（机械制造及其自动化专业论文）无心外圆磨削仿真系统开发.pdf

摘要摘要无心外圆磨削作为一种高精度的精加工工艺方法，在机械制造领域占有重要地位。无心外圆磨削仿真是指无心外圆磨削加工过程在虚拟环境中的映射，无心外圆磨削仿真系统是虚拟制造技术的重要组成部分，对无心磨削过程进行建模仿真，可以帮助设计人员检查制造中的问题，同时找到一种便利的方法来选择最佳的加工参数，必将获得巨大的经济效益。本文首先介绍了常用的软件开发流程，结合仿真系统开发流程的特点初步建立了无心外圆切入磨削仿真系统的开发流程。对照项目要求，初步拟定了系统的目标功能。通过对系统目标功能的详细分析，确定了无一g , j b 圆磨削仿真系统的总体构架和相关模块的设计思想。随后文章重点探讨了仿真系统实现的几个关键技术。在分析了o p e n g l 三维建模的优缺点后提出了3 d s 模型在仿真系统中的应用的思想。并对3 d s 文件格式构架及3 d s模型在仿真系统中的读取与重现的具体方法进行了详细分析。在对目前主流数控仿真软件中对于工件表面三维形貌变化处理常用的三角网格离散仿真法分析的基础上结合无心外圆磨削的特点，指出了三角网格离散仿真在无心磨削应用中的不足。提出了仿真系统的动画设计思想以及利用o p e n g l 相关技术实现加工过程工件三维形貌变化的详细过程。同时又分析了布尔运算在加工过程二维动画仿真中的原理及优缺点，并在分析无心麽削加工特点的基础上，采用o p e n g l 混合技术实现了无心外圆磨削加工过程的二维动画仿真。在介绍无心磨削中工件中心高的理论计算方法的基础上提出了根据工件中心高的理论优化值计算托板高度的方法，并详细介绍了相关计算机程序的设计。同时通过计算机编程实现了在时域中表现工件真圆度的变化状态和实时的磨削力的输出。此外，文章还对工件自身存在的不平衡对于无心磨削的影响进行了相关分析。将工件的不平衡划分为轴向不平衡、径向不平衡和轴向径向同时不平衡三大类，然后分别对这三种情况进行了动力学分析，并通过m a t l a b 计算绘制了各种情况下稳定磨削区域的范围，为进一步了解无心磨削的特性提供了有益参考。仿真系统经过测试具有良好的实时性、交互性以及较为真实的三维，二维动画显示能力，基本实现了仿真系统的设计目标。关键词：无心外圆磨削：动画仿真：o p e n g l ；v c + + ：a b s t r a c ta b s t r a c ta sap r e c i s i o nm a c h i n i n gt e c h n i q u ew h i c hc a ng e th i g l lp r e c i s i o na n dl o wr o u g h n e s s ，c y l i n d r i c a lc e n t e r l e s sg r i n d i n gh a sa l li m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ef i e l do fm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g t h ec y l i n d r i c a lc e n t e r l e s sg r i n d i n gs i m u l a t i o ni n d i c a t e sam a p p i n go fc y l i n d r i c a lc e n t e r l e s sg r i n d i n gp r o c e s si nt h ev i r t u a le n v i r o n m e n t t h ec y l i n d r i c a lc e n t e r l e s sg r i n d i n gs i m u l a t i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to fv i r t u a lm a n u f a c t u r i n g t h es i m u l a t i o no fc e n t e r l e s sg r i n d i n gp r o c e s s e sc o u l dh e l pt h ed e s i g n e rt oi d e n t i f yt h ep r o b l e m s ，a n df i n dac o n v e n i e n tm e t h o df o ro p t i m a lp a r a m e t e r si nt h ep r o c e s s e so fc e n t e r l e s sg r i n d i n g ，t h e ni tw i l lm a k ee n o r m o u se c o n o m i cb e n e f i t s t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h ec o m m o n l yu s e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，s i m u l a t i o ns y s t e mc o m b i n i n gt h ef e a t u r e so ft h ed e v e l o p m e n tp r o c e s si n i t i a l l ye s t a b l i s h e dac y l i n d r i c a lc e n t e r l e s sg r i n d i n gs i m u l a t i o ns y s t e md e v e l o p m e n tp r o c e s s t h e nd e v e l o pt h eo b j e c t i v ef u n c t i o no ft h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h ep r o j e c tr e q u i r e m e n t s t h r o u g had e t a i l e da n a l y s i so ft h es y s t e mg o a l s ，d e t e r m i n et h ec y l i n d r i c a lc e n t e r l e s sg r i n d i n gs i m u l a t i o ns y s t e m t h e nt h ea r t i c l ef o c u s e so nt h es e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e su s e di ns i m u l a t i o no ft h es y s t e m a f t e ra n a l y s i so ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fo p e n g l3dm o d e l i n g ，am e t h o do fu s i n g3 d sm o d e li nt h es i m u l a t i o ns y s t e mi sp r o p o u n d e d t h ep a p e rm a k e sad e t a i la n a l y s i so f3 d sd o c u m e n tf o r m a t ，r e a d i n ga n dr e p r o d u c i n g3 d sm o d e li nt h es i m u l a t i o ns y s t e m t h ea r t i c l eu s eo p e n g l - - r e l a t e dt e c h n o l o g yt oa c h i e v ead e t a i l e dt h r e e d i m e n s i o n a ls h a p ec h a n g ep r o c e s s a l s oa n a l y z e st h et r a d i t i o n a lm e t h o db a s e do nb o o l e a nu s e di ns i m u l a t i o no fn cp r o c e s s i n ga n db r i n g sf o r w a r dam e t h o db a s e do no p e n g lb l e n d i n gi n2 ds i m u l u a t i o no fc e n t e r l e s sg r i n d i n gp r o c e s s i n g c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o dt h i sm e t h o di se a s i e rt oc a r r y i n go u ta n dc o n v e n i e n tf o rd y n a m i cs i m u l u a t i o n a f t e ra n a l y s i st h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o do ft h ec e n t r h i g h ，t h ep a p e rp r o p o s e dam e t h o do ft h eb l a d eh i g hc a l c u l a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h em e t h o do fc o m p u t e rp r o g r a m m i n gi nt h et i m ed o m a i np e r f o r m a n c eo ft h ew o r k p i e c er o u n d n e s so fr e a l - t i m ec h a n g e si ns t a t ea n dt h eg r i n d i n gf o r c eo ft h eo u t p u tw a sc a r r i e do u t i na d d i t i o n ，t h ea r t i c l ea l s om a d es o m er e l e v a n ta n a l y s i si nt h ei m b a l a n c ei nw o r k p i e c e s t h ei m b a l a n c eo fw o r k p i e c e sw a sd i v i d e di n t ou n e v e na x i a l ，r a d i a li m b a l a n c e ,r a d i a la n da x i a li m b a l a n c ea n dt h e nm a k ead y n a m i ca n a l y s i st h r o u g hm a t l a b ，i tp r o v i d e dau s e f u lr e f e r e n c e ao ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fc e n t e r l e s sg r i n d i n g t h er u n n i n gr e s u l t so fs i m u l a t i o ns y s t e mh a v es h o w nt h a ti th a sg o o dr e a l t i m ee f f e c t i v i t y ,i n t e r a c t i o na n dv i s u a l i z a t i o no f3 da n d2 da n i m a t i o n a n da c h i e v e dt h ed e s i r e do b j e c t i v e s k e y w o r d s ：c y l i n d r i c a lc e n t e r l e s sg r i n d i n g ；a n i m a t i o ns i m u l a t i o n ；o p e n g l ；v c + +独创性声明本人声明所呈交的学位论文是苯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，也不包含本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意签名：建堡坠日期：堕z 艺关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、i 1 2 编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。签名：友语状导师签名：日期：第一章绪论第一章绪论1 1 无心磨削概述及课题背景无心磨削是一种高生产效率的精密加工方法它是在无心磨床或带有无心夹具( 例如电磁无心央具) 的内，外圆磨床上进行的。因为无心磨床不需要预先加工用于支撑工件的中心孔，也能够加工中心有通孔的工件，同时工件被托板完全支撑，加工的时候弯曲小，成本低，所以一般适合用于大批量加工。由于无心磨削可以使工件获得良好的表面质量、较高的加工精度以及其较高的加工效率，因而应用广泛。目前，无心磨削被广泛应用于直径细的销类、很长的棒料、管材的加工。另外一些由于受到成本限制的零件如滚动轴承、汽车零部件等也大多采用无心磨削。但由于影响加工精度的因素众多，无心磨削过程及其复杂，至今仍未能被人们真正深入了解。长期以来对无心磨削己作了大量的研究，大多是分散地研究磨削过程中某些特定因素的影响，而且很少考虑与时间相关的动态过程的全貌比1 。在实际应用中，无心磨削的加工参数往往由磨削试验决定，成本高且要花费大量的时间。所以磨削加工在很大的程度上依赖于操作者的经验u 1 。本文则期望丌发一套无心外圆切入磨削的仿真软件，按照实际系统建立起数学模型( 通常是一些代数方程和微分方程) h 1 ，并转换成程序设计语言编写的计算机程序模型，利用计算机运行此模型来了解和预测实际系统运行的情况。相对于用实验方法研究磨削过程所耗费的大量时间和高昂的实验费用而言，用仿真方法研究无心外圆磨削过程不但省时、费用低，而且易于进行真实系统难以实现的各种试验，并可重复多次进行。“无心外圆磨削仿真系统丌发”源于日本光洋机械工业株式会社与江南大学机械工程学院合作研究的“无心磨床磨削过程模拟”项目。其意义在于：1 本课题跨越计算机仿真、机械、数学建模等多个学科，是一个多学科交叉的前沿课题，具有较高的理论研究意义。2 本系统在科研生产和教学实践中具有很强的实用性。一方面，由于磨削技术在材料加工领域的广泛应用，对磨削过程进行建模仿真，可以帮助设计人员检查制造中的问题，同时找到一种便捷方法来选择最佳的加工参数，必将获得巨大的经济效益。另一方面，采用计算机建模和仿真技术来模拟实际的加工环境，并对加工过程进行仿真分析，从而实现虚拟制造，可以帮助初学者尽快熟悉无心磨床的加工环境与真实的加工过程，缩短培训的周期，降低培训成本。1 2 研究现状概述1 2 1 虚拟仿真概述从一般意义上讲，系统仿真可以理解为对一个已经存在或尚不存在但正在开发的系统进行系统特性研究的综合科学。对于实际系统不存在或已经存在但无法在现有系统上直接进行研究的情况，只能设法构造既能反映系统特征又能符合系统研究要求的系江南大学硕士学位论文统模型，并在该系统模型上进行所关心的问题研究，揭示已有系统和未来系统的内在特性、运行规律、分系统之间的关系并预测未来。系统仿真是以建模理论、计算方法、评估理论为基本理论，以计算机技术、网络技术、图形图像技术、多媒体技术、软件工程、信息处理、自动控制及系统工程等相关技术为支撑的综合性交叉科学。仿真技术的应用一般是以仿真系统的形式来体现的曲叫3 。随着相关技术的迅猛发展，系统仿真技术的逐渐形成以下趋势：1 摒弃单专业的仿真。单一专业仿真将退出系统设计的领域，专注于单一专业技术的深入发展。作为总体优化的系统级设计分析工具，必要条件之一是跨专业多学科协同仿真。2 跟随计算技术的发展。随着计算技术在软硬件方面的发展，大型工程软件系统开始有减少模型的简化、减少模型解藕的趋势，力争从模型和算法上保证仿真的准确性。更强更优化的算法，配合专业的库，将提供大型工程对象的系统整体仿真的可能性。在高性能计算方面，将支持包括并行处理、网格计算技术和高速计算系统等技术。3 平台化。要求仿真工具能够提供建模、运算、数据处理( 包括二次开发后的集成和封装) 、数据传递等全部仿真工作流程要求的功能，并且通过数据流集成在更大的p d m p l m 平台上。同时，在时间尺度上支持全开发流程的仿真要求，在空间尺度上支持不同丌发团队甚至是交叉型组织架构间的协同工作以及数据的管理。4 整合和细分市场。将出现主流的标准工具。其特征是功能涵盖了现代工业领域的主要系统仿真需求，并与其他主流软件工具通过接口或后台关系数据库级别的数据交互，有协同工作的能力；软件自身的技术进展迅速，具有强大的发展后劲。专业化：随着市场需求的细分，走专业化道路，将出现极专业的工具。这些工具将在某些具体的专业领域提供深入研究的特殊支持，如开发特殊的库或模型，专注于具有鲜明行业特征的技术，满足特殊的行业标准。将出现整合型工具和专业化工具互补的局面。5 智能化。将引进更加友好的操作界面，智能化的求解器及模型管理。不断改进g u i ，让软件使用者直接体验到数值计算专家开发的后台工具提供的强大功能，同时减少软件学习和使用的困难。提供易学易用的强大工具。在技术更新速度加快的新形势下，制造业的经营战略发生了很大变化。如何在最短的时间内，以最经济的手段开发出用户能够接受的产品，已成为今天市场竞争的焦点。基于仿真技术的虚拟制造是解决这个焦点问题的有效技术途径。虚拟制造是采用建模技术在计算机及高速网络支持下，在计算机群组协同工作下，通过三维模型及动画实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验以及企业各级过程的管理与控制的仿真产品制造过程。虚拟制造是对已有的或未来的制造活动进行的仿真过程，所进行的过程是仿真的，所生产的产品也是仿真的。仿真技术必将在制造企业中发挥重要的作用。1 2 2 国内磨削仿真相关研究现状洛刚工学院机电工程系的夏新涛提出了工件运动稳定性的概念揭示了无心磨削的力学实质，且在哈尔滨轴承厂进行的用硬砂轮无心磨削的试验，对工件的运动稳定性理2第一章绪论论给予了很好的验证与应用引。广西大学梁式提出了一种可模拟外圆切入磨削过程的计算机仿真系统并且在大量试验数据基础上建立的仿真模型，但是由于磨削过程过于复杂，仿真模型只能近似描述，仿真结果也只是近似值，尚不能完全准确地反映真实磨削过程瞄。吉林大学王龙山，李国发建立了依赖于时间变化的描述磨削过程的各个数学模型，提供了一种计算机仿真程序。通过计算机模拟，可以预测和估计磨削行为和磨削质量，并为磨削过程优化、智能控制、虚拟磨削创造了必要的前提条件。试验结果和仿真结果具有良好的一致性u 。东北大学已经研究了虚拟磨床的建模与仿真，通过v c 抖下直接调用o p e n g l 函数建立了普通外圆磨床的仿真环境，通过选择和反馈实现虚拟磨床的各项功能，同时对运动各部件碰撞和干涉加以检测。此虚拟磨床仿真系统不仅可用于磨工操作培训，也为虚拟技术在机械工程中的应用做了些基础性的研究工作。1 2 3 国外磨削仿真相关研究现状印度学者s s p a n d e 从几何学角度对无心切入磨削的过程建立了理想化模型，然后通过计算机仿真，以加工工件的真圆度误差最小为目标，建立了工件转速，托板角度的相对关系。在建立模型的过程中，s s p a n d e 提出了几个假设，假设是稳态磨削过程，不考虑颤振的影响，不考虑工件在轴向方向的倾斜，在磨削工程中，工件的半径是持续稳定的，不考磨削过程中热变形对于磨削的影响u 制。美国学者s m a l k i n 教授在磨削仿真领域进行了深入的研究，并丌发出了实用的磨削加工软件包( g r i n d s i m ) ，已应用于汽车和轴承行业，而且仿真软件已被集成进了p c 开放体系控制器，作为智能磨削系统的基础n 1 。g r i n d s i m 主要有三个模块：仿真、校准和优化。仿真模块作为一个虚拟磨床来预测磨削过程和零件质量。校准模块通过实测参数如功率、表面粗糙度和椭圆度等对模型的系数进行校正，从而对实际磨削特性进行学习。优化模块是以最小化周期时间为目标来确定磨削和修整参数。磨削模型分为能量、力和功率，磨平面积，温度模型，表面粗糙度和椭圆度五个部分，每个部分以不同的物理或经验模型的形式，得出数学表达式，通过五部分相互之间的作用关系，来模拟实际磨削过程。德国学者通过运动学仿真来分析和预测磨削加工过程。利用砂轮和工件的宏观及微观三维几何模型，以及描述砂轮和工件相对运动下的数学模型，磨削过程可以被看成是多磨粒的累积切削。开发的仿真软件可以形成任意的砂轮形貌来模拟实际砂轮表面状态，考虑了磨削弧区的热机械动态效果，软件能分析和预测磨削效果以及在不同磨削技术下的加工结果u 。1 。1 3 主要研究内容及相关工作本论文研究的内容是结合无锡光洋机械工业株式会社无心磨床成圆过程模拟项目进行的，项目旨在开发一套无心磨削( 外圆切入磨) 成圆过程模拟软件。针对无心磨床成网过程模拟项目及目前国内外研究现状，本文主要研究内容如下：3江南大学硕士学位论文1 3 d s 格式模型在仿真系统中的读取与重现；2 无心外圆磨削的加工过程二维和三维的动画设计；3 无心磨削托板高度的计算机辅助计算；4 无心磨削过程中的磨削力和工件真圆度的计算机辅助计算；5 工件自身不平衡对无心磨削的影响。根据研究内容，本文共分六章进行相关介绍。第一章首先阐述了论文研究的背景以国内外磨削过程仿真的发展现状，结合无锡光洋机械工业株式会社无心磨床成圆过程模拟项目，提出了本课题的研究内容、意义及目标。第二章详细分析了系统目标功能，并根据系统目标功能制定了系统的总体构架。第三章根据制定的系统构架和通过对相关数控仿真系统的调研确定了系统的开发平台并对开发平台和主要技术进行了基础介绍，随后详细介绍了3 d s 模型文件在仿真软件中的读取与重现。第四章通过分析数控加工过程常用的三角网格离散法并结合无心磨削的特点，提出了无心磨外圆磨削加工过程的动画设计，包括无心外圆切入磨削的三维动画设计、无心外圆通过磨削的三维动画设计和无心外圆磨削的二维动画设计。第五章通过对无心外圆磨削的相关研究，实现了无心磨削托板优化高度的计算机辅助计算，为快速调整无心磨削参数提供了可能。另外通过对无心外圆磨削的理论分析，实现了无心磨削过程中的磨削力和工件真圆度的计算机辅助计算。第六章对工件自身不平衡在加工过程中进行了相关分析，通过m a t l a b 建模分析了工件自身不平衡对无心外圆磨削的影响，为进一步深入了解无心外圆磨削机理提供了相关参考。4第二章仿真系统的整体设计第二章仿真系统的整体设计研究开发一套软件系统是一个复杂的过程，其开发过程必须遵循软件生产的规律，在软件工程中通常将软件看成是一种需要进行计划、分析、设计、实现、测试和维护的工程性产品。通过综合运用数学、物理、哲学、计算机科学、系统工程学、电子工程等学科的知识来实现最终的产品n 们。软件设计在总体设计阶段主要包括四个方面的内容：1 通过需求分析确定系统的目标功能：2 进行系统总体构架设计；3 选择开发环境，包括硬件环境和软件环境。2 1 系统目标功能根据项目要求，无心外圆磨削仿真系统应能够应用与企业的生产实际，可以模拟无心外圆磨削的加工过程。通过工件真圆度的变化情况来检验零件设计的正确性、工艺规程的有效性，从而缩短零件从设计到加工的时间，提高零件加工的质量，减少制造成本。基于以上的需求分析，本无心外圆磨削仿真系统的目标功能可以规定如下：一1 加工环境和加工任务的定义，包括模拟参数输入的人机交互；2 加工过程的三维和二维的动画显示；3 磨削结果的输出，包括磨削力和工件真圆度的实时显示。，2 2 系统总体构架通过对系统目标功能的分析，这里将无心外圆磨削仿真系统分为五大模块，如图2 1图2 - 1 仿真系统模块图所示，整个仿真系统大致可分为：1 模型载入模块：依据项目要求，仿真软件需要在三维动画中显示出机床本体。本模块即用于载入磨床模型，通过该模块可以有效降低三维模型建立的难度，为以后进一步扩展软件使用范围提供了易用接口。考虑到无心磨床一般由若干个功能部件组成。江南大学硕士学位论文主要包括砂轮，托板，导轮，工作台，主轴电机，电气系统等，部件之间相互联系，通过相应控制系统来控制整个机床的运行轨迹。所以采用目前数控仿真系统应用较多的一种建模方法：构造实体几何法c s g ( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 的建模思想哪。，采用层次化、结构化的建模方法。其思路是：以实际磨床为对象，以加工过程几何仿真为目的，忽略实际磨床的一些力学性质，部件内部结构细节，机床内部传动装置以及伺服装置等。对机床几何结构层层细分，并对部件形体按照相似性规则进行简化处理( 主要是在不影响部件位置关系、运动关系的前提下，针对一些复杂造型进行形状简化) 逐步构建无心磨床本体模型，从而将磨床整体的复杂建模过程转换为简单形体建模活动的组合。其中，有一些与仿真无关的部件，如电气系统和液压系统等，在计算机仿真模型中可以不予考虑，以简化仿真模型。2 参数输入及预处理模块：依据项目要求，仿真软件需要提供模拟参数的人机交互输入界面。本模块即用于各种加工参数的输入并根据各模块的具体要求进行相关数据的预处理，以方便计算模块的计算，提高系统的整体性能。根据现场对无心磨削加工过程的调研，为了方便操作员的使用，如图2 2 所示，本系统将模拟参数输入大致分为供选择类和输入类两种图中方块所示的参数部分均为直接输入部分，而圆圈部分则为可供选择部分。图2 - 2 仿真系统模拟参数输入部分结构3 数学模型计算模块：这是评价仿真系统是否符合实际磨削过程的一个重要标准。本模块是将丌发小组提供的无心磨削的相关数学模型转换为计算机程序语言，实现对输入参数的计算和结果的输出。由于仿真系统是利用数需模型来代替实际系统进行实验的，数学模型与实际系统之问总是存在差异的，如何保证两者之间的差异在一定的范围内是系统的可靠性问题，如果不能实现系统仿真的准确性，那么系统的设计就是失败的。对于本系统，其可靠性表现在仿真的动态画面、仿真的图形与设计的一致等。图2 3 所示是系统建模的开发流程图，只有通过不断的校验，反复的修i f 系统的数学模型，彳能提6第二章仿真系统的整体设计高系统的可靠性。图2 - 3 仿真系统建模流程图4 数值结果输出模块：根据项目要求，仿真软件中需要有磨削负荷随加工时间变化的曲线和任意时刻真圆度形状示意图等模拟结果的输出。本模块即是将数学模型计算模块计算的结果以曲线和图形的形式呈现。5 动画显示模块：根据项目要求，仿真软件必须实现无心磨床成圆过程的二维，三维动画仿真，本模块即用来实现无心外圆磨削的加工动画过程，由于无心磨削的特殊性，如何表现加工过程中工件几何形貌的变化显得尤为重要。通过对五个模块的详细分析，本文提出的无心外圆磨削仿真系统的构架如图2 4 所示。7江南大学硕士学位论文图2 - 4 无心外圆磨削仿真系统结构图这里将无心外圆磨削仿真系统主要分为加工环境、加工过程、数学模型计算和磨削数据显示四大部分。其中无心外圆磨削加工环境大致包括五个方面，分别为无心磨床床身模块，砂轮模块，导轮模块，托板模块，工件模块等，同时将无心外圆磨削的加工过程也分为三个部分，分别为三维总体动画模块( 包括床身) ，三维工件动画模块，二维动画模块。由于影响无心磨削的相关数据较多，用来描述加工过程的数学模型极其复杂，所以计算效率低下。考虑到加工过程中的动画效果需要耗费一定的系统资源，所以将磨削数据计算和显示模块独立出来，这样可以有效的减少系统开销，提高仿真系统的整体性能。另外参照项目的要求并结合实际加工过程中无心磨削的加工操作顺序，系统的功能设置如图2 5 所示8第二章仿真系统的整体设计图2 - 5 仿真系统功能设置图系统设计时考虑先进行相关的无心磨削参数设置，为了方便操作者，砂轮、导轮、工件、磨削液部分都设置有默认的参数，可以选择修改或者直接采用默认方式，以减少操作环节。其中，由于托板的设置是由砂轮导轮和工件的位置关系决定的，所以将托板的设置放在砂轮，导轮和工件的设置之后，便于托板高度的计算。2 3 系统开发平台介绍由于目前尚未有专门针对无心外圆切入磨削开发的仿真系统软件的实例，因此无从进行对比参考。鉴于无心外圆切入磨削仿真系统也隶属于数控仿真系统，所以笔者对市场上常见的几种数控仿真软件进行了相关调研，通过对斯沃数控、华中数控、斐那克数控、宇航数控、宇龙数控以及m t s 数控仿真系统的调研并结合对相关仿真系统开发文献的大量分析曙1 一。“，本仿真系统决定在o p e n g l ( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 的基础上，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 + + 6 0 为开发工具，采用面向对象的编程技术进行开发。2 3 1m f c 简介m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s sl i b r a r y ) 中的各种类结合起来构成了一个应用程序框架，它的目的就是让程序员在此基础上来建立w i n d o w s 下的应用程序，这是种相对s d k 来说更为简单的方法。因为总体上，m f c 框架定义了应用程序的轮廓，并提供了用户接口的标准实现方法，程序员所要做的就是通过预定义的接口把具体应用程序特有的东西填入这个轮廓。m i c r o s o f tv i s u a lc + + 提供了相应的工具来完成这个工作：a p p w i z a r d 可以用来生成初步的框架文件( 代码和资源等) ；资源编辑器用于帮助直观江南大学硕士学位论文地设计用户接口；c l a s sw i z a r d 用来协助添加代码到框架文件；最后，编译，则通过类库实现了应用程序特定的逻辑。m f c 实现了对应用程序概念的封装，把类、类的继承、动态约束、类的关系和相互作用等封装起来。这样封装的结果对程序员来说，是一套开发模板( 或者说模式) 。针对不同的应用和目的，程序员采用不同的模板。这些模板都采用了以文档一视为中心的思想，每一个模板都包含一组特定的类瞄驯。2 3 2m f c 文档视图结构使用m f c 可以很简单的构造应用程序的框架，其中文档视图结构在程序开发中应用最为广泛。在文档视图结构里，文档是一个应用程序数据基本元素的集合，它构成应用程序所使用的数据单元；另外它还提供了管理和维护数据的手段例。视图是数据的用户窗口，为用户提供了文档的可视的数据显示，它把文档的部分或全部内容在窗口中显示出来。视图还给用户提供了一个与文档中的数据交互的界面，它把用户的输入转化为对文档中数据的操作。每个文档都会有一个或多个视图显示，一个文档可以有多个不同的视图。m f c 的文档视图结构机制把数据同它的显示以及用户对数据的操作分离开来。所有对数据的修改由文档对象来完成。视图通过调用这个对象的方法来访问和更新数据。在本文设计的仿真系统中，由于三个视图是从不同的角度展现无心磨削的过程的变化情况，所以我们采用的是单文档多视图的结构方式。这样做使得整个系统的构架较为清晰明了，对于数据的修改可以方便的在文档对象中完成，而视图要做的仅仅是通过访问文档对象来更新数据。2 4 系统图形支撑o p e n g l 介绍由于本系统的所要实现的磨削过程的三维和二维动画效果的工作是在o p e n g l 的基础上实现的，所有有必要对o p e n g l 做个较为简单的介绍。2 4 10 p e n o l 基础o p e n g lh p 4 川( 即开放性图形库) 是近来发展起来的一个性能卓越的三维图形标准。通过o p e n g l 技术人员可以创建交互式应用程序，实现具有逼真效果的三维图形图像，从而在要求高度模拟真实世界的诸多领域中大显身手。o p e n g l 的图形库除了提供基本的几何要素( 点、线、多边形) 的绘制函数外，也提供了绘制规则的二次曲面( 如球、锥、多面体等) 以及复杂曲线曲面( 如b e z i e r ，n u r b s 等)的绘制函数，在此基础上可以搭建起复杂的三维模型，并可以设置光照模型及材质属性以生成更逼真的图像。o p e n g l 带有图形消隐功能，利用z 缓存( zb u f f e r ) 技术进行深度测试，实现曲面消隐，增强图形的真实感。此外o p e n g l 还具有颜色、位图、纹理、混合、反走样等一系列特殊处理功能，使仿真环境更真实。o p e n g l 的应用使仿真系统的编程量减少，开发者无须掌握大量的图形学知识，而可以集中精力研究困难的算法问题，1 0第二章仿真系统的整体设计减少了开发工作量1 。2 4 20 p o n g l 基本操作o p e n g l 作为一个性能优越的图形应用程序设计接v l ( a p i ) l 4 4 j ) 具有广泛的可移植性，它独立于硬件系统、操作系统和窗口系统。由于o p e n g l 能实现高性能的三维图形功能，这是的科学计算可视化、仿真可视化技术发展迅速。可视化系统不仅可以帮助技术人员形象直观地查看仿真结果，而且在一定程度上可以提高设计水平，减少错误的发生。o p e n o l 提供了以下基本操作：绘制物体、变换、光照处理、着色、反走样、融合、雾化、位图和图像、纹理映射、双缓存动画等。o p e n g l 并没有提供三维模型的高级命令，它也是通过基本的基和图元( 点、线及多边形) 来建立三维模型的。目前，有许多优秀的三维图形软件( 如3 d s m a x ) 可以较方便地建立物体模型，但又难以对建立的模型进行控制，若把这些模型转化为o p e n g l 程序，则可随心所欲地控制这些模型来制作三维动画，实现仿真数据的可视化和虚拟现实。2 5 本章小结本章首先介绍了常用的软件开发流程，结合仿真系统开发流程的特点初步建立了无心外圆切入磨削仿真系统的开发流程。随后对照项目要求，初步拟定了系统的目标功能。随即通过对系统目标功能的详细分析，确定了无心外圆磨削仿真系统的总体构架和相关模块的设计思想。最后在对相关数控仿真软件的调研基础上确定了仿真系统的开发平台和系统图形的支撑环境并对其进行了基础性介绍。第三章系统环境设置与3 d s 模型的装载第三章系统环境设置与3 d s 模型的装载在上章从整体角度阐述仿真系统构架设计的基础上，本章将对仿真系统开发中o p e n g l 环境设置和3 d s 格式模型在仿真系统中的应用进行详细介绍。3 1 仿真系统的o p e n 6 l 环境设置由于设计任务中有无心磨床成圆过程的二维、三维动画仿真的要求。如前文所述，本文采用单文档多视图的结构方式；对于多个视图的实现，本文采用的是分割窗口的方法。如图3 - 1 所示，将主动画视图区分割为三个部分：左边区域为包括磨床在内的三维总体动画区( 对应程序中的c g p s i m s y s v i e w 类) 、右上角的三维工件表面性状变化动画区( 对应程序中的c t o p r i g h t v i e w 类) 以及右下角的磨削二维动画区( 对应程序中的c b o t t o m r i g h t v i e w 类) 。由于三个区域都是通过o p e n g l 来实现图形的变化，所以使用之前必学对三个视图区进行o p e n g l 的环境设置。三维工件表面性状变化动画区包括磨床在内的三维总体动画区磨肖f l - - 维动画区图3 - 1 动画视图区分割示意图在真实世界里，所有的物体都是三维的。但是，这些三维物体在计算机世界中却必须以二维平面物体的形式表现出来。如何实现这一过程，下面采用相机( c a m e r a ) 模拟的方式来讲述如何从三维转化为二维这一赢念3 ，如图3 - 2 所示。江南大学硕+ 学位论文w i t hac a m e r aw i t hac o m p u t e r了氏哟调整絮体位置欠艮b凼冲洗照片_ 劓鲤蹿乌噌施啦捌盛魏麓缓* g 缸描，图3 2 相机模拟图实际上，从三维空间到二维平面，就如同用相机拍照一样，通常都要经历以下几个步骤1 1 如图3 2 和图3 3 所示( 括号内表示的是相应的图形学概念) ：第一步将相机置于三角架上，让它对准三维景物( 视点变换) ；第二步将三维物体放在适当的位置( 模型变换) ；第三步选择相机镜头并调焦，使三维物体投影在二维胶片上( 投影变换) ；第四步决定二维像片的大小( 视口变换) 。1 3第三章系统环境设置与3 d s 模型的装载图3 3 三维物体转化过程这样，一个三维空间里的物体就可以用相应的二维平面物体表示了，也就能在二维的电脑屏幕上正确显示了。在o p e n o l 中，可以通过g l u p e r s p e c t i v e ( g l d o u b l ef o v y , g l d o u b l ea s p e c t ，g l d o u b l ez n e a r , g l d o u b l ez f a r ) 这一函数来创建一个对称透视视景体，如图3 4 所示。其操作是创建一个对称的透视投影矩阵，并且用这个矩阵乘以当前矩阵。参数f o v y 定义视野在x z平面的角度，范围是 0 0 ，1 8 0 o 】；参数a s p e c t 是投影平面宽度与高度的比率；参数z n e a r和z f a r 分别是远近裁剪面沿z 负轴到视点的距离，它们总为正值。近平面距离。远平面距离图3 - 4 函数g l u p e r s p e c ti v e 透视投影视景体下面以仿真系统中的二维动画视图区中的设置为例来具体说明，示意图如图3 5 所示，程序中设置视景投影体如下g l u p e r s p e c t i v e ( 6 0 。0 f , ( g l f l o a t ) c x ( g l f l o a t ) c y , 0 4 f , 4 0 0 。o f ) ；这意味这我们设置了夹角为6 0 度，远近裁剪面分别在4 0 0 和0 4 处。这样，如果我们在绘制物体的时候( 模型变换) 采用g l t r a n s l a t e f ( 0 o f , o o f , o a t ) 移动绘制平面，那么我们就可以计算出，绘制屏幕的区域范围，如图所示，这时绘图区域的高度日：塑；，根据3这以高度就可以确认绘图的范围，计算相关的缩放比例，以便绘制的图形在较为合适的区域。1 4江南大学硕士学位论文一h c 的话为1 。b c 边的顺序。若是b - c 的话为l 。a b 边的顺序。若是a b 的话为l 。映射未使j f 同上同上同上同上混乱混乱o0是否在选择集3 被选中是否在选择集2 被选中是否在选择集l 被选中其中将顶点a ，b ，c 和面信息重复文件中定义的三角形的个数次就得到了所有的三角形面。前三个整型数是三角形面的的三个个顶点序号，序号为0 的顶点表示顶点列表中定义的第一个顶点。顶点的顺序影响着面的法向量方向。一般情况下三角形应按逆时针方向定义，但有些3 d s 文件使用顺时针方向，这时就需要在程序中将其调整过来。面信息是一个整型数，其中前三个二进制位给出了三角形每条边的顺序，可以根据它们判别三角形是以逆时针还是顺时针顺序给出的。这三个数字要么全是0 要么全是l ，若这三位全为l ，其二进制方式为l1 1 ，意味着三角形的三顶点的正确顺序应是a 专c b ，即a c b 给出的是顺时针方向：反之，这三位全是0 ，则意味着a 专b c 给出的就是逆时针方向。面材质块0 x 4 13 0 ：如果一个对象只使用默认材质的话便没有面材质块。事实上，每一个对象使用的材质都有一个面材质块。每一个面材质块都以一个以0 结尾的字符串丌始，接着由一个数字表示使用该材质的面的数量( 2 个字节) ，接着就是面描述。0 x 0 0 0 0 表示面列表中的第一个面。3 2 23 1 ) s 文件的读取一个3 d s 文件中有上千个块( c h u n k ) ，它们构成了一个复杂但灵活的文件系统，实际上程序员不需要知道所有的块( c h u n k ) 含义就可以顺利的读完整个文件。但是由于块( c h u n k ) 相互嵌套的，这就决定了必须以递归的方式读耿。而返回上一级的条件是当前已经读入的块的字节数是否等于块的长度。为了读入3 d s 模型，在c h 程序中我们需建立对应的模型数据结构，除了几何图形特征顶点数据外，还要有一些显示图形所必须的数据结构。在本程序中定义了一系列的结构，如对琢的材质、材质库、位置矢量、关2 0撇一。23456789mn 圪bm 蛉始t _江南大学硕士学位论文键1 喷等。在实际的程序流程中，首先需要先对不同类型的块进行宏定义。o o n s tu n s i g n e ds h o r tm 3 d m a g i c20 x 4 d 4 d ；c o n s tu n s i g n e ds h o r tm d a t a= 0 x 3 d 3 d ；c o n s tu n s i g n e ds h o r tm e s h v e r s i o n= 0 x 3 d 3 e ；e o n s tu n s i g n e ds h o r tm a te n x r y= 0 x a f f f ；然后根据3 d s 的文件结构特点，使用s w i t c h 语句，对各个结构进行相应处理。读取流程如下图3 8 所示，首先判断读取的是否是3 d s 文件，如果是，则顺序读取块i d 号，判断为主块则进一步读取下级子块，通过下级子块各自的i d 号进行判断，随即进入各级子块的处理程序，分别将不同的信息读入到事先定义好的数据结构中，这样就完成了3 d s 的读取过程。图3 - 83