（机械电子工程专业论文）虚拟数控车削加工系统关键技术研究.pdf

虚拟数控车削加工系统关键技术研究中文摘要 中文摘要 在虚拟环境下对产品对象模型实现几何及物理性能变化的过程称为虚拟加工，它 是真实加工过程在虚拟环境下的映射。虚拟加工系统的目标是建立一个真实的可视化 加工环境，用以仿真和评价各加工过程对加工结果的影响。 目前数控机床已经在制造业中得到广泛应用，为了减少由于试切造成的浪费，需 要对数控加工过程进行仿真，以虚拟加工的形式在计算机上完成对数控程序的检验； 同时采用虚拟加工技术在对数控机床用户进行培训及数控类课程的教学中也能大大 提高教学效果。 本文以研制高品质三维虚拟加工系统为目标，对数控车削加工的三维仿真关键技 术进行了深入研究，在虚拟车削加工系统v 1 0 、v i s u a l c + + 6 0 和o p e n g l 图形开发库 的平台基础上独立开发出了虚拟数控车削加工系统v 2 0 。本文主要完成了以下内容： 1 对三维几何造型理论进行深入研究，总结出当前解决几何造型问题的主要方 法，并提出了混合模式的建模方案。将虚拟加工三维场景中的几何模型进一步划分为 静态模型和动态模型，并针对静态模型开发了实体读入接口，实现了系统平台的快速 三维静态几何造型功能。 2 对虚拟加工场景建模技术进行研究，使用o p e n g l 显示列表技术构建了虚拟组 件库，并使用虚拟装配技术以苏州大学工程训练中心的c y n c - - 4 0 0 数控机床为原型 建造了虚拟加工三维场景。对数控插补技术和动画控制技术进行研究，构建了虚拟机 床的运动控制模型，实现了加工过程的三维动画仿真。采用空间单元表示法构造了虚 拟工件的动态几何模型。 3 对碰撞和干涉检验技术进行研究，实现了系统对碰撞和干涉的图形检验和报告 生成。用户不仅可以从计算机显示器上直观地看到碰撞和干涉的情况，还可以从报告 中进一步了解碰撞和干涉的性质以及发生碰撞和干涉情况时的刀位点坐标，为进一步 完善数控程序提供了依据。 4 针对目前虚拟加工研究中对虚拟零件管理的不足，开发了虚拟零件库，该库可 方便地实现对虚拟零件的三维观察、文件管理、虚拟测量、生成零件的物理仿真报告 和实现虚拟零件的再加工，使虚拟零件这一宝贵资源得到了很好的管理和应用。 中文摘要 虚拟数控车削加工系统关键技术研究 5 对虚拟加工中的物理仿真技术进行深入分析，提出了本文物理仿真的内容。对 切削力的来源和测量进行了研究，建立了稳态切削力的预报模型。对工件误差建模进 行了分析，经过简化建立了工艺系统坐标系，给出了该系内工件误差求解的数学模型。 以切削力引起的工件弯曲变形为对象，建立了基于稳态切削力的工件变形因素误差模 型，实现了系统对切削力和加工误差的预报。 以上研究成果已经全部集成到本人独立开发的虚拟数控车削加工系统v 2 0 之 中。经过实例分析，其逼真的仿真效果、良好的用户接口给数控加工的教学和培训带 来方便，具有很好的应用前景。 关键词：虚拟加工 虚拟零件库 几何造型碰撞和干涉 物理仿真 作者：李春雷 指导教师：倪俊芳 r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g yo f v i r t u a lc n c t u r n i n gs y s t e m a b s t r a c t a b s t r a c t v i r t u a lc u t t i n gi sat e c h n o l o g yw h i c hc a ni m p l e m e n tt h ed y n a m i cs i m u l a t i o no f c u t t i n gp r o c e s s e so nt h ec o m p u t e r t h ea i mo fv i r t u a lm a c h i n i n gs y s t e mi st od e v e l o pa v i s i b l em a c h i n i n ge n v i r o n m e n tt os i m u l a t ea n de v a l u a t et h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sm a c h i n i n g p r o c e s st om a c h i n i n gr e s u l t n o w a d a y s ，c h i cm a c h i n et o o l sa l eu s e dw i d e l yi nm a n u f a c t u r i n g i no r d e rt or e d u c e t h ec o s to ft e s tc u t s ，t h es i m u l a t i o no fc n c p r o c e s s e si sn e e d e d ；c n cc o d e sa r ec h e c k e d o nt h ec o m p u t e ri nv i r t u a lc u t t i n g o nt h eo t h e rh a n d ，i tc a l la l s oi m p r o v eg r e a t l yt h ee f f e c t o f t e a c h i n ga n dt r a i n i n go f c n c m a c h i n et o o l s t h ek e yt e c h n o l o g yo fc n ct u r n i n gs i m u l a t i o ni n3 di sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r v i r m a lc n c t u r n i n gs y s t e mv 2 0i sd e v e l o p e do nt h ep l a t f o r mo fv i r t u a lt u r n i n gs y s t e m v 1 0 ，v c + + 6 0a n do p e n g l t h i sp r o j e c ti sa c c o m p l i s h e da sf o l l o w s ： 1 s u mu pt h em e t h o d so fs o l v i n g3 dg e o m e t r ym o l d i n gp r o b l e ma n dp u tf o r w a r da b l e n dm o l d i n gm o d eo nt h es t u d yo f3 dg e o m e t r ym o l d i n g d i v i d et h eg e o m e t r ym o d e l i n t os t a t i cm o d e la n dd y n a m i cm o d e l a ne n t i t yi n p u ti n t e r f a c ei sd e v e l o p e df o rt h es t a t i c m o d e l s y s t e mp l a t f o r mc a nm o l das t a t i c3 dg e o m e t r ym o d e lq u i c k l yb yt h i si n t e r f a c e 2 av i r t u a lm o d u l el i b r a r yi sc r e a t e db yt h eu s eo fo p e n g ld i s p l a yl i s tt e c h n o l o g y t h e3 ds e n c eo fv h t u a lc n c t u r n i n gs y s t e mi sb u i l tb yv i r t u a la s s e m b l yt e c h n o l o g yu s i n g t h ev i r t u a lm o d u l el i b r a r y , w h i c hi sr e f e r e n c e do nt h ec y n c - 4 0 0n u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n ei ne n g i n e e r i n gt r a i n i n gc e n t e ro fs o o c h o wu n i v e r s i t y m o t i o nc o n t r o lm o d e lo f v i r t u a lm a c h i n et o o li sb u i l tb yn u m e r i c a lc o n t r o li n t e r p o l a t i o nt e c h n o l o g ya n d3 d s i m u l a t i o no f t u r n i n gi si m p l e m e n t e db yc o m p u t e rc a r t o o nt e c h n o l o g y t h ed y n a m i cm o d e l o fv i r t u a lw o r k p i e c ei sb u i l tb yd i s c r e t em e t h o d 3 t h eg r a p h i c sc h e c ka n di n f o r m a t i o nr e p o r to fc o l l i s i o na n di n t e r f e r e n c e i s i m p l e m e n t e d u s e rc a nn o to n l ys e et h eg r a p h i c sd i s p l a yo fc o l l i s i o na n di n t e r f e r e n c e ，b u t a l s ok n o wt h ec o o r d i n a t eo ft o o lp o s i t i o nw h e nc o l l i s i o no ri n t e r f e r e n c eh a p p e n s i to f f e r s 1 1 1 c o n v e n i e n c ef o ru s e rt oc o n s u m m a t eh i sn cc o d e 4 b e c a u s eo ft h el a c ko fv i r t u a lp a r tm a n a g e m e n ti nv i r t u a lm a c h i n i n gr e s e a r c h ，a v i r t u a lp a r tl i b r a r yi sd e v e l o p e dt om a n a g et h ev i r t u a lp a r t i tc a nd o3 do b s e r v et r a n s f o r m ， f i l em a n a g e m e n t , v i r t u a lm e a s u r e ，r e m a c h i n i n gt ov i r t u a lp a r ta n dg e n e r a t ep h y s i c s s i m u l a t i o nr e p o r t t h e s ef u n c t i o n sc a l lm a k et h ev i r t u a lp a r tr e s o u r c em o r eu s e f u l 5 p u tf o r w a r dt h ec o n t e n to fp h y s i c ss i m u l a t i o no ft h i sp a p e ro nt h es t u d yo fp h y s i c s s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y t h es t a b l ec u t t i n gf o r c ef o r e c a s tm o d e li sb u i l to nt h er e s e a r c ho f c u t t i n gf o r c es o u j t c ea n dm e a s u r e t h r o u g ha n a l y z eo f e r r o rm o l d i n g ，at e c h n i c sc o o r d i n a t e s y s t e mi sb u i l ta n dar e s o l v em a t h e m a t i c a lm o d e lo fw o r k p i e c ee r r o ri nt h i sc o o r d i n a t e s y s t e mi sg i v e n t h ew o r k p i e c ed i s t o r t i o ne r r o rm o d e lo fs t a b l ec u t t i n gf o r c e i sb u i l t b y u s i n gt h e s em o d e l s ，t h ef o r e c a s to fc u t t i n gf o r c ea n dw o r k p i e c e e l t o ri sa c h i e v e d w i t hi t ss u c c e s s f u ls i m u l a t i o na n dg o o du s ei n t e r f a c e ，t h i ss y s t e mw i l lb r i n gg r e a t c o n v e n i e n c et oc n ct e a c h i n g k e yw o r d s ：v h t u a lm a c h i n i n gg e o m e t r ym o l d i n g v i r t u a lp a r tl i b r a r y p h y s i c ss i m u l a t i o n i v w r i t t e nb yl ic h u n l e i s u p e r v i s e db yn ij u n f a n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：盛耍 日 学位论文使用授权声明 期：2 o o 彩玺z z 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：奎盔虫日期：2 丝丝皇：22 导师签名：f ，勿扩纩日 期：哆tw _ i ，y 虚拟数控车削加工系统关键技术研究第1 章绪论 1 1 虚拟加工技术的概念 第1 章绪论 自从2 0 世纪5 0 年代麻省理工学院研制开发出用于机械零件数控编程的专用语言 a p t 语言后，随着计算机辅助设计与制造技术的不断发展，数控人员逐步摆脱了繁 重而低效的手工编写数控加工程序的困难局面。然而，就现有的数控代码自动编写技 术而言，仍然难以避免过切、欠切、碰撞与干涉等错误的出现，因此，调试和检验数 控代码的过程就必不可少。传统方式采用的是模型检验法，即通过加工木材、塑料或 油泥等易切削材料的模型来检验加工结果与设计要求之间的差异，再编辑修改程序或 加工工艺。这种检验方法不仅浪费了大量的人力物力，延缓了开发周期，还增加了产 品的开发成本。由于计算机仿真成本低廉，无需占用昂贵的机床进行试验，参数容易 改变且速度较快，可以降低生产成本，提高生产效率，所以人们一直在研究使用计算 机仿真技术来代替试切的检验方法，伴随着c a d c a m 技术的进一步发展，逐渐产 生了虚拟加工技术。 在虚拟环境下对产品对象模型实现几何及物理性能变化的过程称为虚拟加工，它 是真实加工过程在虚拟环境下的映射【5 j o 虚拟加工系统的目标是为虚拟制造建立一个 真实的可视化加工环境，用以仿真和评价各加工过程对加工结果的影响。虚拟加工技 术是虚拟现实技术在制造中的应用，它利用计算机以可视化的、逼真的形式来直观表 示零件的数控加工过程，对干涉、碰撞、切削力和变形进行预测和分析，减少或消除 因刀位数据错误而导致的机床损坏、夹具或刀具折断以及因切削力和切削变形造成的 薄型或精密零件的报废，从而进一步优化切削用量，提高加工质量和加工效率。 一个典型的数控加工仿真系统应包括以下几个关键部件，其总体结构如图1 一l 所示【3 4 ，8 】： 第1 章绪论虚拟数控车削加工系统关键技术研究 ；。焉；磊”f 茄呈若妊 ： 八叭 人 代码 机 语法检查 _ - 代码解释_刀位数据。p刀具运动驱动器 用 交 i = 。= = = = 。= = = = _ = = = = = i 上 户 环鞔 互 ，i 加工环境显示模块b 干涉碰撞检查器 设置 接 。加工过程仿真结果。l 圭 j 口 1 刎芯团形，土肼丽 图1 1 典型数控加工仿真系统的结构组成 人机交互接口是人与计算机之间传递、交换信息的媒介，是用户使用计算机系统 的综合环境。它提供一个良好的界面让用户可以输入仿真环境的设置参数与数控代 码，并将仿真结果反馈给用户。 加工环境显示模块是数控加工仿真系统的基础，它为用户提供了数控加工仿真环 境。在开始进行数控加工过程仿真前，把所需的有关实体，如刀具、毛坯、机床等以 图形的方式显示出来，以便加工过程仿真器的调用。 n c 指令翻译器能对数控代码进行语法错误检查和翻译，并将其转换为刀位数据。 加工过程仿真器能根据n c 指令翻译器提供的刀位数据来驱动刀具运动。在驱动 刀具运动的同时，还需要动态地对刀具与毛坯轮廓的干涉，刀具与夹具、机床、工件 之间的运动碰撞及不适当的加工参数、刀具磨损等进行检查，以生成相应的零件成形 动画与仿真报告。 一个完备的虚拟加工系统应该具备以下功能【5 】： ( 1 ) 利用图形仿真技术全面逼真地反映显示加工环境和加工过程。在仿真中， 可以直观地观察全部加工过程，包括工件的装夹定位、机床调整、切削、检验等。 ( 2 ) 可以真实描述加工过程中的物理效应，例如：切削中的应力与温度，工件 及工夹具的变形，甚至磨削过程中单个磨粒的微观表现。 ( 3 ) 能对加工过程中出现的碰撞、干涉进行检测，并提供报警信息。 ( 4 ) 能对工夹具的使用性能给予评价，并对产品可加工性和工艺规程的合理性 进行评定。 ( 5 ) 可以对加工精度、加工时间进行精确的估计，为宏观仿真提供数据支持。 2 虚拟数控车削加工系统关键技术研究第1 章绪论 1 2 虚拟加工技术的国内外发展现状 国外很早就开始对虚拟加工技术进行研究，k a w a b e 等人最早利用刀具轨迹，采 用边界表示法来获取刀具加工零件的框架图。因为该方法简单，容易实现，所以被早 期大多数的c a d c a m 系统所采用，但是，因为工件形状越来越复杂，刀具轨迹包 含的信息量也越来越多，导致图形形状混乱不清，于是研究开始向三维实体仿真算法 方向发展，如：a n d e r s o n 研究了三维碰撞检验算法，c a p p e l 给出了利用向量来分析 切削过程的算法，s u n g u r t l d n 等提出了特定造型设备上的数控仿真系统，k k w a n g 研究了基于布尔运算的n c 检验系统，j h c l i v e r 提出了直接尺寸检验方法等【刀。目前， 国外的数控代码检验系统已经发展到了实用化、商品化的阶段，且配有单独的数控加 工仿真软件包。比如p t c 公司的p r o e 软件在数控加工的功能上提供多重走刀方法， 对选择加工路径、干涉检验、加工时刀具的进退方式，多曲面加工、刀具选择、毛坯 材料、测量、通用后置处理等方法都提供了很强的功能。 国内在这一领域的研究工作开展的较晚，但目前在数控加工仿真教学培训平台的 研究开发上也取得了很大的进展。例如南京宇航9 1 、上海宇龙1 0 1 、广州红地【1 1 1 、广州 超软 1 2 】等数控机床仿真系统，在很多职业类学校都得到了应用，对提高数控教学质量 起到了积极的促进作用。这些系统不仅能用于评估产品设计的可行性和n c 程序的可 靠性，也能为数控设备的使用和n c 程序的编制提供一个低成本的培训环境。 从仿真图形的可视化角度看，数控仿真的图形显示已经从线框显示发展到了真实 感图形显示。早期的数控加工编程系统中，只是将刀位数据的线框图形显示出来，判 断刀位轨迹是否连续，检查刀位计算是否正确。进入二十世纪9 0 年代，随着微机性 能的提高，国内外相继出现了微机版的数控仿真软件如v e f i c u t 和ns e e 2 0 0 0 等。其 功能全面，真实感图形显示的效果也较好，可以显示快速移动的刀具的真实感图形和 清晰的切削残留刀痕。国内关于真实感图形显示的数控加工仿真系统的研究也比较 多，南京航空航天大学的基于a c i s 几何引擎开发的s u p e r m a n c a d c a m 2 0 0 0 数控仿 真系统就是典型代表 1 3 1 引。大连交通大学在基于v r m l 的数控车肖4 加工全景仿真技 术的研究上也取得了很大进展f 1 9 2 0 】，其可以有效地对加工切屑进行动态仿真。 一- 总之，目前我国的虚拟加工系统无论在功能，可靠性，还是在加工仿真的效果上 都不及国外的同类软件，还没有真正形成自己特色的工程化、商业化的软件系统。但 3 第l 章绪论虚拟数控车削加工系统关键技术研究 是多数国外大牌软件也存在着价格昂贵，性价比过高，对运行环境要求高，不符合国 内用户的操作习惯等缺点。因此，进一步研究虚拟加工的关键技术，不断提高国产虚 拟加工系统平台的性能是非常有必要的。 1 3 虚拟车削加工系统v 1 0 简介 虚拟车削加工系统v 1 0 是由苏州大学机电工程学院c i m s 实验室于2 0 0 6 年5 月 开发完成的虚拟车削加工原型系统【。 1 3 1 系统设计原则 由于虚拟加工系统的开发涉及内容广泛，而且要形成商品化的软件也需要多年研 究成果的积累，因此在系统设计之初就要考虑到以后的不断发展完善。在该系统设计 时考虑了以下设计原则： ( 1 ) 实用性：要求有较高的性能价格比，用户界面直观、友好，只需要简单培 训即可上手；软件适用范围广，不仅能进行数控教学，又能用于实际生产。 ( 2 ) 先进性：在系统设计开发时采用先进的技术手段，并借鉴现有研究成果。 ( 3 ) 可扩充性：使软件模块相互独立，方便进一步开发。 ( 4 ) 可移植性：尽量减少对硬件依赖，采用通用图形库进行图形开发。 ( 5 ) 可靠性：能系统检验数控代码错误，真实进行图形仿真。 1 3 2 系统任务 ( 1 ) 运用现代软件工程方法完成对虚拟数控车削加工系统的总体分析和框架设 计，开发了简洁、友好的用户界面。 ( 2 ) 分析数控语言结构，借鉴一般计算机高级语言编译技术，对数控程序进行 词法分析、语法分析、语义分析，系统地完成对数控代码错误的检验。 ( 3 ) 采用代码驱动的方式，开发出基于多线程技术的数控加工过程仿真模块， 能够对数控程序进行加工动画仿真。 ( 4 ) 开发出基于r s 2 3 2 c 的串1 2 1 通信模块，能够实现该系统与实际机床的通信。 ( 5 ) 开发帮助模块，对该系统现有功能和使用方法做出说明。 1 3 3 系统功能 该系统具备以下的基本功能： 4 虚拟数控车削加工系统关键技术研究 第1 章绪论 ( 1 ) 数控程序编辑功能：实现文本编辑，具备一般编辑器打开、新建、保存、 另存为、复制、粘贴、剪切、撤消等功能。 ( 2 ) 数控程序翻译功能：对数控程序进行检验，通过词法分析、语法分析、语 义分析达到系统检查数控程序中各种错误的功能。 ( 3 ) 加工过程仿真功能：由代码驱动仿真加工过程的实现。构建了数控程序执 行机制，从数控程序中提取指令及相应参数，然后实时改变毛坯模型，实现了加工过 程的动画仿真。 ( 4 ) 机床通信功能：实现该系统与数控机床的串口通信功能，把经过仿真检验 的数控程序传输到数控机床上，从而实现与实际加工系统的集成。 虚拟车削加工系统v 1 0 的总体流程结构如图1 2 所示： 图1 - 2 虚拟车削加工系统v 1 0 总流程结构 综上所述，虚拟车削加工系统v 1 0 的主要任务是通过总体分析，运用软件工程 的方法建立一个虚拟车削加工的开发平台，为今后的进一步研究打下基础。 1 4 课题来源、研究内容及意义 1 4 1 课题来源 本课题来源于江苏省教育厅自然科学基金项i | ( 0 4 k j d 4 6 0 1 6 2 ) “适应性的人机一体 化制造单元计算机控制技术的研究”，虚拟加工系统的研制是该项目的重要组成部分。 5 第1 章绪论 虚拟数控车削加工系统关键技术研究 1 4 2 本课题研究内容 ( 1 ) 通过对几何造型理论的研究，实现系统平台的三维几何造型功能。 ( 2 ) 对虚拟加工中的各种建模技术进行研究，以苏州大学工程训练中心的c y n c - - 4 0 0 数控机床为原型建造虚拟加工三维场景。对数控插补技术和计算机动画技术进 行研究，构建虚拟机床的运动控制模型，实现加工过程的三维动画仿真。 ( 3 ) 对碰撞和干涉检验技术进行研究，实现对碰撞和干涉的图形检验和报告生 成，为进一步完善数控程序提供依据。 ( 4 ) 针对目前虚拟加工研究中对虚拟零件管理研究的不足，开发虚拟零件库， 使虚拟零件资源得到更加合理的应用。 ( 5 ) 对虚拟加工中的物理仿真技术进行深入分析，建立适合的物理仿真模型， 实现系统的物理仿真功能。 ( 6 ) 将所有研究成果集成为虚拟数控车削加工系统v 2 0 ，为数控教学培训和今 后的进一步研究提供平台。 1 4 3 本课题研究的意义 ( 1 ) 制造类企业生产实践的需求 目前数控机床已经在制造业中得到广泛应用，但实际加工过程中在正式加工之前 一般要进行试切，不仅费工费时，而且安全性也难以保证。为降低产品制造成本，增 加产品竞争力，需要对数控加工过程进行仿真，以虚拟加工的形式在计算机上完成对 数控程序的检验，从而替代或减少实际的试切工作。 ( 2 ) 数控机床用户培训及数控类课程教学的需要 厂家对数控机床用户进行培训一般使用实际机床进行，在初期培训阶段存在着成 本高、效率低的特点，如果先在计算机上使用仿真软件进行培训，再操作实际机床， 则可以达到更好效果。在数控机床课程的教学中，仅靠传统理论教学手段学生难以理 解数控程序指令，但由于购买数控机床需要大量资金，且占用场地大，使用费用高， 给众多院校的数控教学带来困难。而对数控加工过程进行仿真，能以虚拟加工的形式 加深学生的理解，大大提高教学效果。 ( 3 ) 为今后虚拟加工系统的进一步发展打下基础 虚拟加工系统的发展是个逐步提高的过程，正如虚拟车削加工系统v 1 0 为本系统 的开发提供了基础一样，本系统也为今后虚拟加工系统的进一步发展打下了坚实的基础。 虚拟数控车削加工系统关键技术研究 第2 章几何造型 2 1 几何造型概述 第2 章几何造型 k 1 w a t a l 2 3 1 将建模和仿真列为虚拟制造的两大关键技术。随着虚拟制造研究的深 入和相关技术的发展，数据、资源信息的转换，传输以及集成技术也成为虚拟制造技 术中的关键技术，但上述技术的发展又依赖于建模技术，而且仿真也是建立在建模技 术的基础之上。总的来说，建模技术始终是虚拟制造各领域技术发展的一个瓶颈技术。 虚拟数控加工的几何建模是虚拟数控加工过程动态仿真的基础，也是物理仿真的必要 条件。 计算机对形体信息的描述方法简称为造型技术。造型技术主要由形状表达和形状 操作两个部分组成。形状表达的任务是将形状的结构用数据结构模拟出来，这种描述 形状的数据结构称为模型。形状操作的任务是实现对模型的生成、修改、综合、分析、 计算、显示等操作，以便完成设计过程中的造型任务。按照几何建模的发展历程，可 将几何模型分为线框模型、表面模型和实体模型三种类型。 2 1 1 线框模型 线框模型是利用基本线素来定义设计目标的棱线部分而构成的立体框架。用这 种方法生成的零件外形是由一系列的直线、圆弧、点及自由曲线组成的。线框模型 的数据结构是表结构。在计算机内部，存储的是该物体的顶点及棱线信息，将实体 的几何信息和拓扑信息层次清楚地记录在顶点表及边表中，构成了物体线框模型的 全部信息。 采用线框模型的描述方法所需信息最少，数据运算简单，所占的存储空间也比较 少，另外，这种建模方法对硬件要求不高，容易掌握，处理时间较短。但是，线框模 型也有局限性。一方面，线框模型的数据模型规定了各条边的两个顶点以及各个顶点 的坐标，这对于由平面构成的物体来说，轮廓线与棱线一致，能够比较清楚地反映物 体的真实形状，但是对于曲面体，仅表示物体的棱边就不够准确了。另一方面，线框 模型只有离散的边，没有边与边的关系，即没有构成面的信息，由于信息表达不完整， 在许多情况下，会对物体形状的判断产生多义性。 第2 章几何造型 虚拟数控车削加工系统关键技术研究 2 1 2 表面模型 表面模型是通过对实体的各个表面或曲面进行描述从而构成实体的一种建模方 法。建模时，先将复杂的外表面分解成若干个组成面，然后定义出一块块的基本面素， 基本面素可以是平面或二次曲面，通过多个面素的连接构成了组成面，各组成面的拼 接就是所构成的模型。在计算机内部，表面模型的数据结构仍是表结构，除了给出顶 点表和边表之外，还提供了面表。 由于增加了面的信息，表面模型克服了线框模型的缺点，能够比较完整地定义三 维立体的表面，所能描述的零件范围广。它的局限性在于无法表示零件的立体属性， 这样会给物体的质量特性分析带来问题。 2 1 3 实体模型 实体建模通过定义基本体素，利用体素的集合运算或基本变形操作实现。其特点 在于覆盖三维立体的表面与其实体同时生成。由于实体模型能定义三维物体的内部结 构形状，因此，能完整地描述物体的所有几何信息。 三维实体模型的计算机内部表示方法有很多，并且正向多重模式发展。常见的有 边界表示法、体素构造法、混合表示法、空间单元法等。 ( 1 ) 边界表示法( b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ) 边界表示法简称为b - - r e p 法，它的基本思想是，一个形体可以通过包容它的面 来表示，而每一个面又可以用构成此面的边描述，边通过点，点通过三个坐标值来定 义。如图2 - - 1 所示的物体，将其按照实体、面、边、顶点描述，在计算机内部就存 储了这种网状数据结构。 v 1 实体 面表 边表 点表 坐标 【x 1 v 3 图2 1 边界表示法的数据结构 8 虚拟数控车削加工系统关键技术研究第2 章几何造型 边界表示法强调实体外表的细节，详细记录了构成物体的各个元素之间的连接关 系，即拓扑信息，将面、边界、顶点的信息分层记录，建立层与层之间的联系。这在 数据管理上易于实现，也便于系统直接存取组成实体的各几何元素的具体参数。缺点 在于，由于它的核心是面，对几何物体的整体的描述能力相对较差，无法提供关于实 体生成过程的信息。 ( 2 ) 体素构造法( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 体素构造法简称c s g 法，这是一种用简单的体素拼合复杂实体的描述方法。任 何复杂的实体都可以由某些简单的体素加以组合来表示。通过描述基本体素( 球、柱、 棱锥等) 和它们的集合运算( 交、并、差) 来构造实体，如图2 2 所示。这种方法 的数据结构是树状结构。 图2 2c s g 结构 c s g 法与b - - r e p 法的主要区别在于：c s g 法对物体模型的描述与该物体的生 成顺序密切相关，而且构成的数据模型比较简单，每个基本体素无需再分解，而是将 体素直接存储在数据结构中。另外，采用c s g 法可以方便地实现对实体的局部修改， 例如在原物体上倒角、倒圆等。 这种方法简洁，生成速度快，处理方便，无冗余信息，而且能详细地记录构成实 体的原始特征及参数。但是由于信息简单，这种数据结构无法存储物体最终的详细信 息，例如边界、顶点的信息等。 ( 3 ) 混合模型( h y b r i dm o d e l ) 混合模型建立在边界表示法与体素构造法的基础上，将两者结合起来，共同表示 9 第2 章几何造型 虚拟数控车削加工系统关键技术研究 实体。 从上述讨论可知，b - - r e p 法侧重面、边界，它存储了物体的详细几何信息，可 以较快地生成线框模型或面模型。c s g 法强调过程，在整体形状定义方面精确、严 格，但不具备构成物体的各个面、边界、点的拓扑关系，其数据结构简单，在存储的 数据量和程序量方面均比b - - r e p 法简洁。人们在实践中总结出b - - r e p 法和c s g 法 各自的特点，在系统中采用混合方法对物体进行描述。以c s g 法为系统外部模型， 以b - - r e p 法为内部模型，c s g 法适于做用户接e l ，定义体素及确定集合运算类型， 在计算机内部转化为b r e p 的数据，以存储物体更详细的信息。混合模型是在c s g 基础上的逻辑扩展，起主导作用的是c s g 结构，结合b - - r e p 的优点，可以完整地 表达物体的几何、拓扑信息，便于构造零件模型。 ( 4 ) 空间单元表示法 空间单元表示法也叫分割法，基本思想是将一个三维实体有规律地分割为有限个 单元，这些单元均为具有一定大小的立方体，在计算机内部通过定义各单元的位置是 否填充来建立整个实体的数据结构。这种数据结构通常是四叉树或八叉树，如图2 3 所示。图中带有阴影的圆圈表示该立方体微元没有充满形体还需要继续离散，实心 的则表示已经充满，空心则表示没有实体。四叉树常用做二维物体描述，对三维物体 则采用八叉树。 空间单元表示法是一种数字化的近似表示，用来描述比较复杂的，尤其是内部有 孔或具有凸凹等不规则表面的实体。所分割单元的大小、数量均影响实体模型的精度， 数目越多，精度越高，相应的系统处理数据的时间越长，存储这些数据所占的空间也 越大。 图2 3 三维实体的八叉树描述 1 0 虚拟数控车削加工系统关键技术研究第2 章几何造型 2 2 解决几何造型问题的方法及其比较 通过对当前几何造型问题的广泛和深入的研究，本文总结出以下4 种解决几何造 型问题的常用方法。 ( 1 ) 二次开发 二次开发是目前使用最为广泛的方法。由于近年来c a d c a m 技术的不断普及 和发展，大量成熟的c a d c a m 软件的进入，越来越多的虚拟加工平台建立在这些 软件提供的二次开发平台之上，比如p r o e n g i n e e r 的p r o t o o l k i t 。其主要的优点是这 些软件已经提供了一套成熟和完备的二次开发接口，所有底层建模处理的工作都可通 过二次开发接口调用现有模块实现，大大简化了建模的步骤，且模型已具备参数化和 全相关性的特点，质量较高，开发速度快，经济方便。其最大的缺点是需要调用软件 的重要基础模块，所以开发出来的平台必须附属于原有软件，不能独立运行，移植性 很差，而且由于对重要的基础底层模块缺乏详细了解，不能进行更深入的研究和开发。 ( 2 ) 三维几何造型引擎 三维几何造型引擎是c a d c a m 软件的图形核心，是具有开放式软件体系结构 的实体造型软件开发平台。这些平台包括a c i s 、p a r a s o l i d 、c a s c a d e ，p e l o u s 、 d e s i g n b a s e 等。其最大的特点是采用面向对象的数据结构，全部内容均由c + + 语 言编写，由一系列c + + 类和函数组成，程序员在开发自己的应用系统时可以通过调用 这些类和函数来获得强大的几何造型功能，而且提供统一的数据结构，同时支持线框、 曲面、实体三种模型并允许它们共存。采用这种开发方式的主要优点是比二次开发更 深入核心层，功能强大，开发周期短，移植性较好。其主要缺点是价格昂贵，难以获 得。 ( 3 ) 底层直接造型 这种方法是利用几何造型的相关理论，设计出完备的数据结构，并直接通过底层 程序实现。这种开发方式的优点是具有完全的自主知识产权，不依赖于任何母环境， 独立性最强，移植性最好。缺点是所有工作都必须完全从底层做起，工作量巨大，难 度巨大，其本质相当于独立开发出一个三维几何造型引擎，开发周期长，稳定性较差。 ( 4 ) 借助c a d c a m 图形交换标准 c a d c a m 之间为了交互数据的需要，制定了许多图形交换标准，从标准格式中 1 1 第2 章几何造型 虚拟数控车削加工系统关键技术研究 提取出所需的信息并进一步进行处理就是这种方法的本质。其主要优点是简化了几何 造型的步骤，可以充分利用c a d c a m 建造的几何造型。其缺点是交换标准数量多 且规定复杂，提取信息难度大且具有很大局限性。 2 3 本文采用的方案 本文在对几何造型理论进行全面研究后认为，目前本系统平台的开发性质属于第 三种模式，其对于独立性、移植性的要求最高。但是如果完全使用该种模式进行开发， 其工作量和难度都是巨大的。通过反复实验对比，本文最终确定采用一种混合模式的 方案来解决几何造型问题。 通过对虚拟加工中的几何模型进一步研究，可将其中的几何模型分为两大类。第 一类是静态模型，这里的静态是针对形状而非运动的，这种模型的特点是形状一经确 立后在随后的过程中就不再发生改变，虚拟加工中的大部分几何模型属于这一类。第 二类是动态模型，这种模型的特点是其形状在确立后还会不断地发生改变，比如加工 过程中的工件模型，其形状时刻都在发生改变。对于静态模型，其对于数据结构的要 求是较低的，而动态模型由于具有变形，要求则较高。因此对于大量的静态模型，可 采用借助c a d c a m 图形交换标准的方法来解决其几何造型问题，而对于动态模型 则采用底层直接构建的方法进行几何造型，这就是本文所采用的混合模式。 2 4 实体读取接口的开发 实体读取接口的开发是为了解决静态模型的几何造型问题，关于动态模型的建立 祥见第三章。 2 4 1 接口标准的选择 c a d c a m 交换标准众多，选择何种标准是首要的问题，对于静态模型，其形体 数据是最为重要的。 通过对于各种标准的研究可知目前在所有的交换标准中，以s t l 格式的形体表 达最为清晰。s t l 文件有a s c i i 码和二进制码两种输出形式，a s c i i 输出形式可以进 行阅读并能进行直观检查。一个典型a s c i i 码输出形式的s t l 文件部分描述示例如 下： 1 2 虚拟数控车削加工系统关键技术研究 第2 章几何造型 s o l i d0 0 1 f a c e tn o r m a l0 0 0 0 0 0 0 e + 0 0 - 1 0 0 0 0 0 0 e + 0 00 0 0 0 0 0 0 e + 0 0 o u t e rl o o p v e r r t e x 3 6 2 4 5 8 6 e + 0 10 0 0 0 0 0 0 e + 0 02 9 9 4 7 5 5 e + 0 1 v e f l e x 3 6 2 4 5 8 6 e + 0 10 0 0 0 0 0 0 e + 0 0 2 9 9 4 7 5 5 e + 0 1 v e r t e x 3 5 0 0 0 0 0 e + 0 10 0 0 0 0 0 0 e + 0 0 3 0 0 0 0 0 0 e + 0 1 e n d l o o p e n d f a c e t e n d s o l i d0 0 1 从上可以看出，该标准的优点是所有的实体的重要信息包括顶点坐标和法向量都 表达得十分完整。本文曾对s t l 格式进行过专项研究并进行了开发实验，实例演示 如图2 4 。 j 3 商盈。一确晓 o i 譬l k n i d0 0 1 | l 僻n o c m m l0o o o o o a e o a b0 0 0 0 0 0 c 4 0 9 - io o o o o o z 0 0 a u t # r l o o p v c n “35 9 5 0 0 0 e + 0 1o0 0 0 0 0 0 e o d bo o o 0 0 1 1 日d v c 嘣】6 0 5 17 0 e 0 1 0 1 8 6 5 9 e i b1 ) o o o o o e * o o v c n 一35 9 5 0 0 0 e 0 1 0o o o o o o c 口 日i ) o o o o 口0 l 。z 。n d 。l 。o 。n p l c dn ar m a l - 99 3 7 0 1 8 e - 0 1 2 0 5 6 7 e - o m0 0 0 0 0 0 c o d i 口n # r l o o p v c n 3 5 9 5 0 0 0 e