（机械设计及理论专业论文）基于opengl与vc的虚拟数控车床加工仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页要随着科技的发展，越来越多的新技术应用于制造领域。为了降低生产成本、提高生产效率，引入信息技术对传统制造业进行改造成为当代制造业发展的必然趋势。随着计算机网络和虚拟现实等先进技术的出现，虚拟制造( v f f t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 作为一种全新的制造策略被广泛地研究和应用，这是生产技术发展和现代科学技术发展的必然产物。数控技术在当今制造业中处于重要的地位，在数控技术中引入信息技术是虚拟制造技术的发展趋势，虚拟数控技术成为了虚拟制造的支撑技术之一。本文运用o p e n g l 技术，以v i s u a lc + + 6 0 为开发工具，采用实体几何建模思想，建立机床以及加工模块的三维模型，构建数控仿真系统的虚拟加工环境；运用m f c 框架与o p e n g l 编程，进行机床运动仿真及加工切削仿真。本文以上海机床厂c k 0 6 3 2型车床为原型，建立的虚拟数控车床系统包括：机床场景模块、n c 代码解析模块、虚拟切削模块、刀具及毛坯选择模块和操作面板等模块。实验表明，仿真效果达到了预期要求，具有较好的现实意义。论文主要工作如下：、( 1 ) 虚拟车床模型的构建在综合分析虚拟数控系统所依赖的软硬件基础上，结合多种虚拟车床模型的构建方法，为满足虚拟系统的可扩展性的需求，确定了虚拟数控车床模型动静态划分的构建方法。对于车床静态模型部分选择外部建模的方法，这样不仅减少了o p e n g l 建模的难度，。而且便于虚拟系统进行多种机床扩展；动态模型由o p e n g l 直接编程建模，为实现虚拟切削算法奠定基础。、( 2 ) 虚拟切削方法的研究从数控车床的加工特点出发，结合对虚拟数控车床加工过程的研究，确定切削算法，满足虚拟切削的实时性。本文选择了基于实体模型造型的方法，对工件模型进行单元体划分，实现虚拟加工的动态仿真。( 3 ) 人机交互界面的开发系统的界面给用户一个直观的感觉，因此界面的开发具有较为重要的作用。本文通过v c + + 6 o 中的m f c 框架，设计开发了友好的人机交互界面。用户可以通过虚拟的操作面板直接对虚拟数控车床进行操作，通过菜单选项和虚拟的面板按钮，用户就可西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页以完成所有需要的加工操作。最后，实现了基于o p e n g l 与v c 抖的虚拟数控车床加工仿真。仿真实验表明该系统具有较理想的加工真实感。本课题的研究有助于虚拟数控技术多算法的扩展，有助于虚拟数控加工仿真系统在企业产品生产制造领域的应用。关键词：虚拟车床：数控；加工仿真；v c + + ；o p e n g l西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页a b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r en e wt e c h n o l o g i e sh a v eb e e nu s e di nm a n u f a c t u r i n g i n t r o d u c i n gt h ei n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yt ot h ep r o c e s so ft h et r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yw h i c hb a s e do nl o w e rp r o d u c t i o nc o s t sa n di m p r o v i n ge f f i c i e n c yh a sb e c o m ei n e v i t a b l et r e n df o rm o d e r nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y a f t e ri n t e r n e tw o r k sa n dv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g ya n do t h e ra d v a n c e dt e c h n o l o g i e sa p p e a r e d ，v i r t u a lm a n u f a c t u r i n gi sb e i n gw i d e l ys t u d i e da n da p p l i e da san e wm a n u f a c t u r i n gs t r a t e g y i ti sn o to n l yt h ei n e v i t a b l ed e v e l o p m e n to ft h ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n dm o d e r ns c i e n c eb u ta l s od e v e l o p m e n tt r e n df o rt h em a n u f a c t u r i n gs y s t e m s n o w a d a y sc n ci si m p o r t a n tf o rm a n u f a c t u r i n g ，t h e r e f o r e ；i n t r o d u c i n gi n f o r m a t i o n - t e c h n o l o g yi n t on u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g yi sv e r yi m p o r t a n t v i r t u a lc n ct e c h n o l o g yh a sb e c o m eo n eo ft h es u p p o r t i n gt e c h n o l o g yo fv i r t u a lm a n u f a c t u r i n g t h ev i r t u a ln cm a c h i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e db ya d o p t i n gv i r t u a lc + + 6 oa n do p e n g l f i r s t l y , t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l so fl a t h e sa n dp r o c e s s i n gm o d u l e sa r ee s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fs o l i dg e o m e t r ym o d e l i n gi d e a s e c o n d l y , t h em a c h i n et o o lm o t i o ns i m u l a t i 0 1 1a n dm a c h i n i n gs i m u l a t i o ni sa c h i e y e db yu s i n gm f cf r a m e w o r ka n dp r o g r a mo fo p e n g l 1 f l l ct y p eo fl a t h ei nt h es y s t e mi sc k 0 6 3 2m a d ei ns h a n g h a il a t h ef a c t o r y n l es y s t e mc o n s i s t so fm a c h i n es c e n em o d u l e ，n cc o d ea n a l y s i sm o d u l e ，v t r t u a lm a c h i n i n gm o d u l e ，t h et o o la n dt h eb l a n ks e l e c t i o nm o d u l e ，a n dc o n t r o lp a n e lm o d u l e e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sm e e tt h ee x p e c t e dr e q u i r e m e n t sa n dh a v eg o o dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h em a i nw o r ki nt h i sp a p e l c a nb ec o n c l u d e da sf o l l o w s ：( 1 ) b u i l dav i r t u a ll a t h em o d e lw i t hac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so l lw h i c ht h ev i r t u a lc n cs y s t e mb a s e do l lh a r d w a r ea n ds o f h e a r e t h e r ea le av a r i e t yo fm o d e l i l l gm e t h o do fv i r t u a ll a t h e t om e e tt h en e e d so ft h es c a l a b i l i t y , t h i ss y s t e r nc h o o s et h ec o n s t r u c t i o nm e t h o dw h i c hi sa p a r tb yd i f f e r e n to fs t a t i ca n dd y n a m i cm o d e l s e l e c tt h ee x t e r n a lm o d e l i n gs o f tt ob u i l dt h es t a t i cl a t h em o d e l i tn o to n l yr e d u c e dt h ed i f f i c u l t yo fm o d e l i n gw i t ho p e n g l ，b u ta l s oc o n d u c i v et oe x p a n dt h ev i r t u a ls y s t e m u s i n gt h eo p e n g lt ob u i l dd y n a m i cm o d e l sd i r e c t l y 一( 2 ) s t u d yt h em e t h o do ft h ev i r t u a lc u t t i n g t l l i ss y s t e mc o m b i n et h ec h a r a c t e r i s t i c so fc n cl a t h em a c h i n i n gw i t ht h ep r o c e s s i n go ft h ev i r t u a lc n cl a t h e d e t e r m i n et h ec u t t i n ga l g o r i t h m ，m e e tt h er e a l t i m ev i r t u a lc u t t i n g t h ep a p e ra d o p t e dt h es o l i dm o d e l i n gm e t h o d s ( 3 ) d e v e l o p m e n to fh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e as y s t e m si n t u i t i v ei n t e r f a c eg i v e st h eu s e ra ni n t u i t i v ef e e l i n g i n t e r f a c eh a sp l a y e dam o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r u s et h em f ca n dv c + + 6 0t od e v e l o pt h ef r i e n d l yi n t e r a c t i v ei n t e r f a c e u s e r sc a nu s et h ev i r t u a lc o n t r o lp a n e lt oo p e r a t et l l ev i r t u a lc n cl a t h e t h eu s e rc a nc o m p l e t ea 1 1t h em a c h i n i n go p e r a t i o n sj u s tw i t ht h em e n uo p t i o n sa n dav i r t u a lp a n e lb u t t o n s ，f i n a l l y ，t h es y s t e mc a r r i e do u tt h ev i r t u a lc n cl a t h em a c h i n i n gs i m u l a t i o nb a s e do no p e n g la n dv c + + s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mh a sas e n s eo fr e a l i t yi np r o c e s so fm a c h i n i n g k e y w o r d s ：v i r t u a ll a t h e ；n c ；m a c h i n i n gs i m u l a t i o n ；v c + + ：o p e n g l西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页葺詈鲁皇皇鼍置曼舅舅量置墨置邑置皇鼍量皇曼曼皇鼻i 鼍i 曼詈皇皇曼皇量曼蔓曼量量量皇皇鼍皇量曼曼曼曼量量喜量量鲁鼍皇曼量量暑皇曼量量曼曼皇1 1 虚拟制造技术概述第1 章绪论随着全球制造业日益激烈的竞争，影响制造业全球竞争力的决定性指标已经由产品的生产数量，逐步变成了产品的开发时间( t i m e ) 、质量( q u a l i t y ) 、成本( c o s t ) 以及相应的服务( s e r v i c e ) 。因此在对传统制造业进行改造的过程中引入信息技术成为了当代制造一业发展的必然趋势。为了适应市场的瞬息万变，生产制造业的主导生产形式发生了转变，由单一品种大批量生产逐步变为多品种小批量生产的形式。为了进一步提高生产效率，降低生产成本，缩短生产周期，越来越多的新技术被引入到设计和制造领域中，也因此产生了许多新的制造技术和制造系统，如柔性制造系统( f m s ) 、计算机集成制造系统( c i m s ) 、智能制造系统( i m s ) 等【1 1 。但是这些新技术的发展依旧面临着各种问题，新技术的研究和开发并没有停滞。虚拟制造就是在这样的背景下出现并被广泛地研究和应用2 1 ，这是生产技术发展和现代科学技术发展的必然产物，同样也是当今制造产业技术与制造系统发展的必然趋势。1 1 1 虚拟制造简述虚拟制造是真实的制造过程在计算机上的映射，即采用虚拟现实技术进行计算机仿真，通过计算机客户端与服务器之间的数据协调与交互工作，实现新产品的开发、制造工艺的设计、制造性能分析、产品质量检测以及企业的管理等本质过程，以加强生产过程中管理层对相应问题的决策能力。虚拟制造被定义为：它是一个集成了多项计算机新技术的可运行的虚拟制造环境，用来提高真实生产环节各个层次的决策和控制【3 1 。主要体现在以下多个方面：( 1 ) v l v l 可以通过建模和仿真，真实的反映生产环节的过程，从而提高加工过程的质量。、( 2 ) i p p d ( i n t e g r a t e dp r o d u c tp r o c e s sd e v e l o p m e n t ，集成制造加工开发技术) 的实施可以通过v m 获得一个开发手段，其作用主要在于产品的成本预测以及新产品预开发的控制功能。( 3 ) v m 可以使产品开发工作者根据在计算机中模拟仿真的虚拟环境，于真实生产之西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页前就可以对产品进行技术上或者商业上的设计生产以及进行虚拟制造。但是如今的v m系统还不足以对这样整个过程进行仿真。( 4 ) v m 对于产品的制造是基于模型的层面，使用的模型受到真实加工环境的影响，因此使用v m 系统对生产的仿真可以在虚拟空间与真实空间中进行比对，从而在真实加工生产之前尽最大程度的降低生产成本。虚拟制造通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题。由虚拟制造引申而来的虚拟制造技术【4 1 ( v mt e c h n o l o g y ，v m t ) 是由许多先进学科、先进知识组成的综合系统技术，是计算机仿真技术与虚拟现实技术的结合。该技术可以在产品设计阶段，实时模拟对产品设计的影响，计算产品的成本，预测产品的性能和制造性，甚至模拟出产品的整个生产制造过程。更加有利于生产制造的有效性和灵活性，有助于工厂和车间更加合理的配置资源、分配生产布局、优化产品开发的成本和周期，以达到生产效率最大化。虚拟制造技术使得制造技术不再局限于传统经验，它为工程师们提供了一个全新的开发环境，从产品概念的形成到全方位的设计制造都步入了一个全过程的、三维可视的、人机交互的新时代，完全改变了传统的产品开发过程，虚拟制造技术的诞生标志着制造业进入了一个全方位的新阶段。虚拟制造系统( v ms y s t e m ，v m s ) 是实现虚拟制造技术的制造系统，是现实制造系统( r e a lm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，r m s ) 在虚拟环境下的映射。虚拟制造系统有两类组成虚拟逻辑系统和虚拟物理系统。前者主要针对产品的设计、开发计划、开发管理等信息；后者主要针对虚拟机器、虚拟材料、虚拟工人等f 5 】o虚拟制造技术和虚拟制造系统涵盖了整个产品开发制造的各个方面，贯穿了产品的整个生命周期。虚拟制造技术和虚拟制造系统包括了多项科学技术，是对网络技术、计算机图形学、c a d c a m 技术、计算机仿真技术、计算机集成制造技术、虚拟现实技术等多学科先进技术的综合应用【6 】。1 1 2 虚拟数控加工技术的发展川虚拟数控加工技术自从出现以来，它的发展就与计算机技术的发展紧密相连，计算机技术的迅猛发展带动了虚拟数控加工技术的发展。同样，虚拟数控j n - r 技术也是建立在数控技术的发展之上，数控技术的发展以国外的少数企业为领跑者，国内的数控技术发展一直处于落后阶段，但随着近年来国家对生产制造业的大力扶持，国内的数西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页控技术开发迅速向国外先进技术靠拢，同时带动虚拟数控技术迅速发展。下面将国内外虚拟数控技术的发展作简要说明。从上世纪7 0 年代起至九十年代中期，以美国大学开始虚拟数控研究历经了从二维线框仿真，到三维图形仿真的过程。从开始仅仅帮助开发人员检测刀具碰撞问题，到最终虚拟制造概念的提出，以美国i b m 公司于麻省理工学院为代表的科研机构为虚拟数控技术的发展贡献了许多有划时代意义的力量。随着计算机硬件的发展，虚拟数控技术不再是每次仿真需要几天那么的不切合实际。如今的虚拟数控技术已经可以实时仿真，并且可以达到非常好的交互式与沉浸感的效果。虚拟制造技术逐步在制造业领域确立了地位。我国对数控加工图形仿真技术的研究始于2 0 世纪9 0 年代初，最开始基于数控车削编程加工系统的动态仿真，仅适用于回转体零件的加工。随着研究技术的进步，仿真的研究范围有了一定程度的扩大，但是也仅限于箱体类零件加工。同样，受到计算机技术的制约，这些研究工作也都是建立在2 d 图形基础上的。2 d 图形验证的最大缺点是不能够使工程技术人员对数控加工过程有直观的认识。随着国内计算机技术的迅速发展，国内的相关科研机构也以此为契机对虚拟数控技术开展了大量的研究工作。首先不再以2 d 图形的仿真方法为基础，国内许多重点工科院校和科研机构逐步将图形验证技术的基本点转向更加直观的3 d 图形技术，多年来陆续开发了一些3 d 虚拟数控加工仿真系统。国内开展的虚拟数控加工技术研究及发展情况简述如下：清华大学开发的三维数控仿真软件n c m s s ，能提供数控车削加工的虚拟仿真，并能在多个视图上直观地显示刀具选择、加工轨迹和工件轮廓变化，另外系统可以提供n c 代码调试等功能。大连理工大学开发的曲面加工微机仿真器，主要对齿轮、空间凸轮、特殊件进行特定加工的虚拟仿真，主要用于加工误差的分析，对加工工艺参数提供改进参考。合肥工业大学开发的数控车削自动编程系统h f a p t z ，以实时显示车削中刀具加工的轨迹，工件毛坯及零件实体模型的形状变化，并对刀具加工实时作干涉检验。华中科技大学c a d 技术中心开发的数控仿真系统n p s ，一种数控车削加工仿真系统，加工特点是整个过程由g 代码直接驱动，主要作用是针对编程系统的n c 代码进行校验，具有建立虚拟车床加工模型的功能，能够显示正确的车床形体，并且完成快速的由三维图形显示的加工模拟过程。华中理工大学和清华大学合作开发的加工过程模拟仿真器m p s ，以实体造型为基础，使用数控程序驱动仿真系统，并且在通讯协议西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页下支持联网运行机制，可以说是国内数控加工仿真领域的代表，但是这套系统不具备几何精度检验的功能。由于我国计算机技术综合发展相对滞后，很大程度上制约了c a d c a m 软件、虚拟仿真技术和三维虚拟建模技术等领域的发展。国外已有大量的科研机构进行虚拟制造技术的研究，取得了很多实用性的成果。我国在虚拟数控仿真方面的研究基本上处在起跑线的位置，技术还远远落后于发达国家，这对我国原本就比较落后的制造业发展非常不利。制造业是一个国家生产力的基础，是国家国民经济的支柱，它象征了一个国家国际竞争力的强弱，决定了一个国家在世界上的经济地位。对于代表着先进技术的虚拟数控仿真技术，应当深入的研究并大力发展创新，使我国的机械制造行业早日超越发达国家。实际的数控加工不仅仅是毛坯几何形态的切削变化，更多的还是物理方面一力与材料之间的变化，因此虚拟数控加工分为几何仿真和物理仿真，目前的研究主要集中在几何仿真方面。最先进的虚拟数控加工软件也只能进行初步的物理仿真，如数控加工中常见的现象：刀具损坏、加工失效、机械振动等都无法实现完全仿真。如何研究兼顾物理分析的几何仿真技术，将是虚拟数控加工技术今后的重要研究方面问。虚拟数控机床概述【8 】虚拟现实技术与数控技术的结合，就产生了虚拟数控( v h 嚏u a ln u m e f i c a lc o n 臼0 1 ) 的概念。虚拟数控机床，即虚拟制造环境中的数控机床模型。虚拟数控机床的最终目标是为虚拟制造建立一个真实的加工环境，用于仿真和评估加工过程对产品质量的影响，用户可以输入n c 代码、工件毛坯模型和刀具选择，最终得到关于工件加工特性、刀具运动状况和加工效率等信息，用于对虚拟制造中产品的整个生命周期各项环节进行评价。虚拟数控机床的应用是当代制造业革命性的进步。由于虚拟数控机床的数字性，可以实现数字模型的显示和分析，更易于进行软件的更新。另外虚拟数控机床可以通过与建模软件的接口方便的实现机床模型的更新。采用虚拟数控的技术能够迅速完成数控切削参数的优化、调试数控程序、评定加工效率和误差、提高产品设计质量、减少成本、缩短周期，另外添加了网络功能的虚拟数控机床为实现远程加工奠定基础。利用虚拟数控机床加工的完整性和与用户之间良好的交互性，可以帮助企业或者学校实西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页现快捷方便且不消耗资源的培训工作。配合加工展示，也可以实现机床生产厂商的新，产品展示。1 3 虚拟数控车床系统的仿真技术虚拟数控加工过程仿真主要包括两个部分：虚拟数控车床建模和虚拟切削过程仿真。对数控车床建模，即在虚拟加工环境中建立数控车床，是虚拟数控加工过程仿真的关键。虚拟数控加工仿真技术是计算机辅助制造技术的重要的组成部分之一，也是c a d c 川c n c 技术中降低生产成本、缩短设计周期、提高生产效率的重要手段。虚拟数控系统的仿真技术是数控技术近几十年内的发展和计算机图形技术与硬件技术迅猛发展的必然结果。数控仿真技术为验证数控加工程序的可靠性以及预加工过程提供了强有力的工具【9 1 。1 4 论文研究的主要内容与意义本文在分析虚拟数控车床加工仿真系统的功能、目标、总体结构的基础上，提出虚拟数控加工系统的解决方案，并最终以上海c k 0 6 3 2 数控机床为原型实现了数控机床在计算机系统中的虚拟仿真，完成了整个虚拟系统的开发工作。具体的研究工作为：( 1 ) 虚拟车床模型的构建在综合分析虚拟数控系统所依赖的软硬件基础上，结合多种虚拟车床模型的构建方法，为满足虚拟系统可以扩展到其他类型n - r n 造的需求，确定了虚拟数控车床模型的构建方法。( 2 ) 虚拟切削方法的研究对于虚拟数控车床的力n - r - 过程，确定了切削算法，满足了虚拟切削的实时性。本文选择了基于实体模型造型的方法，对工件模型进行单元体划分，实现虚拟加工的动态仿真。( 3 ) 人机交互界面的开发软件系统的界面给用户一个直观的感觉，因此对于界面的开发也具有较为重要的意义，本文通过v c 抖中的m f c 框架开发友好的人机交互界面。用户可以通过虚拟的操作面板直接对虚拟数控车床进行操作，通过菜单选项和虚拟的面板按钮，用户就可以西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页置置暑鼍皇鲁囊鼍| 置量罾鼍曼拿皇曼曼鼍曼皇皇量量葛曼曼皇曼皇曼量鼍皇曼曼曼量鼍量曼皇曼曼鼻i i 量曼曼璺曼皇曼量量皇皇曼完成所有需要的加工操作。，随着机械加工精度、数控车床性能、机械零件加工的复杂度不断提高，使用数控编程的难度也越来越大，n c 程序出现错误的现象难以避免。如果数控编程生成的n c 代码出现错误的话，往往会导致加工零件的切削错误，甚至导致更为重要的刀具与工作台之间的干涉与碰撞。这样将会导致加工零件因不能达到要求而无法使用，甚至损坏机床设备。针对这些难以避免的错误，为了减少不必要的损失，在实际加工过程中往往在开始进行生产加工之前要进行“试切 工作。“试切”就是对n c 代码的检验，可以使用相同规格的软材质毛坯进行试切。由此显现出虚拟数控技术的优越性，因为虚拟数控车床加工系统是在计算机上完成的，仅仅是一套虚拟动态图像仿真软件，不会造成真实材料的浪费和设备的损坏，又可以直观的查看n c 代码在实际机床上的加工效果：可以便捷及时的发现加工n c 代码的错误，大大降低生产成本，节约人力物力，降低加工故障率，从而提高生产效率，为企业增加竞争力。虚拟数控系统还可以对数控加工人员进行培训，无论是企业的加工工人还是学校的学生，都可以方便的使用虚拟数控系统进行数控培训。使用真实的数控机床对这些人员进行培训，由于新手人员的不熟练，使用真实的数控机床对这些人员进行培训，往往会造成误操作，轻则造成设备的损坏、财产的流失，重则造成对人员生命的危害，使用虚拟系统避免了使用真实数控机床对这些人员进行培训会发生的弊端。所以，在先进制造技术的研究中，建立虚拟数控机床加工仿真系统，研究虚拟数控技术有着十分重要的意义。西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页第2 章虚拟数控仿真系统总体设计在现代制造业中应用虚拟数控仿真系统，其主要目的是对数控加工系统进行设计、试验和研究。另外应用于数控加工过程领域中的仿真技术还可以解决数控加工过程中n c 程序的检验问题，以及处理数控机床在实际加工过程中的碰撞和干涉问题。利用虚拟仿真技术模拟的数控加工过程，可以将数控机床加工工件的加工路线在计算机上进行路径描绘，并且可以直观的显示出来，以便用户可以在实际加工过程之前就可以发现加工设计的不足之处，及时的对加工方案进行评估并做出相应的修改，最大程度的降低产品开发和生产的成本和周期【l o 】。2 1 虚拟数控系统的总体设计理念虚拟数控仿真系统类似于其他软件系统，在其设计过程中首先要进行总体设计。在总体设计过程中首先要确定的是系统设计要依照的基本设计原则、将要使用的算法以及具体要求、系统设计的结构组成，以及是否采用模块化的设计。基本设计原则规定了系统在设计过程中所必须满足的一系列特征。算法对于一套软件系统来说是处于核心地位的，因此算法的选择以及对算法的要求就决定了系统本身解决问题的能力。系统的结构化设计将明确系统的结构划分，便于系统的开发。模块化设计对一套系统的开发具有非常重要的意义，是否采用模块化设计将直接影响到系统的扩展性和易开发性。2 1 1 系统总体设计的基本原则当今制造业对实际数控加工过程的功能要求决定了设计和建立虚拟数控车床加工仿真系统的总体结构。总体设计的基本原则主要有以下几点【l l 】：一准确性：在虚拟环境中准确表达真实数控加工环境的各种对象以及数控加工的特点和完整功能；有效性：简化系统模型结构，使得虚拟系统在建立和功能上更加可靠有效，但这必须建立在保证数控加工仿真系统与数控加工过程的特点与功能完整的前提上；西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页实用性：必须满足虚拟系统达到真实数控加工的各项要求，使设计的虚拟数控加工仿真系统具有实用价值；可扩展性：真实的数控加工是多种多样的，而且随着科学技术的不断发展，越来越多的新技术被融合进入数控加工技术。因此设计虚拟数控加工仿真系统也要以此为出发点，在设计过程中应考虑能够方便增加新的数控功能，而且可以方便更换虚拟加工设备。设计中应当注重系统的可扩展性以适应新技术发展的趋势；界面友好性：具有良好的用户界面是一套应用系统应具备的基本特点，拥有好的操作界面可以使系统容易理解、便于操作、方便初学者上手学习使用。2 1 2 系统设计的仿真算法要求算法在一套软件系统中起着至关重要的作用，算法的好坏直接关系到软件系统解决问题的能力。结合以上提出的系统总体设计的原则，同时选择正确的加工过程仿真算法，才能使虚拟数控仿真系统更加完善和实用。一个有效地、能代替试切来验证数控程序的加工过程仿真算法应满足以下要求1 2 】：( 1 ) 适用于多种刀具切削过程的仿真处理，提高仿真算法的实甩范围；( 2 ) 能够精确模拟加工过程中刀具的走刀路径，及时检验刀具加工过程中的碰撞、干涉以及工件毛坯的加工切削过程；( 3 ) 使用合理的数据结构算法，在虚拟切削计算中做到计算实时性以及保证计算精度，在加工过程中对于毛坯的形体特征的变化及时更新显示；一( 4 ) 显示模块算法对加工过程的仿真动画应该做到真实生动、直观；( 5 ) 对于多模块信息传递以及计算统筹进行优化，尽可能减少仿真过程中所使用计算机内存空间和对c p u 资源的占用，以便在各种计算机配置状况下同样可以进行仿真工作。；( 6 ) 在仿真过程中真实反映数控加工的特点，在组件运动以及工件加工变化中应尽可能模拟实际加工，准确表达数控加工的关键信息；( 7 ) 在保证仿真精度的前提下，简化仿真算法，减少数据存储量。在为系统选择算法的时候，很难同时满足以上多项要求。国内外很多相关研究对此进行了多方面工作，现在比较常用的加工仿真算法主要是采用工件模型逐步成型的方法来模拟工件模型去除材料。这种算法的基本实现方法又分为两种：第一是基于造型西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页li 皇曼曼皇皇曼量喜量舅舅舅量量量量皇詈皇曼量量置曼皇蔓的成型方法，第二是基于视坐标系的图像成型方法。其中，第一种基于造型的模型成型方法具有比较高的表示精度，仿真过程可以模拟出真实切削加工的材料去除过程，但是这种方法受到工件模型的造型的制约，对于较复杂的工件加工难于实现，而且这种方法在追求高精度的仿真情况下对于计算机系统的资源占用较高，需要高端的配置。因此对于此方法的优化设计是采用这种算法的重点工作。第二种方法基于视坐标系的图像仿真成型方法对于实时仿真工件加工的过程有着速度快的特点，但是用这种方法进行仿真，视向固定，而且仅限于三轴加工仿真。不能做到多方位的动态观察，对于数控加工仿真系统的人机交互性有着很大的局限性，与之前讲到的虚拟数控系统的总体设计原则相悖，因此限制了这种算法在虚拟数控系统设计中的应用。本系统主要针对的是车削加工，所以在加工过程中主要为回转体切削，通过对以上两种基本实现方法的比较之后，本系统最终选择了基于造型的工件模型逐步成型方法，并且采用基于单元体的模型构造方法，对基于造型的成型方法进行了优化，使其在不占用过多计算机资源的情况下完成加工切削的仿真过程。2 2 虚拟数控系统的结构设计图2 1 表示了虚拟数控加工仿真系统的基本组成部分，本系统基于v i s u a lc + + 6 0以及o p e n g l 图形函数库，在w i n d o w s 平台上开发。通过不同的程序组合开发数控车床的动、静态显示功能以及用户自定义加工信息功能。系统的输入数据主要来自机床模型系统、数控车床的数控加工指令代码( g 代码文件) 以及通过用户自定义输入的各项设置，例如刀具的各种选择、工件毛坯模型的各项属性等。系统的输出部分主要是在系统模型显示区域上显示零件加工过程中按照加工要求切削材料的真实感动画，可以直观实时的观察整个加工过程的运动情况，实时模拟加工指令的执行结果。用户在整个系统运行过程中起到控制程序执行状况的作用，用户的输入操作主要有选择刀具类型，选择毛坯各项属性以及加工的g 代码等。当然，用户还有权在任何时候暂停、终止系统的运行。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页v i s u a lc + + 与o p e n g l 函数库um i c r o s o f tw i n d o w s 操作系统j j ，虚拟数控车床加工仿真系统虚拟车床舡环境仿真hv o 与咖乱n c 代码等加工信息获取劢能hn c 代码与v c 十+ 函数虚拟加工删仿真h 卅6 o 与蛳g l虚拟数控车床的加工仿真实现图2 l 虚拟数控车床加工仿真系统的基本组成部分图2 2 表示了虚拟数控加工仿真系统的功能结构划分，在整体设计中考虑到系统的可扩展性和可移植性，将系统进行了模块化设计。图中的各项功能在v c + + 程序编制的过程中以模块的形式区分开，根据系统需要完成的各项功能，将系统划分成多个模块分别设计，在v c + + 中具体体现在使用数据的传递来完成各模块之间的信息传递。对于系统的模块化设计将在下文中作具体说明。图2 - 2 虚拟数控车床加工仿真系统功能结构组成西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页2 3 虚拟数控系统总体模块化设计所谓的模块化设计，简单地说就是将产品的某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的系统，产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品。在虚拟数控系统中，为了更好的实现总体设计的完整性，同样需要对系统整体进行模块化设计。通过不同模块之间的信息传递实现整体系统的协调性。同时，对整个系统进行模块化划分又有利于整个系统的可扩展性，开发者只需要对系统的特定模块进行重开发，就可以使整个系统适用于其他虚拟机床的加工仿真。因此，本系统根据程序的不同效用对整个系统进行的模块化的设计。结合以上划分的系统功能结构组成，可以将整个虚拟数控车床加工仿真系统划分成以下多个模块进行设计，具体模块划分如图2 3 所示：虚拟系统曼上显不机虚n虚刀模床拟c拟具块场切代面及景削码板毛模模解模坯块块析块选模择块模块- - - i操i作面板；模i块；-i图2 - 3 根据系统完成的功能划分的模块( 1 ) 机床场景模块：通过外部建模软件建立机床主要结构部件，导入进v c + + 语言编程环境中，提高了对不同机床进行模拟的适应性。本系统针对上海机床厂c k 0 6 3 2型车床，同时也可以方便的对其他型号机床进行虚拟仿真。( 2 ) 虚拟切削模块：机床力n - r - 场景之外的刀具、刀架、主轴、工件模型等与切削加工之间相关的模型建立由此模块来完成。它主要与机床场景模块的区别在于建立的模西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页型需要实时的改变位置以及形状。因此，在设计方法上不能采用外部软件进行建模的方法，需要调用o p e n g l 底层数据库函数，通过编程的方法进行建模。另外，此模块还需要进行切削算法的设计，切削算法负责根据不同条件计算切削路径，判断毛坯与刀具是否干涉，对毛坯进行切削变化。+( 3 ) n c 代码解析模块：通过对用户自定义的n c 代码进行读取并编译，获得关键加工信息。n c 代码决定整个系统加工仿真的过程，通过此模块对n c 代码进行解析，获得加工过程的关键参数，传递信息给其他相关模块进行执行。( 4 ) 虚拟面板模块：此模块作为人机交互的接口，是体现虚拟仿真系统价值的核心模块。虚拟系统通过此模块将实际的机床加工过程移植到计算机上来完成，此模块将是用户接触虚拟系统的第一印象，所以此模块的设计要求是尽可能的与真实机床操作面板相一致，并且可以完成真实操作面板完成的功能。通过点击操作面板上的按钮，手动控制机床的各项功能：同时还可实现g 代码的创建、装载以及保存等操作。( 5 ) 刀具及毛坯选择模块：实际数控车床加工零件时，根据不同的加工要求需要选择不同的刀具和毛坯零件，此模块将解决这个问题。根据不同的加工需求，从中选取所需车刀进行安装，为模拟加工做准备。创建毛坯并安装。根据加工需求设定毛坯参数，创建完成后安装在三爪卡盘上以待加工。整个虚拟系统根据完成功能的不同划分为两大模块：显示模块和虚拟面板模块。以上各详细划分的模块又分别隶属于这两大模块。其中( 1 ) 、( 2 ) 模块隶属于显示模块，此模块获取加工过程中所有的实体信息，通过o p e n g l 程序将三维模型实时显示在计算机屏幕上；( 3 ) 、( 4 ) 、( 5 ) 模块隶属于操作面板模块，使用m f c 界面编程，得到友善的人机交互界面。2 4 本章小结通过对虚拟制造技术的概述，了解国内外虚拟制造技术的发展现状，由此引申出虚拟数控技术的概念，并阐述了本虚拟系统的总体设计理念。提出了系统总体设计的基本原则、系统仿真算法的基本要求。描述了系统总体设计的结构设计，选择了使用模块化的设计方案。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页第3 章虚拟仿真系统显示模块设计与图形技术虚拟数控仿真系统显示模块是应用面向对象的软件开发技术，在w i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l 系统环境下，选用v c + + 6 0 为开发工具开发的。该模块的功能包括虚拟数控加工环境与虚拟数控切削，主要负责虚拟机床模型的建立与虚拟切削算法的实现。该模块使用o p e n g l 图形标准库作为图形技术支撑来完成切削过程几何表示以及真实感图形显示。3 1 常用的实体建模方法虚拟数控车床加工仿真系统的最终目标是在计算机屏幕上完成工件的虚拟加工，因此系统的虚拟显示模块是系统的核心模块，此模块的作用就是完成最终的仿真过程。显示模块的基础是虚拟环境的建立和虚拟模型的建立。造型( m o d e l i n g ) 技术是计算机对几何形状信息的描述方法的简称。造型技术主要包括形状表达和形状操作两部分。形状表达的任务是将需要表述的几何形状信息用数据结构的形式模拟出来，这种表达几何形状的数据结构称为模型。形状操作的作用是完成模型的生成、修改、转变、分析、计算、显示等操作，从而完成设计过程中的造型任务1 3 】。在实体模型的表示中，出现了许多方法，基本上可以分为分解表示、构造表示和边界表示三大类【1 4 1 。( 1 ) 分解表示是将形体按某种规则分解为更易于描述的单元部分。这种分解过程目的是使每一个单元都能够直接描述 1 5 1 。( 2 ) 构造表示 16 】是按照形态过程来定义形状的方法，构造表示通分为扫描表示、构造实体几何表示和特征表示三种。( 3 ) 边界表示( b o u l l d a wr 印r e s e n t a t i o n ) 也称为b r 表示或b r e p 表示，它是几何造型中最成熟、无二义的表示法。当今制造业和工程设计行业的工作对象主要是三维实体，所以目前计算机的设计和制造系统主要采用构造表示的方法。本系统也是采用了构造表示的方法来建立虚拟数控车床以及加工模块的模型。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页3 2 基于o p e n g l 的车床模型建立o p e n g l 即开放式图形库( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) ，是一个性能优越的三维计算机图形库应用程序接口。作为图形硬件的软件接口，o p e n g l 由几百个指令或函数组成。对使用者而言，o p e n g l 仅仅是一系列指令。这些指令可以对2 d 几何对象和3 d 几何对象进行描述，使用者可以操作对象，以便把这些对象渲染( r e n d e r ) 至l j 帧缓存区( f r a m eb u f f e r ) 上。只要按照规定的格式进行书写，由o p e n g l 生成的应用程序就可以在所有支持该语言的计算机环境中工作。，用户可以利用这些函数创建出高质量的三维图形，o p c n g l 是一个不需要编程人员具有较深的图形学知识，而只需要考虑如何创作自己所需要的三维图形的应用程序接口。用户用这个应用程序接口能方便地创建出质量极高、效果逼真的三维图像与动画效果。o p e n g l 最初是由s g i 公司为图形工作站开发的独立于窗口硬件环境和操作系统的图形开发接口i r i x g l ，其目的是像人们总是希望的那样，不需要去关心使用的是什么工具，只专心于艺术创作。因为它将用户脱离了具体硬件结构与指令系统的约束，人们只要对影像进行建模、渲染、光照、等等操作，就可以完成需要的各种图像与动画。在o p e n g l a r b ( o p e n g l a r c h i t e c t u r er e v i e wb r o a d ，o p e n g l 体系结构审查委员会) 的努力下，o p e n g l 已经成为高性能图形图像与视景交互处理的工业标准，并且逐步成为3 d 图形支撑技术的专业标准。o p e n g l 图形库所有指令与函数以封装的形式包含在动态链接库o p e n g l 3