（计算机应用技术专业论文）面向中、高职的数控机床操作培训软件的开发.pdf

中文摘要 该文以三轴数控加工中心为研究对象，结合作者的实际工作情况，论述了面 向中、高职学校的数控机床操作培训软件的开发。 主要内容包括： 1 构建了数控机床操作培训软件的总体结构，并对该系统的界面和主要模 块的功能进行了总体设计； 2 在介绍计算机内部三维形体是如何建立和开发的基础上，完成了本软件 的机床几何模型的建立，实现了对加工环境的仿真； 3 在对数控系统研究的基础上，讨论了n c 代码解译器的实现技术以及插补 指令的算法； 4 在对基于图像空间的模型和基于物体空间的c s g 模型介绍的基础上，讨 论了本软件中刀具和毛坯体所采用的离散模型以及切削过程的求交算法； 在上述技术研究的基础上，作者参与开发了一套数控机床操作培训软件，解 决了本校在数控机床实验、实训教学中设备不足的问题，取得了较好的效果。 关键词：数控机床、仿真、培训软件、插补算法、求交算法 a bs t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c n s e du r i o nt h er e s e a r c ho fat l l r e e a x i sn u m e r i c a lc o n t m l m a c h i n ec e n t e r , c o n f i r m e dt h ea u t h o r sw o r k i n gt i r e s d i s c u s s i n gt h ed e v e l o p m e n to f n ct r a i n i n gs y s t e mo r i e n t e ds e c o n d a r ya n dh i g hv o c a t i o n a ls c h 0 0 1 t h ef o l l o w i n g h a v eb e e nc o n 币l e t e d d e s i g n i n gt h ef r a m e w o r ko fn ct r a i n i n gs y s t e mo nt h ew h o l e t h ei n t e r f a c e b e t w e e nt h ec o n s u m e ra n dt h ec o m p u t e ra sw e l la st h ef u n c t i o n so ft h em a i n p a r t sa r ea l s od e s i g n e d b a s e do nt h ec o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n tf o rat l 】r e e - d i m e n s i o no b j e e ti n c o m p u t e r , t h ed e s i g no fag e o m e t r ym o d e la n ds i m u l a t i o nt ot h ew o r k i n g e n v i r o n m e n th a v eh e c l lr e a l i z e d 0 nt h eb a s eo ft h er e s e a r c ho ft h en cm a c h i n e i tl a y st h ee m p h a s i so nt h e i m p l e m e n t a t i o nt e c h n i q u eo f n cc o d ei n t e r p r e t e ra n di n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m o nt h eg r o u n do f t h ed i s c n s s i o no f d i ) 【e lm o d e lb a s e do ni m a g e a c ea n dc s g b a s e do i lo b j e c ts p a c e ，t h ed i s c r e t em o d e la saf a v o r a b l em e t h o df o rt h e m o d e l i n go fc u t t i n gt o o la n dw 0 r kp i e c ea sw e l la s t h es u r f a c ei n t e r s e c t i o n a l g o r i t h ma r cd i s c u s s e d w i t ht h et e c h n i q u er e s e a r c hm e n t i o n e da b o v e ，t h ea u t h o rd e v e l o p e dan c s i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e m , s o l v i n gt h el a c ko ft e a c h i n ge q u i p m e n t t h ee x e c u t i n g r e s u i t sa r ev e r yw e l l k e y w o r d s ：n cm a c h i n e 、s i m u l a t i o n 、t r a i n i n gs y s t e m 、i n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h m ，i n t e r s e c t i o n a l g o r i t h m 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘茔或其他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了谢意。 学位论文作者签名： 弥下军 签字日期： 岵年；月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 影霞 签字日期：咕年，2 月1 日 导师签名 码峨 签字日期：参年p 月2 刁日 第1 章绪论 第一章绪论 1 1 引言 数字控制机床( n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et 0 0 1 ) 简称数控机床( n c ) ， 是当今世界机器制造业中实现机电一体化的先进设备。它利用微电子、计算 机等技术对复杂零件实现中、小批多品种的柔性自动化加工“1 。对于形状复 杂、精密、小批、多品种的零件的加工，具有适应性强、加工精度高、加工 质量稳定和生产效率高的优点。数控机床的普及程度，已日渐成为衡量一个 国家制造业水平的重要标志之一。 采用数控机床加工已成为机械制造业的主要方向。数控机床的普及，势 必需要大量高素质的数控机床操作人员。如何能高质量、高效率和低费_ h j 的 培训机床操作人员成为亟待解决的问题之一。而计算机仿真培训系统是随着 计算机技术的发展而新兴的高技术领域，在计算机仿真系统上培训操作者是 一种低费用、高效率的科学训练手段，因此设计和开发数控加工教学培训用 的仿真系统无疑是解决数控机床操作训练问题的较好途径。有鉴于此，拟设 计和开发一个数控仿真系统。1 ，能模拟实际数控机床的操作过程，进行模拟 加工，让学员在仿真环境下进行操作训练。因此，设计和开发数控仿真系统 对于培训数控机床的操作者有着重大的实际意义。 1 2 数控培训的实际情况和对数控仿真软件的需求 随着我国大力发展装备制造业，引起了数控技术人才的紧缺，全国许多 院校纷纷上了数控专业，并花巨资购置了数控机床，但相关教师和技术人员 的缺乏以及应用到实训中的数控设备数量的不足，严重制约了数控培训人数 的增加，也影响了数控技能训练的效果。 在数控培训和数控技能训练中，学员上机床进行实践操作是必不可少 的。但目前的实际情况却存在如下几个问题： ( 1 ) 数控机床的数量与学生数量相比，相差很大。 数控机床价格较高，一台生产型的数控车床，价格在2 0 万左右；一台 生产型的加工中心，价格在4 0 万以上。为了数控技能训练买入数量较多的 数控设备是不可能的，这将花费大量的资金。一般学校拥有数控车和加工中 心的数量基本上在1 0 台以下，在中职学校，只有l 2 台数控机床是很普遍 的情况。但一个班级的人数通常为3 0 - 4 0 人，每次训练，只能3 个人以上的 学生轮流使用数控机床。很多中职学校甚至是3 0 人使用一台数控机床。在 这种情况下，数控技能训练的效果可想而知。 第1 章绪论 ( 2 ) 数控机床的实际利用率很低。 数控中级以下的培训，学生基本上是初次接触数控机床，初级培训内容 往往占用很多的机时。假设一个学生熟悉数控系统面板和机床面板需要8 个 学时，由于是3 人轮流使用，则需要2 4 学时，才能轮一圈；假设一个学生 熟悉数控程序的输入，编辑和调用等功能，需要4 个学时，由于是3 人轮流 使用，则需要1 2 学时，才能轮一圈。而在这段时问内，机床实际上是没有 开动的，数控机床的实际利用率很低。 ( 3 ) 数控机床事故发生率较高。 学生在培训初期，数控机床事故发生率很高。尽管每班均配备了多名指 导教师，但还是出现多起碰撞机床的事故，严重影响了数控机床的精度。 ( 4 ) 培训周期长。 因为机床数量上的不足，为了保证培训效果，只能是拉长培训的周期。 计算机仿真培训系统是一种新兴的高科技领域，在各行业人员培训方面 起着重要的作用。仿真技术的发展使得数控机床仿真培训软件的开发研制成 为可能。 采用数控仿真技术编制的软件， 以大幅度的降低数控机床培训的成本， 在计算机上培训数控机床的操作。可 并且能在保证培训效果的基础上，缩 短培训时间。相对于传统方法而言，具有低成本、高效率等优点。一台高配 置的微机加上操作系统和仿真软件的价格不会超过万元，一个培训机房二十 多台电脑，可同时培i j l l - - 十多人，而且不怕误操作，但其总成本不过2 0 万 元。因此，非常适于学校进行数控实验课教学和数控操作技能的训练。正是 在这种需求的推动下，应用数控加工仿真技术来编制软件就成为当前研究的 一个热点。 数控机床仿真培训软件具有以下特点： ( 1 ) 非常强调实时性。系统必须对用户的操作做出及时响应，如用户发 出主轴转，暂停加工等操作，加工场景中的三维物体必须立即做出相应的改 变1 ”。 ( 2 ) 不仅要提供加工的三维图形仿真，而且也要提供控制系统的仿真。 界面上不仅要有显示机床的三维场景窗i = l ，而且还要有机床控制面板，仿 c r t 显示器的窗口。底层还要仿真控制命令的传递。这些需要对数控机床有 较完整深入的了解，才能设计出模块化较好的系统。 第1 章绪论 ( 3 ) 良好的交互性。加工过程必须连续、平滑，能随时对工件进行旋 转，缩放，平移等操作，让用户从各个角度观察加工过程。这要求系统有相 当高的执行效率。另外，系统应该能对用户的误操作给出提示。 ( 4 ) 要考虑用户的多样性。目前机床的种类很多，用户可能有不同的要 求。为了仿真环境的真实性，必须考虑机床控制面板和代码解释能够根据用 户的需求而进行修改。 同时，相对于其它类型的数控仿真系统来说，这类系统对精度要求并不 是很高，不要求进行工件的误差分析。 1 3 数控加工仿真技术的发展状况 1 9 9 1 年美国国家关键技术委员会向美国总统递交的一份报告，列出了 9 0 年代影响美国经济与安全的2 l 项关键技术，建模与仿真就是其中之一。 8 0 年代后期，计算机仿真在应用领域、仿真对象、仿真目的等方面都发生了 十分重大的转变。 目前仿真技术的应用具有以下特点和趋势： ( 1 ) 仿真技术的应用范围空前的扩大了。在仿真的对象及目的方面。已 由研究制造对象( 产品) 的动力学特性，运动学特性、研究产品的加工、装配 过程，扩大到研究制造系统的设计和运行并进一步扩大到后勤供应、库存 管璋、产品升发过程的组织、产品测试等，涉及到制造企业的各个方面。 ( 2 ) 网络技术结合所带来的仿真的分布性。仿真的分布性是由制造的分 布性决定的。敏捷制造、虚拟企业等概念本身就有基于网络实现异地协作的 含义。 ( 3 ) 与图形和传感器技术相结合。 ( 4 ) 仿真技术应用的集成化。即综台运用仿真技术，形成可运行的产品 开发和制造环境。 数控加工仿真技术是把计算机仿真技术引入到零件的数控加工当中“， 可以形象、直观的模拟数控加工的过程。“仿真”一词译自英文 s i m u l a t i o n ，另一个曾用的译名是“模拟”。伴随着计算机技术与建模技术 的发展，数控仿真技术已成为能够预测加工过程表现、产品质量及加工效率 的一种有效方法。 当前的数控仿真系统主要可分为两类，一类是着重在n c 代码验证和三 维图形显示效果上，现在大部分c a d c a m 系统中的仿真功能都属于这一类 “。这类仿真一般三维效果很好，可仿真加工很复杂的工件，有的系统还可 以在加工过程中变换视角。另一类是着重仿真数控机床本身的操作，力图使 第1 章绪论 学员在虚拟的机床操作中，熟悉实际机床的操作。本文探讨的培训系统即属 于后者。 国外在数控加工过程仿真方面做了许多工作，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o ”。作为该计划的一部分， 美国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s o n y 公司研制的f r e d a k l 系统可对球头铣刀加工自由曲面进行三维仿 真，并进行干涉和碰撞检查。 国内在这方面也开展了诸多研究工作，并取得重要成果。如华中理工大 学开发的n c p v s s 系统，具有数控铣削加工过程仿真功能。即通过生成刀具 轨迹，由三维动画显示数控加工过程，以此发现数控程序中的错误。同济大 学研制的数控程序微机动画仿真系统，以二维图形方式动态模拟加工过程， 能满足生产现场实时性要求。哈尔滨大学的n c m p s 系统，可建立集成的数控 加工仿真环境，面向多轴数控加工中心，在图形工作站上实时显示三维多轴 数控加工过程。清华大学c i m s 工程研究中心开发的“通用加工过程仿真 器”己在多家企业得到应用。 数控加工过程模拟仿真包括几何仿真和物理仿真m 1 两个部分。几何仿真 将刀具与零件视为仅具几何形状的刚体，不考虑切削参数、切削力及其它因 素对切削加工的影响。只是对数控程序进行翻译，产生刀具位置数据，并以 此数据驱动机床运动部件和刀架运动，刀具对工件进行虚拟切削。物理仿真 包括加工精度分析，切削过程的热变形，切削力作用下的系统弹性变形、夹 紧变形以及机床的静态和动态分析等。本文探讨的培训系统只进行几何仿 真。 1 4 课题来源和研究内容 1 4 1 课题来源 随着计算机仿真技术的发展和应用的深入，仿真技术已广泛应用于制造 业的仿真、评估工艺计划和设备以及新产品设计。但是，大部分仿真系统都 是彼此独立的，都是针对产品生命周期中的各个阶段的功能需要而建立的特 定仿真模型，是为某个阶段或其中的某个过程服务，因而产品和制造工程的 建模能力不够全面，仿真功能并不完善。随着制造业的发展，在几何仿真中 仅仅建立刀具和工件的几何模型已不能满足虚拟制造的要求，必须建立加工 环境模型，包括夹具、工作台和虚拟机床。所以，在虚拟制造技术的研究 第1 章绪论 中，建立虚拟机床的设计模型，研究基于系统的机床仿真，具有很重要的意 义。 笔者所在的学校作为天津市重点发展数控专业的中职院校，在对学生进 行数控机床中级操作技能训练中发现用实际的数控机床进行培训不仅成本 高，而且效率低。 本课题针对当前现状提出开发一种数控加工仿真软件，使其不仅能够进 行刀具轨迹的快速几何仿真而且可以进行实体切削仿真并可提供丰富的观察 和报警手段，实现仿真数据的精确记录、测量、统计和控制。希望能用软件 模拟实际的加工操作来替代部分实际机床的培训内容，本系统就是根据这种 需求，并考虑了同类的数控操作人员培训机构的实际情况而研究开发的。 1 4 2 课题的主要研究内容 虚拟机床与实际机床一样0 1 ，可以认为是一组互相连接的活动部件的集 合，它们完成要求的相对运动，提供工件和刀具系统上相关点的瞬间空间位 置关系。因为机床的类型各式各样，品种千变万化，要想能够表达各种机 床，就需要采用模块化的原理，定制各种标准的模块，这样经过少量的修改 就可以建立各种机床模型。 厂 、 ， 、 虚拟毛坯 机床 夹具 几何运动仿真 运动刀具 l 零件图纸h 数控程序卜 模型模型 。，_ _ 。_ _ _ _ 零件几何形状仿真 拟机床几何模司 图卜1 虚拟机床的基本框架模型 本课题研究虚拟三轴数控加工中心，图卜1 所示为虚拟机床加工系统的 基本框架以及该系统与其它虚拟制造资源的联系，清楚地展现了虚拟机床加 工系统要研究的基本内容。 本课题研究的主要内容为以下三个部分： ( 1 ) 虚拟数控加工中心系统的开发。这一部分包括三个子模块“： 虚拟机床几何模型的建立。 虚拟机床运动模型的建立。 第1 章绪论 工件、夹具和刀具模型的建立。 ( 2 ) 数控系统的仿真。包括n c 指令的解析，指令的执行等内容。 ( 3 ) 加工过程仿真。包括毛坯与各种刀具扫描体的求交算法等内容 1 5 本文的章节安排 本论文论述了虚拟三轴数控加工中心的研究与开发。主要内容有系统设 计的思路和方法、仿真加工的几何建模方法、建模方案及数控加工中的求交 算法。论文具体章节安排如下： 第一章绪论 介绍了数控加工仿真技术的发展状况，课题的来源等内容，并对本论文 的基本内容作了说明。 第二章数控机床操作培训软件的总体规划 介绍了数控机床操作培训软件的总体结构设计，虚拟数控机床的界面和 软件的主要模块的介绍。 第三章虚拟机床的建模 介绍了计算机内三维形体的表达方法，o p e n g l 三维图形编程，虚拟机床 的类的设计以及如何使用o p e n g l 来建立虚拟机床的几何模型 第四章虚拟机床c n c 系统中插补指令的算法 介绍了虚拟机床c n c 系统的软件结构和模块的划分，n c 代码解释器的内 容，仿真系统中插补指令的算法。 第五章加工仿真中的求交算法 介绍了加工仿真中工件的几何建模，优化离散矢量模型的建立和工件加 工过程中的求交算法等内容。 第六章工作总结与未来展望 本章对论文工作进行总结并对未来的工作提出展望。 第2 章数控机床操作培训软件的总体规划 第二章数控机床操作培训软件的总体规划 对于数控加工仿真系统这样复杂系统的研究，传统的面向过程的方法 ( 如结构化方法、功能分解方法等) 很难满足其要求，而现代仿真技术的发展 趋势之一是面向对象技术。将面向对象技术引入数控加工仿真系统的研究与 开发中“1 ，将提高数控加工过程仿真系统研究的质量。本系统是以v i s u a l c + + 6 0 开发环境为支撑，运用可视性和面向对象的程序设计方法开发的一个 具有w i n d o w s 界面支持的适用于数控加工中心的三维图形仿真系统。 2 1 数控机床操作培训软件的总体结构设计 一个好的数控机床操作培训软件应该满足以下几个方面的要求： ( 1 ) 具有与真实数控机床运动完全相同的三维加工仿真功能； ( 2 ) 在结构上与实际机床具有一定的可比性、可重用性和可重组性； ( 3 ) 仿真系统应当具有比较好的算法、以实现最佳的运行效果，满足用 户的需求。因此数控仿真系统要不断提高算法的运算速度、改进图形的显示 效果、完善软件系统所具有的功能等。 数控机床操作培训软件是由许多面向对象的功能模块组成的。各功能模 块并不是完全孤立的，尤其是在模块的接口设计、数据链路传输和机床的实 时控制等方面更是需要各功能模块的协调工作，所以应首先对整个仿真系统 的总体结构进行分析和规划，在这样的基础之上才能顺利开展其他工作。 数控机床操作培训软件的总体结构如图2 - i 所示。 机床、刀具和毛坯建模 数控系统的仿真 图2 一l 数控机床操作培训软件的总体结构图 第2 章数控机床操作培训软件的总体规划 虚拟的数控机床是由数控机床本体、刀具、工件和夹具组成。数控加工 的过程是机床在n c 代码的驱动下带动刀具对固定在工作台上的工件进行切 削加工的过程。数控机床操作培训软件是对n c 代码驱动刀具加工工件的全 过程仿真。要实现这样的仿真，必须建立机床、刀具、工件的几何模型，在 几何模型的基础上实现对数控机床各坐标轴的运动控制n ”。 由于这个软件的复杂程度比较高，一个人不可能完成所有工作，况且这 类专业程度比较高的软件，必须有精通数控机床系统和操作的人员来参与合 作完成。下面介绍的内容是本人参与的部分。 2 2 数控机床操作培训软件的界面设计和实现 2 2 1 数控机床操作培训软件的界面设计要考虑的内容有： 作为w i n d o w s 软件，标准的菜单应该具有。一些仿真不了的机床操作 ( 例如安装刀具，夹紧毛坯等) ，分类后，用下拉菜单的方式，完成其操 作，这部分的内容由实际机床的操作训练来完成。 在计算机的屏幕要显示虚拟数控机床，虚拟加工时，可以通过旋转， 放大，平移等操作观察到机床与刀具切削毛坯的动作。 机床建模的内容请参考第三章的内容。 虚拟加工的内容请参考第五章的内容。 计算机的屏幕要显示数控系统和机床操作的面板。 用户操作虚拟数控系统面板上的按钮，可输入n c 指令和刀具补偿值等 内容，从虚拟的c r t 屏幕上，可看到输入的结果，工件的当前位置和移动状 态，也可从c r t 屏幕中，实时显示出来。 根据用户需要，必要时候可以隐藏数控系统和机床操作面板。 如图2 2 所示为数控机床操作培训软件的界面。 第2 章数控机床操作培训软件的总体规划 2 2 2 软件菜单部分的功能简介 主菜单： ( 1 ) 文件 ( 2 ) 视图 ( 3 ) 机床 ( 4 ) 零件 ( 5 ) 测量 c 6 ) 系统管理 ( 7 ) 帮助 文件菜单的说明： ( 1 ) 新建项目：每次进入仿真系统，就算是一个新建项目，如果进入系统 后，选择该项目，则初始化仿真系统。 ( 2 ) 打开项目：打开以前保存的项目文件，包括机床，毛坯，夹具，刀 具，用户坐标系，用户程序等内容。 ( 3 ) 保存项目：保存用户的项目文件，包括机床，毛坯，夹具，刀具，用 户坐标系，用户程序等内容。 ( 4 ) 另存项目：换名保存用户的项目文件，包括机床，毛坯，夹具，刀 具，用户坐标系，用户程序等内容。 ( 5 ) 范例：给用户的一些例子， ( 6 ) 导入毛坯：导入s t e p 或s t p 格式的实体零件。 ( 7 ) 导出零件：将用户加工完成的零件，以s t p 格式导出。 ( 8 ) 退出：退出仿真系统。 视图菜单的说明： ( 1 ) 显示全部：将机床和零件以正等测图的方式，完整的显示在机床窗口 中。 ( 2 ) 显示平移：将机床和零件以鼠标方式进行平移。 ( 3 ) 显示旋转：将机床和零件以鼠标方式进行旋转。 ( 4 ) 显示放大：将机床和零件以鼠标方式利用窗口进行放大。 ( 5 ) 显示缩小：将机床和零件以鼠标方式利用窗口进行缩小。 ( 6 ) 前视图：将机床和零件以前视投影的方式显示。 ( 7 ) 俯视图：将机床和零件以俯视投影的方式显示。 ( 8 ) 左视图：将机床和零件以左视投影的方式显示。 第2 章数控机床操作培训软件的总体规划 ( 9 ) 右视图：将机床和零件以右视投影的方式显示。 ( 1 0 ) 选项：提供例如是否显示机床外罩等选择内容。 机床菜单的说明： ( 1 ) 选择机床：定义所要仿真的机床。 ( 2 ) 定义刀具：定义所需要的刀具 ( 3 ) 使用寻边器：使用寻边器找正x y 坐标 ( 4 ) 卸下寻边器：卸下寻边器 ( 5 ) 定义量块：定义使用量块的高度 ( 6 ) 使用量块：使用定义好的量块 ( 7 ) 收回量块：收回量块 ( 8 ) d n c 传输：模拟计算机传输程序 零件菜单的说明： ( 1 ) 定义夹具：提供可装夹圆柱形的虎钳，普通虎钳和真空夹具。 ( 2 ) 放置夹具：将夹具固定在机床上，放置夹具时，可以移动夹具。 ( 3 ) 定义毛坯：定义零件毛坯，包括圆柱形零件和矩形零件。 ( 4 ) 放置零件：将零件放置在夹具上，放置零件时，可以移动零件。 ( 5 ) 更换零件：更换一个新的零件。 测量菜单的说明： ( 1 ) 截面图的测量 ( 2 ) 三坐标测量 系统管理菜单的说明： ( 1 ) 用户管理 ( 2 ) 刀库的管理 ( 3 ) 夹具的管理 ( 4 ) 系统设置 帮助菜单的说明： ( 1 ) 系统帮助 ( 2 ) 系统说明 第2 章数控机床操作培训软件的总体规划 菜单的生成可利用v c 的a p p w i z a r d 来创建基于d o c u m e n t v i e w 结构的应 用程序框架。在生成的主框架窗口对象中，实现对主框架窗口的设置，包括 标题栏、菜单栏以及客户视图区域的初始化。这部分的内容就可以完成了。 2 2 3 用户视图区的生成 在虚拟机床的设计中需要有两个视图类，一个是虚拟操作面板，另一个 是虚拟机床视图，需要在视图窗口中同时显示这两个视图窗口，这样就需要 在主框架窗口对象中实现对视图窗口的切分。切分窗口是通过类 c s p l i t t e r w n d 来实现的，对w i n d o w s 来说，e s p o l i t t e r w n d 对象是一个真正的 窗口，它完全占据了框架窗口的客户视图区域，而视图窗口则占据了切分窗 口的窗格区域。在主框架窗口类的说明m a i n f r n t h 中声明一个公共属性的 c s p l i t t e r w n d 对象i nw n d s p l i t t c r ，然后编辑c m a i n f r a m e 类的o n c r e a t e c l i e n t 事件处理程序，就实现了视图区域的切分。 下面是生成用户视图区的部分程序： b o o lc m a i n f r a m e ：o n c r e a t e c i i e n t ( l p c r e a t e s t r u c tl p e s ， c c r e a t e c o n t e x t + p c o m e x d ) 创建一行两列的分区视图 i f ( ! m _ w n d s p l i t t e r c r e a t e s t a t i c ( t h i s ，1 ，2 ，w sc h i l d i w s - s i b l e ) ) t r a c e ( f a l i e dt ot r e a ts t a t i cs p l i t t e r h a ) ； r e t u r nf a l s e ； c r c c tr e c t ； g e t c l i e n t r e c t ( & r e c t ) ； c s i z es i z e = r e z t s i z ) ； s i z e c x = l1 5 ； ，为操作面板创建视图 i f ( ! m _ w n d s p l i t t e r c r e a t e v i e w ( 0 ，0 ，r u n t i m e _ cl a s s ( c p a n e l v i e w ) ， s i z e ，p c o n t e x 0 ) t r a c e ( f a i l e dt oc l e a tp a n e lv i e w u ”) ； r e t u mf a l s e ； ) 为虚拟机床创建视图 i f ( ! m _ w n d s p l i t t e r c r e a t e v i e w ( 0 ，1 , r u n t i m e _ c l a s s ( c v m t v i e w ) ， c s i z e ( 0 ，o ) ，p c o n t e x t ) ) l l 第2 章数控机床操作培训软件的总体规划 t r a c e ( “f a i l e dt oc r e a tv m tv i e w x n ”) ； r e t u r nf a l s e ； m _ s p l i t t e r w n d s e t a c t i v e p a n e ( o ，1 ，( c v i e w + ) m _ s p l i t t e r w n d g e t p a n e ( o ，1 ) ) ； r e t u r nt r u e ； 2 3 数控机床操作培训软件主要模块介绍 1 虚拟机床几何模型的建模 这一部分是采用模块化设计来建立虚拟机床几何模型“，首先要求对机 床进行模块划分与设计。根据机床的结构、功能以及各部分的连接关系，进 行模块的划分。在模块的划分中，按照分级模块化的原理，对设计的机床可 以进行任意的结构和功能的划分。为了进行模块化设汁，必须将具体的机床 抽象化，建立虚拟机床中抽象元素之间的关系，使虚拟机床的设计具有较强 的通用性。但是虚拟机床和实际机床的组成还是有所不同，对于一些与仿真 无关的部件，如液压装置、照明电气系统等，则在虚拟机床中不予考虑，从 而简化仿真模型。 2 虚拟机床运动模型的建模 虚拟机床运动模型涉及数控机床零部件、工件、刀具和夹具的几何位置 关系和运动关系“”，这种几何位置关系和运动关系可以通过向量合成求得。 数控机床零部件的运动包括直线运动和旋转运动，它具有层次性的相对运动 关系，每一个运动对应一个机床零部件，执行零部件的运动是相对于机床基 础零部件的各层运动合成的结果。 3 工件、夹具和刀具模型的建立 工件的建模在虚拟数控加工中占有十分重要的地位，其建模过程如下： 定义工件形体；对工件形体进行坐标变换；工件的形体离散。刀具建模是虚 拟数控加工的必要条件，其建模过程如下：定义刀具形体；对刀具形体进行 坐标变换。“；刀具形体离散。夹具建模是虚拟数控加工的一个重要环节，夹 具在工作台上的初始安装可通过将夹具坐标系与图形坐标系的原点重叠来实 现，实际安装位置可通过对产品相对图形坐标原点进行平移变换得到1 。 在实际加工中，加工中心带有自己的刀具库，以便于在加工中进行换刀 操作。然而对于仿真系统来说，机床刀具的种类繁多，形状也千差万别，让 一个特定的仿真系统保存所有刀具的三维模型是不现实的，也是没有必要 的。我们可以对刀具进行分类分析，建立参数化的数据库系统，将刀具库建 成一个共享库。 第2 章数控机床操作培训软件的总体规划 在本软件中，是选择m i c r o s o f ta c c e s s 2 0 0 0 建立数据库文件，应用d a o 进行数据存取操作，将刀具分为球头刀、平底刀和圆角刀三种来建立刀具库 表，刀具库表对各种刀具类型的标识及刀具半径和长度等属性进行了描述， 并提供了管理所需的添加、删除、修改等各种功能，这样可以保持刀具库的 不断扩充和更新，用户可以根据自己的需要来定义刀具的类型，有助于提高 设计者和使用者的建模技术和设计水平。 4 数控系统的仿真 虚拟机床的数控系统在功能模块上与实际机床的c n c 软件系统在结构上 和软件的控制功能的层面上是一致的。只是控制对象由虚拟的数控机床代替 了实际的由硬件结构组成的数控机床。数控指令的解析和执行，是由数控系 统来完成。虚拟机床的数控系统，在软件开发初期，还不能支持所有的n c 指令，但随着软件开发工作的深入，这部分的内容将随着软件的升级，而逐 渐完善。 5 虚拟操作面板的构造 本软件的虚拟操作面板是模仿实际数控机床的操作面板制作而成的。虚 拟面板上具有与真实机床类似的按钮、旋钮、开关、指示灯及其它控制部 件，这些功能可以用装载位图的按钮来构造，用户可以通过鼠标来操作虚拟 面板。由于v c + + 控件具有封装性和继承性，因此虚拟面板的设计具有开放 性，容易实现控制面板的修改和扩充。图2 - 2 中的虚拟面板由两部分组成： 数控系统面板，即虚拟面板上方的显示屏和各种功能键；机床操作面 板，即虚拟面板下方的一些按钮、旋钮。面板上的按钮具有两种状态，按下 和弹起时有亮灯来标示，各种仿真操作都是通过虚拟面板来控制的。这部分 的内容，在用户使用本软件时，需要根据用户所有的具体机床的面板来定 制。 6 加工过程仿真 数控加工过程的仿真是虚拟机床加工仿真的核心啪1 。本软件的数控加工 仿真属于几何仿真，它不考虑切削参数、切削力等因素的影响，只仿真刀具 一工件几何体的运动；它包括刀具的进给仿真、工件的运动仿真、机床运动 仿真以及由毛坯到产品材料去除过程的仿真。仿真过程中可以提供多方位观 察方法和控制手段，可以多位置截面观察、旋转、缩放，可以单步、中断、 终止、速度控制等仿真过程控制手段。可提供仿真结果，通过虚拟测量可得 到过切、欠切、碰撞等信息。 第3 章虚拟机床的建模 第三章虚拟机床的建模 3 1 三维形体的表示方法 要想在计算机屏幕上产生一个三维形体图像，首先必须在计算机内构造 并表示出该三维形体的模型，然后通过投影变换、视图变换及真实图形生成 技术等在屏幕上产生出图像。在计算机内表示、构造三维形体并进行运算的 技术，称为几何造型技术。三维几何造型的理论与技术是计算机科学、计算 几何学与交互式图形显示技术的完美结合。形体在计算机内常用的表示方式 有线框模型、表面模型和实体模型三种。 1 线框建模 线框建模是c a d c a m 中开发应用最早的建模方法，它用顶点和边棱线的 有限集合来表示和建立物体的计算机内部模型。线框模型数据结构的关键在 于正确地描述每一线框的棱边，点表描述每个顶点的编号和坐标，边表说明 每一棱边起点和终点的编号。实际上，物体是边表和点表相应的三维映射。 线框模型具有很好的交互作图功能，用于构图的图素是点、线、圆、圆弧和 b 样条曲线等。 线框建模具有数据结构简单、运算速度快的特点，但它也存在一些问 题：一个线框模型可能被解释为若干个有效的几何体，对于形状复杂的零 件，常常会导致加工轨迹数量增大，刀具轨迹非常拥挤，仿真中无法分辨刀 具当前位置。线框模型无法实现对结构体的消隐处理，即不可能渲染得到具 有真实感的产品图像；无法进行碰撞等干涉检查，与现在的仿真概念相去甚 远，所以现在已很少采用线框建模方法进行加工过程仿真，但作为一种仿真 方式，这种方法可供用户在一些简单情况下选用。 2 表面建模 表面建模是将物体分解为组成物体的表面、边线和顶点，用顶点、边线 和表面的有限集合来表示和建立物体的计算机内部模型。表面模型的数据结 构是在线框模型数据结构的基础上增加面的有关信息与连接指针，其中还有 表面特征码，各条棱边除了给出连接指针外，还给出方向、可见不可见信息 等。 表面模型中的几何形体表面可以由若干面片组成，这些面片可以是平 面、解析曲面( 如球面、柱面、锥面等) ，参数曲面( b e z i e r 、b 样条曲面片 等) 。“。利用表面模型，可以对物体作剖面、消隐、着色、表面积计算、曲 面求交、n c 刀具轨迹生成、获得n c 加工所需要的表面信息等，有助于对零 1 4 第3 章虚拟机床的建模 件进行渲染等处理，有助于c a m 系统直接提取有关面的信息生成数控机床的 加工指令，因此，大多数c a d c a m 系统中都具备曲面建模的功能。 表面模型虽然比线框模型具有较丰富的形体信息，可以描述任何复杂的 结构体，但它并未指出该物体是实心还是空心，无法区别面的哪一侧是体 内、哪一侧是体外，因此，表面模型仅适用于描述物体的外壳，不宜用作表 示零件的一般方法。若要想处理完整的三维形体，最终必须用实体模型。 3 实体建模 实体建模研究的重点是如何用简单几何体构造复杂组合实体，如何方便 地定义形状简单的几何体，如何经过适当的布尔集合运算构造出所需的复杂 几何体，并最终在图形设备上输出各种视图。七十年代以来，大体上有六类 完整的表示实体模型方法”。如单元分解法、空间枚举法、射线表示法、 半空间表示法、构造实体几何法和边界表示法。大多数c a d 系统同时采用 c s g 和b - r e p 两种实体造型系统。下面本文就实体造型中使用最多的边界表 示法、扫描表示法、构造实体几何法作一个简单介绍。 ( 1 ) 边界表示法 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 ) ，即b r e p 法，它是以形体表 面的细节，即以项点、边、面等几何元素及其相互间的联接关系表示形体， 其边界的表面必须是连续的，物体的边界是所有面的并集，每一个面又可通 过边和顶点来表示。边界表示法强调实体外表的细节。详细记录构成实体的 所有几何信息和拓扑信息，可以直接取得实体的各个组成而、而的边界以及 各个顶点的定义数据，有利于以边和面为基础的各种几何运算和操作，从而 使得图形显示、有限元网格划分、表面积计算等功能更易于实现。但边界表 示法的缺点是数据量大，数据关系复杂，数据库中管理困难，对实体几何特 性的整体描述能力弱，不能反映实体的构造过程和特点，也不能记录实体组 成元素的原始特性。 用实体的边界来表示实体，要在计算机内实现，就需要建立相关的数据 结构。因为边界表示的概念不仅能用来表示三维空间的平面多边形，还应该 能延伸到表示一个面、一条边。即一个多面体可用构成边界的一系列平面多 边形来表示，而一个多边形又可用构成其边界的一系列边来表示，一条边又 可用两点来表示。所以，要用实体的边界信息来有效表示一个实体，必须正 确表示出实体边界的拓扑信息及几何信息。所谓拓扑信息，就是指面、边、 点之间的连接关系、邻近关系及边界关系，而几何信息指的是面、边、点的 位置及大小等几何数据。由于要频繁的对实体的面、边、点进行查找和修 改，并希望能尽快地把结果显现出来，因此，如何设计一个方便对实体进行 第3 章虚拟机床的建模 面、边、点的存放、查找和修改的数据结构，就是一个十分关键的问题了， 必需妥善的加以解决。 现在国内、国际上用得较多的大多是翼边数据结构和对称数据结构，或 是它们的变形。这些数据结构的特点是，用边界表示实体，数据量比较多， 所使用的存储空间也较大，但有一个突出的优点就是实体的面、环、边、点 的信息都直接表示出来了，因而，集合的运算结果就可以直接继续参加集合 运算，而且也便于显示或图形输出。但如果在仿真软件的图形仿真中，采用 这种表示方法，当涉及到集合的三维布尔运算时，运算量就会变得非常巨 大，不仅影响了效率，难以达到仿真的实时性要求，而且也影响了可靠性。 所以，在本软件系统中，不采用这种方法来表示机床的形体。 ( 2 ) 扫描表示法 该方法也是一个得到比较广泛应用的表示三维实体的方法。它的基本原 理比较简单，就是空间中的一个点、一条边或一个面沿着某一路径扫描时， 所形成的轨迹将定义一个一维的、二维或三维的物体。在这里，表示一个物 体需要两个要素，其一是做扫描运动的物体，其二是扫描运动的轨迹。在三 维实体的表示中，应用最多的是平移扫描和旋转扫描两种。平移扫描是指做 扫描运动的物体沿某一直线做扫描运动生成实体的方法，其特点是扫描得到 的物体都有相同的截面。旋转扫描是指扫描体沿某一旋转轴做旋转扫描生成 实体的方法，用该法构成的物体都是轴对称的，这是旋转扫描法的特点。 在扫描表示法中，由于三维空间的实体和曲面可分别由二维平面和曲线 通过平移扫描或旋转扫描来实现，因此，只需定义二维平面及曲线即可这 对于许多领域的工程设计人员来说都是很方便的。在三维物体的表示中，扫 描表示法往往是必不可少的输入手段，应用颇为广泛。 在本软件中，数控刀具的表达就采用了扫描表示法。 ( 3 ) 构造实体几何法 构造的实体几何法( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) ，简称c s g 法，也 是在实体的表示、构造中得到广泛应用的一种方法。它的基本思想是将简单 的实体( 又称体素) 通过集合运算合成所需要的物体。c s g 是用体素( 如长方 体、圆柱、正棱柱、球、圆环等) 拼合物体的有效表示法，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，紧凑地描述物体的几何模型。 c s g 的树根表示物体；非叶子节点是运算符( 运动算子，如平移、旋转等；正 则化集合算子，如交、并、差等) ；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) 。 第3 章虚拟机床的建模 在构造的实体几何法中，如果体素设置比较齐全，那么，通过集合运 算，可以构造出很多种不同的符合需要的复杂实体，而且它所产生的物体的 有效性是由体素的有效性和集合运算的正则性自动保证的，它可以唯一的定 义一个物体，并支持对这个物体的一切几何性质的运算，覆盖区域比较宽是 这种方法的优点。此外，用户还可以通过输入或调用简单体素来直观而方便 地构造三维实体。因而，这种方法在现有的大多数实体造型系统中作为输入 手段而得到广泛应用。 这一方法也有它的局限性，它只定义了所表示物体的构造方式，即不反 映物体的面、边、顶点等有关的边界信息。这种物体的隐式模型 ( u n e v a l u a t e dm o d e l ) 或过程模型( p r o c e d u r a lm o d e l ) 的表示方法在数控加 工仿真过程中随着对它的布尔操作的增加，物体将变得越来越复杂；集合运 算的中间结果很难再用简单的代数方程来表示。因而不能继续参与集合运 算，而且这种方法用于输出也不很方便。因此单纯用结构的实体几何法存在 着难以克服的困难，为了解决这一困难，往往在用这种方法实现实体的定义 和输入以后，将其转换为边界表示，再进行集合运算和显示输出，这是实体 造型系统中常用的一种方法。 综上所述，考虑到虚拟机床的几何模型较为复杂，在运动仿真中需要做 大量的平移、旋转等变换，而且要求仿真动画的实时性、平滑