变换和光照处理，对 图元进行裁剪以适合视区大小。在光栅化过程中，通过对点、线段、多边形的二维 描述，产生一系列的帧缓存地址和相关数值，这样产生的每一片原都传入最后的处 理阶段“逐个片原操作 ，对数据进行最后的处理，然后将它们作为像素存储 在帧缓存中。当输入数据是像素数据时，可跳过上述处理的“求值程序”，直接进 入像素操作阶段。这一阶段的处理结果，或者存储为纹理内存以用于光栅操作阶段， 或者采取同几何数据一样的形式进行光栅化，并将结果片元融合于帧缓存中。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 图2 2o p e n g l s e 作的基本流程 2 3 2v i s u a lc + + 6 0 概述 v i s u a lc + + 6 0 是微软公司推出的一个功能强大的可视化程序开发工具，它在 w i n d o w s 环境下开发应用程序，由于其功能强大，它几乎能开发任何应用程序，同 时它也是一个集成开发工具，提供了软件代码自动生成和可视化的资源编辑功能。 在使用v i s u a lc + + 6 0 开发应用程序时，系统可自动生成了大量的各种类型的文件， 同时它引入了m f c 类库应用程序框架结构和一些实用开发工具，使我们开发具有友 好交互性的用户系统界面变得非常简单，因而在本系统的开发中，采用了v i s u a l c + + 6 0 作为系统的开发工具。 2 3 3o p e n g l 在v c + + 下的实现 本系统在v c + + 6 0 环境下编写o p e n g l 程序，基本步骤如下： 1 ) 通过m f c 应用程序向导建立一个单文档应用程序框架。由于视图类中负责 窗口内容的显示，所以所有的o p e n g l 绘制工作都要在视图类中进行。 2 ) 打开资源编辑器对程序界面上的菜单资源进行必要的设计与修改。 3 ) 在v i s u a lc + + 6 o 窗1 2 1 的主菜单中选择菜单 - r 程卜【设置】，在弹出的p r o j e c t s e t t i n g s 对话框中，选择连接标签，然后在“对象库模块所对应的编辑框中加入 o p e n g l 3 2 1 i b 和g l u 3 2 1 i b 两项。 4 ) 在视图类( c v i e w ) 的头文件v i e w h 中添加有关o p e n g l i 函数头文件，如下： # i n c l u d e “g l 9 1 ”： # i n c l u d e “g l g l u h ”。 5 ) 利用c l a s s w i z a r d 对o p e n g l 进行初始化工作，o p e n g l 的初始化工作包括： 设置窗口样式、象素格式、处理绘图窗口的大小变化，设置光照、材质、深度检测 等的初始值，创建投影可视空间，建立绘制描述表，初始化o p e n g l 投影观察体系以 华北电力大学硕士学位论文 及退出程序时释放资源等，例如在视图类中添加以下成员函数： 响应w mc r e a t e 消息的o n c r e a t e o 函数： 响应w ms i z e 消息的o n s i z e o 函数； 响应w m _ d e s t r o y 消息的o n d e s t r o y ( ) 函数； 重载o n i n i t i a l u p d a t e ( ) 和p e r c e r a t e w n i d o w o i 函数； 添加像素格式设置函数； 添加设置光照、材质、深度检测等的初始值函数。 ， 并按照相关的要求在以上各个函数中写入相对应的代码，完成o p e n g l 的初始化 工作。 6 ) 在视图类中的o n d r a w o 函数中用o p e n g l i 函数绘制场景。 7 ) 在视图类中添加响应w m _ t i m e r 消息的o n t i m c r ( ) 函数。在o n t i m e r ( ) i 函数中 设定时钟，编写程序代码实现仿真动画。 8 ) 在视图类中添加响应w m _ k e y d o w 消息的o n k e y d o w n ( ) i 函数。在该函数中 编写代码实现三维场景漫游的键盘操作。 9 ) 利用v c + + 6 0 的编译工具，对程序进行的编译、链接及调试等工作。 至此，一个基于v c + + 且支持o p e n g l 的虚拟系统设计框架就创建成功了。 2 4 本章小结 本章主要讲述了系统开发的原则、方案的优化选择、系统的功能要求，分析了 虚拟加工系统的框架总体结构。在对系统所需的开发工具v c + + 6 0 和o p e n g l 介绍 的基础上，介绍了在v c + + 环境中编写o p e n g l 程序的步骤过程，为系统开发提供 了编程基础。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章虚拟加工仿真系统的几何仿真的研究 3 1 虚拟设备的几何建模 3 1 1 几何建模的采用的方法 经过查阅大量的资料，系统采用了在实体的表示、构造中应用最为广泛的一种 方法作为几何建模的方法，即构造实体几何法【2 9 ( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ，c s g 法) ，它的基本思想是将简单实体( 又称体素) 通过集合运算得到新的实体。c s g 常 用的体素有长方体、圆柱体、球、圆环等，通过这些体素可以拼凑集合成所需的实 体。用c s g 法时，实体的构造过程是集合运算过程，这个过程可用c s g 树( 它将 物体的组成结构与有序的二叉树联系起来，形成c s g 树) 表示。c s o 的树根表示 物体，非叶子节点表示运算符( 运动算子，如平移、旋转等；正则化集合算予如交、 差、并等) ，叶子节点一般代表基本体素或扩展体素( 如变截面扫描体，边界表示法 表示的物体) 。 由于系统中虚拟设备的几何模型较为复杂且种类较多，整体仿真时需要做大量 的平移、旋转等操作，且要求仿真动画显示的实时性、平滑性较高，而c s g 法在构 造三维实体模型时简洁方便，以体素为单元的各种坐标变换计算迅速，能够满足系 统动画仿真的要求，因此本系统采用了c s g 法构造虚拟设备的三维几何模型。 3 1 2 几何模型的绘制 数控设备结构复杂，但它们都可以看作是由相互独立的不同功能的部件模块组 成。因此在虚拟设计机床模型时，根据实际需要对机床进行部件模块划分【3 0 1 ，即根 据机床的结构、功能、各部分的联接关系进行部件模块的划分，然后采用自底向上 的方法对各个部件模块进行建模，同时保证各个部件模块的位置关系。当各个部件 模块建模好后( 如床体，主轴，尾座，刀架等) ，按照自低向上的方法即可构造出 设备的几何模型。图3 - i 为虚拟机床的装配模型过程，虚拟设备装配可以通过3 个 层次的聚集关系，由基本体组成。因而可用3 个层次的结构树描述相应的组成对象， 即：机床树、部件树和零件树。零件树处于最底层，描述零件对基本体的聚集关系； 部件树在零件树之上，描述部件对零件的聚集关系；机床树处于最上层，描述机床 对部件的聚集关系。 华北电力大学硕士学位论文 数控机床部件零件 机床树部件树零件树 p 装配约束 一装配约 装配关系有序 运动参数 有序束运动 参数 图3 - 1 虚拟机床的装配模型 通过绘制虚拟数控设备的各部件以及图3 一l 所示的组装过程，而对液压系统、 。 电气系统、驱动