摘要

　　本文以Visual Studio 2010為開(kāi)發(fā)平臺,釆用OpenGL技術(shù),在分析數控加工系統工作過(guò)程的基礎上,設計了孔加工算法,開(kāi)發(fā)完成了虛擬數控孔加工仿真系統。該加工仿真系統主要包括環(huán)境建模模塊、人機交互界面的幵發(fā)、NC代碼編譯模塊、孔加工過(guò)程算法模塊等部分。

　　環(huán)境建模模塊主要介紹了建模的方法,將環(huán)境模型劃分為動(dòng)態(tài)模型和靜態(tài)模型。靜態(tài)模型用外部三維軟件Pro/E建模,然后轉換為.3ds文件,利用3DSLeader導入到系統中。

　　動(dòng)態(tài)模型在Visual Studio 2010平臺中,利用離散面片法建模的思想,調用OpenGL中的圖形繪制函數進(jìn)行繪制。在系統中將動(dòng)態(tài)模型和靜態(tài)模型根據實(shí)際的模型的裝配關(guān)系進(jìn)行位置放置,從而完成整體環(huán)境建模。

　　采用MFC建立人機交互界面,包括毛坯庫、刀具庫、NC代碼輸入編輯等,實(shí)現孔的參數化加工仿真。

　　利用OpenGL的雙緩存和模板緩存的技術(shù),設計實(shí)現了孔加工過(guò)程的算法。在這個(gè)算法的基礎上,結合NC代碼翻譯模塊將NC代碼和機床動(dòng)作結合起來(lái),能流暢顯示孔的加工過(guò)程。

　　系統測試表明:系統具有良好的實(shí)時(shí)性、交互性、可擴展性以及三維圖形顯示能力,能夠有效的驗證程序的正確性,有助于減少試切法檢查引起的低效高耗,提高數控設備的生產(chǎn)效率。

　　關(guān)鍵詞:孔加工;參數化;切削算法;OpenGL;人機交互界面;雙緩存;模板緩存

Abstract

　　The development platform in this paper was based on the Visual Studio 2010. Using OpenGL technology, first,NC machining system of working process was analyzed, then hole processing algorithm was designed, at last virtual NC machining simulation system was developed, several modules was included in the processing simulation system, such as environment modeling module、the development of man-machine interface > NC code compiler、hole machining process algorithm and so on.

　　The modeling method was introduced in environment modeling module, the environment model was divided into dynamic model and static model. External 3D software Pro / E was used to build the modeling, the results were converted to 3ds files. Finally,3DSLeader was used to import the files. The discrete surface ideas was used in dynamic modeling with visual studio 2010 platform, OpenGL graphics rendering function was called for drawing. The dynamic model and static model were placed according to the actual model of the assembly relationship, then the overall environment modeling was accomplished.

　　MFC was adopted to built man-machine interface, including roughcast warehouse、tool magazine、NC code input editing and so on. Hole parametric machining simulation was realized.

　　Double buffer and cache technology in OpenGL was used, hole processing algorithm was realized. Based on this algorithm, the NC code and machine action was combined with NC code translator, then hole machining process could be shown smoothly.

　　System test shows that the system had good factual, interactivity, scalability and 3D graphics abilities, the correctness could be verified effectively,the inefficient high consumption in trial cutting method examination was decreased. Finally, the production efficiency of NC equipment was improved.

　　key words: hole machining; Parameterized; Cutting algorithm; OpenGL; man-machine interface; double buffer memory; stencil buffer

　　網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、計算機技術(shù)與信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,不僅給人們的生活帶來(lái)了巨大的改變,同時(shí)使制造業(yè)由傳統制造業(yè)發(fā)展為現代制造業(yè)。經(jīng)濟全球化、計算機技術(shù)的發(fā)展以及產(chǎn)品競爭的加劇,產(chǎn)品更新?lián)Q代速度變快以及增加產(chǎn)品的多樣化。現在制造業(yè)具有的特點(diǎn)為:產(chǎn)品生產(chǎn)周期短、創(chuàng )新性強、產(chǎn)品生產(chǎn)鏈柔性強、生產(chǎn)過(guò)程高度智能化、跨地區性等。

　　現代制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括集成化技術(shù)、智能化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、分布式并行處理智能協(xié)同求解技術(shù)、多學(xué)科的綜合產(chǎn)品設計技術(shù)、虛擬現實(shí)與多媒體技術(shù)、人機環(huán)境系統技術(shù)等。

　　由虛擬現實(shí)與多媒體技術(shù)以及人機環(huán)境系統技術(shù)等可以建立虛擬加工系統。虛擬加工系統主要在實(shí)體加工之前進(jìn)行設計、模擬加工過(guò)程,從而實(shí)現縮短產(chǎn)品的設計周期、檢驗加工過(guò)程的準確性、節約材料等目的⑴。虛擬加工系統的優(yōu)點(diǎn)是:操作靈活、方便修改設計、生產(chǎn)效率比較高。

　　本文研究的主要內容是虛擬數控孔加工系統。虛擬數控孔加工系統主要是在數控銑床上對孔加工的過(guò)程進(jìn)行模擬仿真。主要技術(shù)主要包括虛擬制造技術(shù)、虛擬數控技術(shù)、虛擬數控機床技術(shù)以及數控統床孔加工技術(shù)等。

　　隨著(zhù)近代計算機與信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,制造業(yè)方式發(fā)生了巨大改變,信息技術(shù)被引入到傳統制造業(yè)中,新的制造技術(shù)和系統隨之產(chǎn)生,如計算機集成系統(CIMS)、柔性制造系統(FMS)、智能制造系統(IMS)等[1]。為了解決隨之產(chǎn)生的問(wèn)題,發(fā)展研究了虛擬制造技術(shù)。虛擬制造是采用計算機建模與仿真技術(shù)、虛擬現實(shí)及可視化技術(shù),通過(guò)計算機服務(wù)器與客戶(hù)端之間的協(xié)同工作,對產(chǎn)品設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、生產(chǎn)調度和管理、銷(xiāo)售及售后服務(wù)等做出本質(zhì)的實(shí)現,以增強制造的過(guò)程中各個(gè)層次或環(huán)節的正確決策與控制能力[2]。虛擬制造可以進(jìn)行產(chǎn)品全生命周期仿真和企業(yè)行為仿真。

　　虛擬制造又稱(chēng)為仿真與建模,主要過(guò)程是在基于對物理和數學(xué)的理解上進(jìn)行模型設計,為產(chǎn)品制造過(guò)程提供理論支持,從而獲得突破性進(jìn)展[3]。虛擬制造主要包括物理模擬與幾何模擬,主要特點(diǎn)有虛擬性、集成性、分布性和依賴(lài)性,具體為:

　　(1)虛擬性:創(chuàng )造逼真的虛擬環(huán)境,人們可以直接操作虛擬的產(chǎn)品,進(jìn)行加工的各個(gè)過(guò)程(改變尺寸、改變形狀、模擬裝備等)。提前體驗產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程,對實(shí)際要進(jìn)行的產(chǎn)品加工過(guò)程進(jìn)行修改,減少材料的浪費等。

　　(2)集成性:各種產(chǎn)品的仿真軟件系統夠成了虛擬制造系統,這個(gè)數字化集成環(huán)境包括各種現代制造技術(shù)(如CAE、CAM等)。

　　(3)分布性:虛擬制造系統可以使不同的人在不同的地點(diǎn)對同一件模型進(jìn)行加工與交流,加快了信息的流通,使產(chǎn)品的生產(chǎn)周期縮短。

　　(4)依賴(lài)性:虛擬制造是基于人們對實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的物理和幾何認知與理解,所以仿真的過(guò)程與精度依賴(lài)于真實(shí)模型與仿真模型的相近程度。

　　由虛擬制造發(fā)展而來(lái)的虛擬制造技術(shù)[4](VM Technology, VMT)是由許多先進(jìn)學(xué)科、先進(jìn)知識組成的綜合系統技術(shù),是計算機仿真技術(shù)與虛擬現實(shí)技術(shù)的結合。虛擬制造技術(shù)可以實(shí)時(shí)的模擬產(chǎn)品設計中產(chǎn)品成本、產(chǎn)品的制造性和產(chǎn)品性能,或者產(chǎn)品全生命周期的模擬。可以對資源的合理配置、生產(chǎn)布局的分布、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期與成本的優(yōu)化做出很大的貢獻,使生產(chǎn)制造更加有效和靈活,從而達到生產(chǎn)效率的最大化。虛擬制造技術(shù)為工程師們提供了一個(gè)全新的開(kāi)發(fā)環(huán)境,從產(chǎn)品的概念到產(chǎn)品的制造過(guò)程全部進(jìn)入了一個(gè)三維的、人與計算機交互的全新時(shí)代,完全顛覆了產(chǎn)品的傳統開(kāi)發(fā)過(guò)程,虛擬制造技術(shù)的產(chǎn)生標志著(zhù)制造業(yè)跨進(jìn)了一個(gè)全新的階段。

　　實(shí)現了虛擬制造技術(shù)地制造系統被稱(chēng)為虛擬制造系統(VM System, VMS),此系統是制造系統(Real Manufacturing System, RMS)在虛擬的環(huán)境中各個(gè)動(dòng)作的映射。虛擬制造系統主要分為:虛擬邏輯系統以及虛擬物理系統。其中邏輯系統主要包括產(chǎn)品的設計與開(kāi)發(fā)的計劃、幵發(fā)的管理等信息;物理系統主要包括虛擬材料、虛擬機器、虛擬工人等[4]。

　　實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與制造的各個(gè)過(guò)程都可以被虛擬制造技術(shù)以及虛擬現實(shí)所貫穿,產(chǎn)品的整個(gè)的生命周期都可以被涵蓋。虛擬制造系統和虛擬技術(shù)是跨學(xué)科的應用,是對計算機圖形學(xué)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、虛擬現實(shí)等的綜合應用[5]。

　　虛擬數控孔加工仿真系統開(kāi)發(fā)設計：

創(chuàng )建毛還的操作界面

毛還加載

毛還的組成

系統啟動(dòng)界面

完成還料裝載后的界面

完成刀具裝載后的界面

目 錄

　　第一章 緒論
　　　　l.1 引言
　　　　1.2 虛擬數控銑孔仿真系統
　　　　　　1.2.1 虛擬制造簡(jiǎn)介
　　　　　　1.2 2 虛擬數控加工技術(shù)
　　　　　　1.2.3 虛擬數控機床
　　　　1.3 論文研究的主要工作與意義
　　第2章 虛擬數控孔加工仿真系統總體設計
　　　　2.1 虛擬數控孔加工仿真系統的總體設計理念
　　　　2.2 虛擬數控孔加工仿真系統的圖形技術(shù)和幵發(fā)平臺
　　　　　　2.2.1 面向對象的程序設計方法
　　　　　　2.2.2 系統開(kāi)發(fā)的圖形技術(shù)支持——OpenGL
　　　　　　2.2.3 系統的開(kāi)發(fā)平臺
　　　　2.3 虛擬數控孔加工仿真系統的總體結構
　　　　2.4 本章小結
　　第3章 虛擬仿真系統加工環(huán)境的建模
　　　　3.1 用戶(hù)界面的建立
　　　　3.2 虛擬數控孔加工仿真系統視場(chǎng)的建立
　　　　　　3.2.1 像素格式的定義
　　　　　　3.2.2 渲染描述表的定義
　　　　　　3.2.3 窗體背景色的設置
　　　　3.3 虛擬數控銑床孔加工仿真系統車(chē)床模型的建立
　　　　　　3.3.1 基于OpenGL圖形庫的圖形繪制
　　　　　　3.3.2 虛擬數控銑床的建立
　　　　3.4 刀具庫的創(chuàng )建
　　　　3.5 人機交互控制
　　　　　　3.5.1 數控銑床動(dòng)作控制的實(shí)現
　　　　　　3.5.2 NC代碼的載入
　　　　3.6 本章小結
　　第4章 虛擬數控孔加工的實(shí)現
　　　　4.1 毛坯庫的創(chuàng )建
　　　　　　4.1.1 上下表面的函數
　　　　　　4.1.2 四個(gè)側面的建立
　　　　　　4.1.3 圓表面的建立
　　　　　　4.1.4 圓柱面的建立
　　　　4.2 孔加工算法
　　　　4.3 NC代碼的翻譯
　　　　4.4 優(yōu)化加工過(guò)程
　　　　　　4.4.1 優(yōu)化NC代碼翻譯模塊
　　　　　　4.4.2 譯碼模塊的優(yōu)化
　　　　4.5 本章小結
　　第5章 加工實(shí)例
　　結論
　　致謝
　　參考文獻

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