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                        虛擬銑削系統開發設計(OpenGL與VC++)

                        添加時間:2019/03/12 來源:蘇州大學 作者:張凱明
                        高性能虛擬加工系統的開發是一項復雜的前沿性科研項目,實現其真正的商品化需要多年多人次的科研積累,由于硬件條件、個人技術水平和精力的限制,本文只對數控加工仿真中幾個方面進行了研究,開發出了初步的虛擬銑削加工系統。
                        以下為本篇論文正文:

                        中文摘要

                          虛擬數控技術是利用計算機來仿真數控設備加工過程的一門技術。虛擬數控技術以計算機仿真和數控加工技術為基礎,在虛擬條件下,對數控設備、加工環境以及整個加工過程進行全面的仿真。隨著數控機床在制造業中的普遍應用,虛擬數控技術也得到了迅速的發展。

                          本文以 XK5032C 立式數控銑床作為仿真對象,分析了數控銑床的總體結構,建立了虛擬數控加工系統的功能模型,完成了整個虛擬數控銑削系統的建模,并對數控銑削加工的三維仿真方法,進行了深入研究。針對 FANUC-OMD 數控系統機床在Windows2000/XP 平臺上運用 VisualC++6.0 工具開發了初步的虛擬數控銑削加工系統。主要研究內容和結論如下:

                          1. 在對虛擬數控銑削加工系統功能分析的基礎上,并運用現代軟件工程設計方法,開發了簡潔、友好的用戶界面,完成了程序的框架設計,實現了用戶與虛擬加工系統的交互。

                          2. 運用 OpenGL 建模函數對毛坯、刀具進行參數化建模,以便于用戶在系統中設定毛坯尺寸。本論文采用 3D 建模軟件 3DMax,對銑床床體進行建模,并以 3Ds文件格式導入系統。

                          3. 分析了數控代碼的語言結構,運用 C++語言,對數控代碼進行詞法分析、語法分析、語義分析,從而使系統能夠完成對數控代碼的讀入和檢驗。

                          4. 基于多線程技術,建立了數控加工過程仿真模塊,輔助線程完成數控代碼編譯及加工過程的布爾運算,主線程完成加工過程中所有三維實體的實時重繪。

                          5.利用 OpenGL 雙緩存技術,實現了銑削加工仿真動畫的顯示與銑削加工實例的輸出。

                          以上研究成果已經全部集成到虛擬數控銑削加工系統 NCX 1.0。實際應用表明,本系統具有圖形顯示質量高、仿真效果真實和人機交互界面簡潔等顯著優點,不僅會給數控加工的教學培訓帶來方便,也將可以運用于生產實踐,具有良好的應用前景。

                          關鍵詞:數控銑削 代碼翻譯 OpenGL 仿真 3Ds 建模

                        ABSTRACT

                          Virtual CNC technology is a computer simulation technology which imitates the working environment of real CNC equipment. With the foundation of computer simulation and CNC processing technology, Virtual CNC technology conducts a comprehensive simulation to the CNC equipment, processing environment and the whole process in the case of virtual condition.As the general application of CNC machines in the manufacturing, virtual CNC technology has been rapid development.

                          The CNC vertical milling machine XK5032C is taken an the example in this paper.

                          The paper analyzed the population structure of milling, built the function model of visual CNC processing system, finished the modeling of the whole visual simulation of CNC milling and researched the three-dimensional simulation method of CNC milling processing deeply. A primary virtual CNC milling system about FANUC-OMD has been developed on the platform of Windows2000/XP and VC++6.0. Main research contents and conclusion as follow:

                          1. With the foundation of the function analysis on the machining of virtual CNC milling system and using design method of modern software engineering, this project developed a simple and friendly user interface, completed of the program frame design and realized the interaction between user and virtual manufacturing system.

                          2. To be finished the parametric modeling of blank and tools by using OpenGL modeling function, so that the users can set up blank and tools dimensions in the system.

                          The modeling of milling machine body is completed using 3Ds max in this paper, then it can be imported as 3Ds files into the system.

                          3. To be analyzed the CNC code language structure and be realized the CNC code morphology analysis, syntactic analysis and semantic analysis using c + + language, so that the system is able to complete error inspection of CNC code.

                          4. To be established the simulation module of CNC machining process based on multi-thread technology.Worker thread finished the compiling of CNC code and the boolean operation on processing.Main thread realized all three-dimensional entity redraw in process.

                          5. To be realized the animation display of milling simulation and the output of milling example.

                          All above research has been integrated into the virtual simulation system of CNC milling NCX 1.0. Application examples show that the program has the high quality of graphic display, real simulation effect, simple human-computer interaction interface and other significant advantages. It will not only bring convenience in teaching and training on CNC processing, but also can be used in the production practice. It has a good application prospect.

                          Key words: CNC milling Code translation OpenGL 3Ds modeling Simulation

                          虛擬制造是采用計算機仿真技術與虛擬現實技術,在當前高性能計算機及高速網絡的支持下,實現實際制造過程在計算機上的映射。在計算機上群組協同工作的前提下,實現了產品設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、品質檢驗,以及企業各級過程的管理與控制等產品制造的本質過程,以增強制造過程中各級的決策與控制能力,以實現產品制造全過程的優化[1]。

                          1.產品和制造環境均是虛擬模型,因此可以在計算機上對虛擬模型進行產品設計、制造、測試。在這個虛擬模型中,設計人員和用戶可檢驗產品的設計、加工和裝配等操作,而不需要依賴于傳統的原型樣機反復修改;同時還可以將以前開發的產品或部件的相關具體信息存放在計算機里,不但能夠根據市場變化或用戶需求快速改變設計,快速投入生產,從而大大減少了新產品的開發時間,提高產品質量,降低成本,更能夠大大節省倉儲及物流等的費用。

                          2.不同的工作人員可以同時在一個產品模型上工作,信息共享,相互交流,減少大量的文檔生成及傳遞的時間和錯誤,使產品的開發提供了快捷、高品質、低能耗的響應市場。

                          虛擬制造技術通過利用計算機虛擬仿真技術,從根本上改變了對制造資源的依賴性,同時允許修改和快速重置虛擬模型,利用虛擬環境技術提供了一個包括環境、信息、合作機制、通信及知識等三維可視化及交互式的操作環境。根據機械工業發達國家提供的經驗,發展先進制造技術,必須發展數控技術,隨著制造業與數控技術結合的日益緊密,機械制造設備的數控化率己成為衡量一個國家制造技術水平的一個重要標志。

                          我國虛擬制造技術的研究剛剛起步,基于我國國情,多數是在仿真技術的基礎上進行的,進行產品的三維虛擬設計、加工過程仿真和產品裝配仿真,系統的、全面的虛擬制造技術的研究缺乏實用性的成果,目前仍停留在國外理論的消化與國內環境的結合上。

                          虛擬數控技術是利用計算機來模擬仿真真實的數控設備工作環境的一門技術。它以計算機仿真和數控加工技術為基礎,集計算機圖形學、人工智能、并行工程、網絡技術、多媒體技術和虛擬現實等技術為一體,在虛擬的條件下,對數控設備的工作過程和環境進行全面的仿真[3]。

                          制造業的發展對產品品種、規格、性能不斷提出新的要求,產品的生命周期變得越來越短,新產品的開發時間是關鍵。虛擬制造技術可以模擬由產品設計、制造到裝配的全過程,對設計與制造過程中可能出現的問題進行分析與預測,并提出改進措施,從而實現產品開發到制造整個過程的優化,達到了降低產品開發周期,提高經濟效益的目的。機械加工過程仿真在虛擬制造中占有重要的地位,它通過對機床-工件-刀具構成的工藝系統中的各種加工信息的有效預測與優化,為實現實際加工過程的智能化創造了有利條件,同時它也是研究加工過程的重要手段。

                          數控加工過程隱含在數控程序中,數控程序中的錯誤不容易被發現。目前常采用計算機圖形模擬刀具軌跡顯示法和機床試切法對數控代碼進行校驗,但兩者都有缺點。計算機圖形模擬刀具軌跡顯示法缺少真實感,刀具與工件的干涉和過切難以發現;試切法成本高,周期長。

                          虛擬數控技術是指數控機床在虛擬環境中的映射,它集制造技術、機床數控理論、計算機輔助設計、計算機輔助制造和建模與仿真技術于一體,人能夠憑直覺感知計算機產生的三維仿真模擬的虛擬環境,在設計新的方案或更改方案時,就能夠在真實的制造運行之前進行數控機床的虛擬設計,在虛擬環境中進行零件的數控加工,并對數控程序加以檢驗,檢查數控加工中可能出現的碰撞、干涉危險、分析零件的可加工性和工序的合理性。虛擬數控技術的采用可縮短產品的開發周期,降低生產成本,提高產品質量和生產效率。

                          虛擬銑削系統:

                         銑床整體在 3Ds Max 中的顯示
                         銑床整體在 3Ds Max 中的顯示

                        銑床整體在 NCX1.0 界面中的顯示
                        銑床整體在 NCX1.0 界面中的顯示

                        銑床各部件在 Y 軸和 X 軸的分布
                        銑床各部件在 Y 軸和 X 軸的分布

                        銑床各部件在 Y 軸和 Z 軸的分布
                        銑床各部件在 Y 軸和 Z 軸的分布

                        銑床坐標軸
                        銑床坐標軸

                        銑床回零前
                        銑床回零前

                        銑床回零后
                        銑床回零后

                        毛坯設定界面
                        毛坯設定界面

                        毛坯設定完畢
                        毛坯設定完畢

                        毛坯夾持完畢
                        毛坯夾持完畢

                        在 NCX1.0 中的 X 向對刀
                        在 NCX1.0 中的 X 向對刀

                        在 NCX1.0 中的 Y 向對刀
                        在 NCX1.0 中的 Y 向對刀

                        在 NCX1.0 中的 Z 向對刀
                        在 NCX1.0 中的 Z 向對刀

                        目 錄

                          第一章 緒論
                            1.1 數控加工仿真技術概述
                              1.1.1 虛擬制造及虛擬制造技術
                              1.1.2 虛擬數控技術
                            1.2 虛擬數控技術國內外研究現狀及發展趨勢
                              1.2.1 虛擬數控技術的國內外研究現狀
                              1.2.2 虛擬數控技術發展方向
                            1.3 本論文的研究內容及研究意義
                              1.3.1 本論文的課題來源
                              1.3.2 本論文的研究內容
                              1.3.3 本論文的研究意義
                          第二章 基于 OPENGL 的仿真系統開發平臺
                            2.1 OPENGL 概述
                            2.2 OPENGL 的功能模塊
                            2.3 OPENGL 的工作流程
                            2.4 OPENGL 的幾何變換
                            2.5 OPENGL 函數庫
                            2.6 VISUAL C++ 6.0 環境下實現 OPENGL 編程
                            2.7 系統界面
                            2.8 本章小結
                          第三章 數控代碼分析
                            3.1 數控代碼結構及其特點
                              3.1.1 程序段與程序字
                              3.1.2 程序代碼結構
                              3.1.3 程序代碼功能字
                            3.2 數控代碼的校驗和譯碼
                              3.2.1 數控代碼的處理及功能
                              3.2.2 數控代碼的校驗流程
                              3.2.3 詞法分析
                              3.2.4 語法分析
                              3.2.5 語義分析
                              3.2.6 數控代碼的譯碼
                            3.3 本章小結
                          第四章 虛擬銑削系統的幾何建模
                            4.1 基于 3DS MAX 的幾何建模
                              4.1.1 3Ds 文件結構
                              4.1.2 3Ds 文件的讀取
                              4.1.3 3Ds 模型的重繪
                            4.2 幾何建模方法
                              4.2.1 實體建模
                              4.2.2 基于三角面片的建模
                            4.3 毛坯的離散建模
                              4.3.1 毛坯特點和建
                              4.3.2 離散毛坯的數據結構
                              4.3.3 離散毛坯的整體繪制
                            4.4 虛擬銑床實體建模
                              4.4.1 刀具建模
                              4.4.2 銑床床身建模
                            4.5 本章小結
                          第五章 虛擬銑削系統的動態仿真
                            5.1 動態仿真準備
                              5.1.1 虛擬銑床模型重現
                              5.1.2 虛擬銑床回零
                              5.1.3 虛擬銑床的對刀
                            5.2 刀具切削的布爾運算
                              5.2.1 刀具掃掠體
                              5.2.2 刀具掃掠體與毛坯求交算法
                            5.3 插補算法
                              5.3.1 直線插補
                              5.3.2 圓弧插補
                            5.4 本章小結
                          第六章 總結與展望
                            6.1 總結
                            6.2 展望
                          參考文獻
                          攻讀碩士學位期間本人發表的論文
                          致 謝

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