（航空宇航制造工程专业论文）基于实体布尔运算的数控车削仿真系统的研究与实现.pdf

南京航空航天大学硕：f ：学位埝文 摘要 数控加工值裹技术是计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 技术的重要组成 部分，也是现代制造技术中降低生产成本、提高生产效率的重要环节之一。本 文以c a d c a m c n c 技术领域的工程应用为背景，全面地研究了在开发一个基 于实体布尔运算的通用数控车削加工仿真系统过程中所涉及的关键算法和技 术。 1 探索和研究了有关基于实体车削加工仿真的关键基础算法。( 对采用实体 建模与三维图形显示技术实现数控车削零件加工的动态仿真进行了有益尝试。 在实现过程中主要结合车床加工的特点，在合理简化的基础上利用实体建模技 术构造刀具轨迹扫略体，并与毛坯进行布尔差运算，并采用三角化离散表面， 动态刷新显示的技术实现加工过程的动态显示仿真。这些算法为实现车削加工 仿真系统提供了基础。厂7 2 对基于n c 代码的垣厦鱼真投术进行了研究。( 通过分析数控系统和n c 代码的特点，建立仿真通用接口，f ：提出代码翻译的基本思路。并在此基础上 通过仿真系统和翻译模块的有机结合，初步实现基于n c 代码的仿真的通用性。尹，一 3 在仿真算法研究的基础上，作者从o o 角度出发，探讨了采用面向对象 的软件工程方法分析与设计该车削仿真系统的技术。并采用支持u m l 的系统 分析与设计工具r o s e 建立了主趔笾：崽丕统的模型。 ， 关键词： 讨：簋塑i 塑墅亟计与制造：仿真、数控、实体、通用、代码翻译、 面向对象v ，软件工程、 第l 页 茎王壅堡丝望旦墼丝查塑堕塞墨堕丝婴塑量壅翌一 a b s t r a c t t e c h n o l o g yo fd y n a m i c s i m u l a t i o no nn cm a c h i n i n gi sn o to n l ya ni m p o r t a n t c o m p o n e n to fc o m p u t e r a i d e dd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ( c a d c a m ) ，b u t a l s ot h e k e vm e t u b e rt h a ti m p r o v e st h ep r o d u c t i v i t ya n dc r e a t e sg r e a t e re c o n o m i cb e n e f i t si n m o d e r n m a n u f a c t u r i n g f r o m t h ev i e w p o i n t o f e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n o n c a d c a m c n c ，k e ya l g o r i t h m s a n dt e c h n o l o g ya r ed e e p l yi n v e s t i g a t e dd u r i n g d e v e l o p i n gas o l i d b a s e dg e n e r a ld y n a m i c s i m u l a t i o ns y s t e mf o rn c l a t h i n g ，w h i c hi s j n t r o d u e e di nt h i sp a p e r 1 r e s e a r c ho nt h ek e ya l g o r i t h m so fs o l i dm o d e l i n ga n d3 dg r a p h i c a ld i s p l a yf o r m a c h i n i n g s i m u l a t i o no fn cl a t h i n g c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a t h i n g m a c h i n i n g ，s i m p l i f yt h ec o n s t r u c t i o no fc u t t e r - s w e p tb o d y , a n d “s u b t r a c t i tf r o m t h e w o r k p i e c e i nb o o l e a nc a l c u l a t i o n a f t e rt h i s t h es u r f a c eo ft h ew o r k p i e c ej s t r i a n g u l a t e d a n dd y n a m i c a l l yu p d a t e do i lt h es c r e e n a l lt h e s et e c h n o l o g ya r et h e b a s e sf o rc o n s t r u c t i n gas o l i d b a s e dd y n a m i cs i m u l a t i o ns y s t e m 2 r e s e a r c ho nt h eg e n e r a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt h a ti sb a s e do nt h en cc o d e s b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ec n c s y s t e ma n d t h en c c o d e s ，d e s i g nas e to f g e n e r a ls i m u l a t i o ni n t e r f a c e ，a n dp r e s e n t am e t h o df o rc o d e st r a n s l a t i o n f o u n do na l l o f t h i s ，b yi n t e g r a t i n g t h es i m u l a t i o ns y s t e ma n dt h e t r a n s l a t i n gm o d u l e ，s i m p l y r e a l i z e t h eg e n e r a l i t yo f s i m u l a t i o nb a s e do nt h en c c o d e s 3 b a s e do nt h er e s e a r c ho fs i m u l a t i o na l g o r i t h m s ，u n d e rt h ed i r e c t i o no fo o s e ， a n a l y z ea n dd e s i g nt h el a t h i n gs i m u l a t i o ns y s t e mu s i n g t h et o o l so f u m la n dr o s e k e y w o r d ：c a d c a m ，s i m u l a t i o n 、n c 、s o l i d 、g e n e r a l ，c o d e s t r a n s l a t i o n 、 o b j e c t o r i e n t e d 、s o f t e n g i n e e r i n g 筇1 1 页 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1c a d c a m c n c 技术的发展与应用 随着世界的发展进入日新月异的新经济时代，计算机辅助设计和制造 ( c a d c a m ) 技术已经成为现代制造业中的关键技术之一。c a d c a m 及其相关技 术从根本上改变了几乎所有领域内传统的设计和制造过程，通过该技术的应用，极 大地提高了有关工业部门和企业在同趋激烈的全球一体化经济的市场竞争中的生存 和发展能力，这一技术发展和应用的水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现 代化水平的重要标志之一，因此世界上许多国家都非常重视提高自身的c a d c a m 技术的开发和应用水平，以此来推动生产力进步和整个国民经济综合发展能力的提 高。 c a d c a m 技术起源于五十年代的航空工业，随着计算机技术和计算机图形学 的发展丽迅速成长，目前已经广泛地应用于航空、航天、汽车、造船、机械、轻工 及建筑工程设计等领域，现今已成为国家工业现代化和工业现代化水平的重要标志。 作为当代最杰出的十大工程技术成就之，c a d c a m 技术是众多计算机应用技术 中推广应用的最为深入和最为广泛的专业应用领域之一，特别在制造业中的影响力 更为突出。它是实现生产自动化、提高企业自身技术素质、增强企业竞争能力、加 速国民经济发展和国防现代化建设的一项关键高技术。该技术的应用使产品设计和 工程设计的工作内容和方式发生了根本的变革，并产生了巨大的效益，成为发达国 家制造业和建筑业保持竞争优势、开拓市场的重要技术手段，有力地促进了全世界 商新技术的发展和工业产品的迅速更新换代。它的应用及发展正在深刻地引起一场 产品工业设计与制造的技术革命，并对产业结构、企业结构、管理结构、生产方式 以及人才知识结构等方面带来深刻的影响。 在c a d c a m 技术本身，已经逐渐在几何设计、数控加工编程和工程分析等重 要方面取得了许多巨大突破。几何设汁从二维绘图、三维线架、三维曲面、实体造 型而逐步发展到参数化特征造型；数控加工编程则朝着提高加工效率和精度为目的、 基于复台几何建模并能生成各种粗、精加工方式刀具轨迹的方向发展。伴随着这些 理论和算法的不断创新和成熟，并结合市场应用要求的不断提高，c a d c a m 系统 产品也从单一产品发展到集二维绘图、几何造型、数控加工编程和工程分析等功能 于一体，支持并行工程和基于参数化特征造型的大型集成化软件系统，比较著名的 有u g i i 、p r o e 、c a t i a 、i - d e a s 和c i m a t r o n 等。开发平台也在从通用的机械 c a d c a m 平台朝着能集成专业应用软1 i | ：的丌放式平台方向发展。 第1 页 苎王壅竺塑望望墼丝堡型堕塞墨丝箜婴塞兰壅塑 一一 数字控制( n c ) 技术是一种自动控制技术，在制造业中主要是指在生产过程中 采用数字信息实现自动控制和操纵运行机床，实现加工过程。到了7 0 年代，随着计 算机技术的发展，就出现了计算机数控( c n c ) ，并迅速发展和应用，与计算机辅助 制造( c a m ) 系统的其他环节组成一体化a 国内的c a d c a m c n c 技术起步虽不算晚，但在成熟产品的研制丌发及市场销 售等环节都与其他发达国家有着相当的差距。近十年来，国内在意识到自身的差距 的同时，在技术和资金等方面不断加大投入力度，逐步培育并建立起民族 c a d c a m c n c 产业。通过各种合作和- 丌发方式的采用，现在已经逐步形成了许多 较成熟的产品，这些具有自主版权的软件产品虽在其功能和市场占有率等方面和国 外先进的产品相比还有一定的差距，但是我国民族c a d c a m c n c 产业已经逐步完 成了从技术和理论研究到产品研制、丌发的跃迁，在成熟系统、产品的市场培育和 拓展等方面积累了一定的经验，而且民族c a d c a m c n c 产业正面临着我国制造业 传统的设计、生产方式的大规模更新改造的巨大市场潜力的发展契机，因此自信的 中国民族c a d c a m c n c 产业必将在国家加大投入力度的有利条件下，通过自身的 不懈努力逐步缩短与国外先进发达国家的差距，在日趋激烈的c a d c a m c n c 产品 市场竞争中占有重要的一席之地，为我国国民经济的腾飞作出巨大的贡献。 1 2 数控加工仿真技术的发展及应用 数控加工仿真技术是计算机辅助制造( c a m ) 技术的重要组成部分，也是 c a d c a m c n c 技术中降低生产成本、提高生产效率的重要环节之一。数控系统所 使用的n c 代码，不论是由c a m 系统自动产生的或是由程序员手工编写的，都有 可能产生错误。传统调试方法是通过试切一个软性木质或塑料的零件模型来检查其 正确性。这种方法。随着造型工具和计算机技术，特别是图形软硬件技术的发展， 出现了计算机仿真技术，通过把计算机仿真技术引入到数控加工中，在计算机里模 拟零件的加工过程，并通过图形动画形式表现出来，从而形成了c a d c a m c n c 研 究的重要内容之，即目前所说的数控加工动态仿真技术。随着多年来对仿真技术 的研究，人们发展了多种代替试切的仿真方法，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，目前正向模型的精确化，仿真计算实时性和 图形显示的真实感方向发展。该技术的应用能提高机械制造加工精度、保证产品制 造过程中的正确性；数控加工仿真技术使产品设计和制造过程精密结合，这缩短了 生产准备过程，适应产品快速更新换代的需要，显著地提高生产效率，实现“无纸 化设计”；应用该技术能最大限度地避免人为失误而降低生产成本。设计和制造对象 的几何形状越复杂、加工精度要求约高，产品的改型越频繁、生产批量越小，数控 加工仿真技术的优越性就越充分地得到发挥和体现。 旃2 顶 塑塞塾窒堕墨查堂堡主堂垡笙兰 1 2 1 数控加工动态仿真技术的研究重点和研究现状 国内外许多研究人员对数控加工动态仿真技术作了大量的工作，时至今日已有 二十年的历史了。但无论其如何发展，始终围绕着解决如何同时提高仿真速度与仿 真精度这一对相互依赖而又相互制约的主要矛盾。而与其有关的主要关键技术则一 直是加工仿真过程的几何建模技术和图形显示技术。几何建模是指在汁算机里组织 数据类型和数据结构以表示刀具，毛坯，夹具乃至机床，还有加工的中间件和最终 加工完毕后的零件，同时采用相应高效的算法柬模拟整个切削加工过程( 主要是布 尔操作) 。图象显示是指将整个切削过程真实地在计算机屏幕上加以再现，并将加工 结果的分析情况以可视化的形式表现出来。 1 2 1 1 几何建模技术 在数控加工动态仿真技术的雏形期，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圈，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，于是研究开始向基于三维实体的仿真 方向发展。 在基于实体的数控加工动态仿真技术初期，最早将实体建模技术引入n c 程序 检验的应归功于v o e l c k e r 和h u n t 两人( 1 9 8 1 ，1 9 8 2 ) 1 5 2 1 ，4 电j j j * t j 用p a d l ( c s g ) 模型作了一个试验系统。不久，f r e d s h a l ( 1 9 8 2 ) 在g e 公司修改了t i p s 实体模型 软件包并将其用于实体仿真。基于传统实体模型的仿真系统( 如b r e p 或c s g ) 可 以给出模型信息的精确表示，但由于其求交等布尔运算量太大( 据说基于c s g 的计 算复杂度为o ( n4 ) ，n 为刀具的工步数) ，在速度上还不适于有上万行数控代码 的实时仿真。 由于当时直接基于实体仿真对计算机设备要求过高，从而妨碍了这种技术在工 程上的应用。为克服这些困难，人们主要在以下两个方面作了些尝试： 一，提高硬件的速度，制造适于仿真的专用加速硬件。如e l l i s ( 1 9 9 1 ) 研制了 一科，所谓的射线投影引擎( r c e ，i e r a y c a s t i n ge n g i n e e r ) ； 二，在不要求很高的计算机资源的条件下寻求更有效的算法。这些高效的算法 实际上都是本着简化实体模型的思想，通过将三维实体离散，从而在一维与二维乃 至一维与一维上进行布尔求交运算。较早的如a n d e r s o n ( 1 9 7 8 ) 1 5 1 1 ，通过基于对工 件底面作x y 方向上的网格化将工件离散为z 方向的立方柱，但他的方法只适用于 三轴加工。后来以w a n g ( 1 9 8 6 ) 州1 为代表的一批学者在扩充z b u f f e r 算法的基础上 通过先确定视向，进而基于与屏幕垂直的方向离散工件。w a n g 采用扫描线平面投影 方法求交刀具扫略体与加工件，通过改变扩充z - b u f f e r 中的z 值来模拟物质去除过 笫3 页 程。v a nh o o k ( 1 9 8 6 ) 5 3 1 也利用了扩充z ，b u f f e r 技术，但与w a n g 不同的是他将工 件和刀具都基于屏幕像素离散化了，避免了扫略体的概念，但其方法只适用于三轴 加工。a t h e r t o n ( 1 9 8 7 ) s o l 发展了v a nh o o k 的思想，可处理五轴加工，可惜他的报 告未提及其实现细节。他们的方法的优点在于速度快，实现简单，易于判断物质去 除量。但缺点是刀具和加工体的实体信息保留彳导太少，因此只能在沿视线方向上保 持较高的精度对检验是不利的。另一种不同的方法以c h a p p e l ( 1 9 8 3 ) 口”为代表， 与w a n g 不同的是：他们离散的对象是零件与毛坯之间的去除体，他们通过将零件 表面离敬为许多的点，并由这些点作法矢量，延伸与毛坯表面或零件的边界相交。 矢量的长度代表在该点应该去除的物质( 在零件表面外) 或过切的深度( 在零件表 面下) 。求交的过程是让刀具扫略体与矢量求交，若刀具与矢量扫略体相交则修短矢 量以模拟物质去除过程，人们形象地称之为“割草法”。o l i v e r 和g o o d m a n ( 1 9 8 5 ， 1 9 8 6 ) i ”根据c h a p p e l 的思想通过基于屏幕像素点向工件投影来选择离散点，而j e r a r d 和d r y s d a l e t ”i t ”l p 。呗0 进一步发展了他们的方法，采用更新的离散技术和优化的求交 措施。“割草法”( 又称“点矢”法) 在计算精度上有所提高，可方便地进行五轴加 工，但对一些表面变化剧烈的零件，离散后误差较大。几何模型简化后的仿真运算 速度是较快的( 讨算复杂度为o ( n ) ) ，仿真时间随刀具工步数线性变化，可用于 处理有上万行指令的n c 代码及雕塑曲面。现在基于这些方法已开发出了许多实用 的仿真软件。可以说，在当前的软硬件条件下，这些简化算法还有潜力可挖，前景 也很广阔，有关研究，国内外还在进行。 从理论上讲，最理想的还是直接基于实体进行仿真。但对一些象c s g 这些传统 的几何模型来讲，要么就是布尔操作过于复杂，要么就是渲染的复杂性太高。随着 几何建模技术的发展，人们又提出了各种各样的新的模型，不少老模型经过改进又 焕发出新的生命力。譬如八叉树模型，它通过将形体每次按八个节点细分，直到达 到所要求的精度为止。八叉数模型尽管可以用来表示任意复杂的物体，且易于布尔 运算，但它有个致命的弱点，即该模型的数据结构所要求的内存空间随物体的复 杂程度而变得异常庞大。为此有关学者经过研究，提出了一个扩展的八叉树实体模 型。并在此基础上丌发了一些实用的仿真系统，掘称基于该模型的系统的处理速度 十分惊人( 在台p c 4 8 6 6 6 上每分钟可处理上千行n c 代码) ，且同时在处理过程 中始终保持有加工件的真正的实体模型。 对基于实体建模的仿真和以往其他仿真技术，如基于线框的仿真和基于各种离 敝简化方法的比较，可以通过表1 1 加以总结。并由此可以看出基于实体的仿真技 术虽然在模型表达和仿真都尔计算上要相对复杂，但是它的优点在于可以提供最高 的检验精度，同时结合三维的显示技术，可以更逼真地表现仿真加工中毛坯的变化 情况和加工环境的情况。 第4 页 南京航空航天大学硕士学位论文 表1 1 不同仿真方法的比较 基于线框基于离散简化基于实体 模型构造简单。较复杂。 最复杂。 模型表达精确简单，几乎不能提可以提供一定的模型 可以全方位地提供模 度供有关模型的精确数据，但不够全面。型的三维乃至物理性 数据。质的数据。 伤真布尔运算简单。较复杂，但有多种基最复杂，复杂度随毛 复杂度于离散简化的计算方坯表面形状复杂而加 法。剧。 图像刷新显示最简单，但工件形有多种与显示结合的随工件形状的复杂， 状越来越复杂，刀仿真算法，刷新速度刷新计算越复杂，但 具轨迹包含的信息很快。三维显示时由于有实 量也越来越多，导体级的数据，旋转放 致图形形状混乱不大都容易。 清。 对后续检验精几乎无法提供相应可以提供相应的支精确度最高。其模型 度的支持的支持。持，但由于采用了离表示完全可以满足当 散的方法，与离散精前乃至今后加工的精 度有很大的关系，有度要求。 一定局限性。 可见，随着实体造型和计算机软硬件技术的发展，同时人们对加工设计、制造 乃至仿真技术的要求也越来越高。真正基于实体的数控加工仿真系统必将得到更广 泛的应用，同时我们认为：就目前来讲，个真正基于实体的仿真系统应该至少能 够支持以下四项基本功能： 精确的实体表达能力； 可表达复杂的雕塑实体： 可支持有效和快速的模型更新能力： 利于和当前通用的实体造型工具集成。 1 2 1 2 图形显示技术 在数控加工动态仿真技术中，无论基于何种几何表示，在切削过程的图象表示 巾，参与运算和显示的图形对象都比较复杂，特别是对三维型面的加工，加工表面 的状况是十分复杂的。而仿真需要及时地将这些变化反映出来，这就对切削过程图 第5 页 茎! 塞竺塑望趔墼丝! 型堕塞墨竺堕婴塑兰塞堡一一 象表示算法的计算速度和效率提出了比较高的要求。象w a n g ( 1 9 8 6 ) ”4 的那种基于 屏幕离散的方法不仅计算迅速，显示与渲染也快，h s u 和y a n g ( 1 9 9 3 ) ”5 ) 设计了一 种基于v o x e l 模型的等轴投影的算法，速度快，但只能用于三坐标铣床。虽然有以 上优点，但这些算法都无法解决换视向的问题，如果用户想改变观察视向则需要重 新运行整个系统。国内在设计动态仿真系统时，也遇到了这个问题，粱小军和韩向 利等( 1 9 9 8 ) 2 1 在总结以上算法优缺点的基础上提出了结合射线追踪和d e x e l 模型的 换视向算法。趔继政和魏生民等( j 9 9 7 ) 则引入一种基于物体空间的离散方法， 将毛坯和刀具模型离散，切削表面以三角网格表示，使得切削计算量大大减少，比 起基于屏幕离散的方法，可以得到每一步切削的实体描述，用户可以任意方向观察 毛坯的情况，同时允许用剖分和缩放的方法观察切削的细节，有利于图形显示和观 察分析，但由于受离散精度的影响，实时性能较差。在发展有效算法的同时，随着 计算机图形标准化和规范化技术的不断发展和完善，在数控加工仿真技术中引入集 成化和标准化的图形标准和软件包( 譬如o p e n g l ) 也是近年来的一个全新的研究 和开发热点，对予提高图形显示品质，加快计算和显示速度都具有重要意义，目前 比较成熟的商品化仿真软件除具有自己的图形显示方法外，一般部提供了一定的标 准图形显示接口。 1 2 2 国内的研究概况 我国开展数控加工仿真技术的研究始于8 0 年代末，到目前为止，已取得了一些 阶段性研究成果，但由于受硬件和软件条件的限制，真正以实体造型为基础的系统 几乎没有。但采用简化方法的系统已有不少。典型的系统尤以清华大学和华中理工 大学在国家高技术发展计划( 8 6 3 ) c i m s 主题支持下研制的加工过程仿真器h m p s 为代表。该系统提出了简化的实体r a y r e p 表示方法( 简化了实体间的布尔运算过 程，大大提高了材料切除过程的仿真速度) 和v o x e l + b r e p 算法( 解决了加工过程 碰撞和干涉检验问题) 。国内在数控加工仿真技术上的研究和应用与国外还有不小的 差距，因此，无论从理论上还是从实践上，我们都还需要继续努力地工作。 1 3 论文的选题背景和意义 在计算机辅助设计和制造中，数控加工仿真是其重要的关键技术之。对于一 个成熟的c a d c a m c n c 系统而言，数控加工仿真功能模块是实现设计者正确的设 计和制造意图的关键，在现代制造业巾，产品一趋频繁的更新换代给传统的设计生 产方式带来了强有力的冲击，这些传统方式由于过分依赖于人的设计生产方式显然 已不再满足生产的需要，而数控仿真技术是反映产品的数控加工是否能达到预期效 果的一种重要的技术手段。因此对数控仿真技术的研究具有重要得意义。 第6 页 南京航空航天火学硕士学位论文 _ h 一一 一一 同时，由于当代机械制造加工精度大大提高，随之而来的就是对c n c 加工的检 验的要求也大大地提高。由子现在c a d 和c a m 的操作对象已是完全基于实体，而 实体级的数据将确保有更高的精度，因此我们希望在仿真阶段也能够基于实体，在 显示观察上实现三维实体效果并且最终的加工结果( 毛坯) 也保留有三维实体的数 据。 在真实加工过程中，输送到数控机床上的将是经过后置处理的n c 代码。而不 同数控系统能够识别的n c 代码是不同的，为满足实际生产的需要，我们的仿真应 该能够建立在基于n c 代码的通用性仿真上，即对于不同数控系统的n c 代码格式， 我们都应该能够识别并加以仿真。 南京航空航天大学c a d c a m 工程研究中心进行c a d c a m 技术研究、软件开 发和推广应用已有二十多年的历史，相继研制丌发了“b s u r f 三维c a d 系统”、“计 算机辅助飞机外形设计系统”、“超人( s u p e r m a n ) c a d c a m 集成系统”等具有自 主版权的软件系统，并在航空工业及其他民用工业中推广应用，产生了重大的经济 效益，同时也为民族c a d c a m 产业的振兴和崛起作出了贡献。 本文总结了作者在南京航空航天大学c a d c a m 工程研究中心攻读硕士学位期 间，在国家攻关项目课题支持下，为配合超人2 0 0 0 ( s u p e r m a n 2 0 0 0 ) c a d c a m 集 成系统而研究开发了一个基于实体的通用车削仿真系统过程中所作的工作。具体主 要包括以下几个方面的内容： l 。基于实体的车削加工仿真基础算法的研究。采用实体建模与三维图形显示技 术实现数控车削零件加工的动态仿真。主要介绍了结合车床加工的特点，在合理简 化的基础上利用实体建模技术构造刀具轨迹扫略体，并与毛坯进行布尔差运算，并 采用三角化离散表面，动态刷新显示的技术实现加工过程的动态显示仿真。这些算 法是数控加工仿真系统研究和实现的基础。 2 基于n c 代码的通用仿真技术的研究。通过分析数控系统和n c 代码的特点， 建立仿真通用接口，并提i 姑代码翻译的基本思路。并在此基础上通过仿真系统和翻 译模块的有机结合，实现基于n c 代码的仿真的通用性。 3 仿真系统的分析与设计。在仿真算法研究的基础上，作者从面向对象的角度 出发，探讨了采用o o 方法分析与设计该车削仿真系统的技术。 本课题的研究目的是在南京航空航天大学c a d c a m 工程研究中心多年来进行 c a d c a m 技术研究、开发过程巾技术积累的基础上，结合国家“九五”重点科技 攻关专题“面向制造业的三维曲面造型与数控加工系统开发”与江苏省“九五”科 技攻关项目“计算机辅助数控编程与加工仿真系统开发”，对数控加工仿真技术进行 深入的研究，以期在一些关键技术和算法的上实现突破，为新一代系统的开发奠定 基础。以推动我国自主版权c a d c a m 软件产业的发展。 第7 页 垫! 塞堡塑堡型墼丝! 型堕塞墨篓丝塑塑兰壅翌一 第二章基于实体的数控车削加工仿真基础算法 2 1 引言 国内外许多研究人员对数控加工动态仿真技术作了大量的工作，研究的工作重 点主要集中在几何建模与图形显示两方面。几何建模是指在计算机里组织数据类型 和数据结构以表示刀具，毛坯，夹具乃至机床，同时还有加工的中间件和最终加工 完毕后的零件，同时采用相应高效的算法来模拟整个切削加工过程( 主要是对毛坯 的布尔操作) 。而图像显示是指将整个切削过程( 主要包括毛坯体的变化等) 真实地 在计算机屏幕上表现出来。 自从1 9 7 0 年基于线框的c a d 系统出现以来，计算机辅助设计技术已得到了长 足的发展，已基本实现了从基于线框到基于实体的转变。而与之相匹配的仿真技术， 也很快经历了从线框仿真( 譬如a n d e r s o n1 9 7 8 1 ”1 ) 到实体仿真( h e r b e r t1 9 8 6 1 ”1 ) 的转变，但可惜的是，在八十年代末由于计算机硬件和软件的制约，这种转变并不 是那样的成功。因此人们提出了许多改良的算法。这些高效的算法实际上都是本着 简化实体模型的思想，通过将三维实体离散，从而在一维与二维乃至维与一维上 进行布尔求交运算，并将实体建模与图形显示通过一些巧妙的方法结合起来。当然， 简化的结果必然导致计算结果的不准确，从而加深了加工质量检验的难度。目前比 较成功的仿真系统基本上都是基于以上的思想丌发的。 目前，随着三维实体造型技术和图形显示算法的发展，人们开发出了很多成熟 的，乃至商业化的三维实体造型库和图形库，这为开展基于实体的仿真研究构造了 强大的基础平台。作者所研究开发的动态仿真系统正是基于著名的a c i s 实体平台 和o p e n g l 图形库。 2 2 三维实体造型平台a c l s 2 2 1a c i s 概述 a c i s 是由美国s p a t i a lt e c h n o l o g y 公司于1 9 9 0 年推出的支持三维数字建模的核 心系统，为开发三维造型的应用系统提供几何造型平台。a c i s 采用面向对象的数 据结构，用c + + 编程，集线框、曲面和实体造型于一体，并允许这三种表示共存于 统一的数掂结构中。 a c i s 的重要特点是支持线框、曲面、实体统一表示的非正则形体造型技术。能 够处理非流形形体。能够使得线架造型、曲面造型、实体造型任意灵活组合使用。 第b 页 南京航空航天大学碗：仁学位论文 一一一一 a c i s 产品使用采用软件组件技术与丌放式结构。基于组件的功能可为设计者提 供很大程度的柔性，通过组件技术提供的功能模块，开发者可方便地把它嵌入到应 用中，并能够快速适应前沿技术和扩展核心功能。通过采用软件组件技术，可使不 同用户、不同应用采用不同的组件组合，用户可使用所需的部件，也可以用自己开 发的部件来替代a c i s 的部件。a c i s 产品包括一系列的a c l s3 d t 几何造型和多种 可选择的软件包，一个软件包类似于一个或多个部件，提供一些高级专用函数，可 以单独出售给需要特定功能的用户。a c i s 产品可向外出售接口源程序，同时鼓励各 家软件公司在a c i s 核心开发系统的基础上发展与s t e p 标准相兼容的集成制造系 统。 到目前为止，a c i s3 dt o o l k i t 在世界上已有3 8 0 多个基于它的开发商，并有2 2 0 多个基于它的商业应用，最终用户已达一百八十万。许多著名的大型系统都是以a c i s 作为造型内核，如a u t o c a d ，c a d k e y ，m e c h a n i c a ld e s k t o p ，b r a v o ，t r i s p e c t i v e s ， t u r b o c a d ，s o l i dm o d e l e r ，v e l l u ms o l i d 等。 目前s p a t i a lt e c h n o l o g y 公司已经推出了a c i s 6 0 版本，已包含了i g e s 、s t e p 、 c a t i a 等接口操作，互用性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 更强；提出了全新的布尔操作理论一 可选择的布尔操作使两个或多个实体的操作更灵活更快速：增强了高级曲面操作、 特征命名、错误信息反馈等功能；在原有o p e n g l 的基础上利用v i s m a n ( v i s u a l i z a t i o nm a n a g e r ) 技术使模型显示和渲染更加快速、便捷。 a c i s 功能的不断完善也代表着世界上三维几何造型技术发展的前沿，本课题在 a c i s 6 0 几何平台上开发的，以便能够保证尽可能的和国外高档c a d c a m 软件的 接轨。 2 2 1 1a c l s 模型表示 a c i s 模型表示由各种属性( a t t r i b u t e s ) 、几何( g e o m e t r i e s ) 和拓扑( t o p o l o g i e s ) 构成。几何、拓扑和属性三者统一由最基础的抽象类e n t i t y 所派生。虽然e n n t y 本身不代表任何对象，但在e n t i t y 中定义了它所有描述实体的子类应具有的数据 和方法( 如存储、恢复、回溯等) 。 a c i s 是用c + + 刀：发的，用c + + 类的层次实现了概念模型，c h 类的层次如图2 ，l 所示。几何是指模型的物理描述，几何类用来定义通用的曲线、曲面几何元素。几 何类分为两个层次：底层是通用构造几何( c o n s t r u c t i o ng e o m e t r y ) 类，它并不与物 体的数据结构建立永久性联系；在物体的固定数据结构中再设置一层对应的上层模 型几何( m o d e lg e o m e t r y ) 类。几何类分作曲线、曲面和实体三大基本类。从e n t i t y 派生的表示模型几何的类为c u r v e ( 派生类为e l l i p s e ，i n c u r v e 和 s t r a i g h t ) ，p c u r v e ，p o i n t ，s u r f a c e ( 派生类为c o n e ，p l a n e ，s p h e r e ， 第9 页 茎王壅签塑望旦塑丝主型堕塞墨堑塑塑壅兰壅堡一 s p l i n e ，和t o r u s ) 和t r a n s f o r m 。特定的几何信息对这些子类来说是私有 的，对这些类的访问都需通过成员函数进行。 图2 1a c i s 巾c + + 类的层次图 拓扑是指各种几何实体在空间的关联。a c l s 的拓扑包括b o d y ( 体) 、l u m p ( 块) 、s h e l l ( 壳) 、s u b s h e l l ( 子壳) 、f a c e ( 面) 、l o o p ( 环) 、w i r e ( 线 框) 、c o e d g e ( 公共边) 、e d g e ( 边) 和v e r t e x ( 顶点) 。它们继承了e n t i t y 的所有性质，并增加了专有的结构数据及其访问这些数据的接口。从e n t i t y 获得 的数据结构可以去掉模型中的冗余数据，并且允许数据的分割，可以将大模型的数 据限制在某个特定的区域之内。a c i s 把线框( w i r e f r a m e ) 、曲面( s u r f a c e ) 和实体( s o l i d ) 存储在统一的数掘结构中，这种共存机制使a c i s 支持混合维模 型和各种非流型模型。 a c i s 的造型方法为典型的边界表示法，边界表示法允许线、面、体并存于一个 物体模型之中，面、环、边可以不封闭或无界，同时允许加入零件属性等等，为灵 活、通用的产品建模提供了强有力的工具。图2 2 描述了拓扑对象间的关系。 出于其结构中加了子壳与共边，因而可表示非流行的拓扑结构。以共边为例， 其各元素间联系如下：共边用来存放一条边与相邻边以及环的关系，在正常的实体 中一条边严格为两个邻面所共有，这时共边成对出现，各与一个面环相关联。一个 环的所有共边都用环形双向链连接，一个指针指向前趋边，另一个指针指向后继边。 每条边的一对共边之问用伴生( p a r t n e r ) 指针相连。但是也允许变通情况出现。例 如当环粗封闭时，共边的前后指针双向链表同样不封闭。当壳不封闭时，自由边界 箱1 0 页 堕室堕窒堕鲞堂堕! ：堂焦堡壅一 上的边只有一条共边，桐应的伴生指针为零。当壳为非流行时，一条边有两个以上 邻面每个面备有一条共边，所有这些共边刚环表连接。对于线框模型，体由一条 或多条不连通的线形成有向或无向图。每条线足一串边链。这时每条边只有一条共 边，同一顶点上的兆边连成环表，环表巾的前后指针按顶点是共边的首点还是末点 | 束区分。 图2 2a c i s 中的拓扑对象关系 属性类a t t r i b 提供了定义系统属性和用广i 属性的接口函数。a t t r i b 给应用 提供了确定属性类型的手段及其处理方法。e n t i t y 还包含从创建的对象指向系统 定义的及用户定义的属性的指针。当然并不是所有的对象都使用这些属性指针，但 对任何对象来说，a c i s 都支持这些指针的创建和删除。 2 2 1 2a c l s 的界面( 开发接口) 基于a c i s 的丌发接口有三个：a p i 函数、c + + 类和d i 函数。开发者可以通过 创建自己的a p i 和类来扩展a c i s 的功能。c + + 应用位于a c i s 顶部，通过a p i 、类 和d i 与应用交互。 ”a p i 函数( a p p l i c a t i o n p r o c e d u r a li n t e r f a c e ) ： a p i 函数提供了应用与a c i s 问的主要接口。应用通过调用a p i 函数创建、修 改或恢复数据，a p i 函数将造型功能与应用支持特性集成起来，应用支持特性如变 量错误检查和回溯。当在a p i 例程巾发生错误时，a c i s 可立即自动回溯到调用此a p i 例程前的状态，从而保证模型不会崩溃。 无论a c i s 底层的数据结构或函数如何修改，这些a p i 函数在每一版本中均保 持不变。 2 ) 类( c l a s s ) ： 第j l 页 基于实体的通用数控下削仿真系统的研究与实现 类( c l a s s e s ) 界面是定义a c i s 几何和拓扑模型及其它a c i s 特征的c + + 类的集 合，开发者可以直接利用这些类和方法，为特定的用途导出新的类和方法a 3 1d i 函数( d i r e c ti n t e r f a c e ) ： d i 函数提供了不依赖于a p i 而对a c i s 造型功能可直接访问的接口，与a p i 不 同的是，这些函数在各版本中可能有变化。d i 函数并不能访问a c i s 中的所有功能， 它们通常用于那些并不改变模型的操作，如查i _ f 等功能。另外，d i 函数提供了底层 样条库的接口。 2 2 1 3 支持实体仿真的a c i s 的功能 a c i s 产品由两部分构成：核心模块( a c i s3 dt o o l k i t ) 和多种可选模块( o p t i o n a l h u s k s ) 。在核心模块中提供了基本、通用功能，而在可选模块中提供了一些更为高 级的和更专用的功能，其中在开发本文介绍的车削仿真系统中所使用到的功能模块 主要有： 构造实体技术：可通过两个点生成一个边，由多个边生成一个线框，再由 线框通过扫略( s w e e p ) 生成体( b o d y ) ，或直接通过给定些基本的几何信息构造 一些基本实体体素，例如立方体( b l o c k ) ，圆柱体( c y l i n d e r ) 等。 布尔运算：布尔运算( b o o l e a no p e r a t i o n s ) 包括并、交、差运算；在仿真过 程巾主要使用布尔运算的差( s u b t r a c t ) 运算，即利用毛坯体来减去( 一) 刀具轨迹 扫略休。 显示与交互：a c i s 的显示方式包括线框图、多面体图、多面体消隐图、光 照图。在仿真过程中我们在a c i s 实体的面一级对毛坯体进行三角化，实现三维实 体的消隐和光照。 模型管理：仿真系统构造种主要使用了a c i s 的零件管理及回溯功能。通过 a c i s 的零件管理组件( p a r tm a n a g e m e n tc o m p o n e n t ) ，可把实体组织成零件，并且 可以以各种方式对零件进行操作。通过回溯功能可在a c i s 模型的各状态间切换， 支持线性或非线性的历史流，并支持多个历史流。a c i s 作为一个商用的三维实体造 型系统，主要支持c a d 的造型功能，为了利用他的模型管理功能，我们可以将仿真 过程中的毛坯认为是一个a c i s 期待管理的设计零件，整个仿真加工过程可以看成 是对毛坯零件进行系列的布尔运算，这和普通的c a d 过程没有什么本质上的不 同，只是布尔运算量相对大得多而已，其他a c i s 提供的管理功能对于仿真系统是 完全一样的。 2 3 仿真图形开发环境- - o p e n g l 数控加工动态仿真的重要组成部分就是在汁算机屏幂上用真实感图形来显示经 第1 2 页 塑塞堕至堕查查堂堡：! ! ! 堡笙塞 过布尔运算的工件和刀具的模型，从而以图形的方式描述数控加工的整个切削过程。 从实际工程应用的角度出发，数控加工动态仿真系统对其图形显示性能的要求可归 纳为以下三个方面： 生成商品质的具有真实感效果的显示图，即建立物体空间的光