虚拟数控孔加工仿真系统（OpenGL与VC++）

摘要

　　本文以Visual Studio 2010为开发平台,釆用OpenGL技术,在分析数控加工系统工作过程的基础上,设计了孔加工算法,开发完成了虚拟数控孔加工仿真系统。该加工仿真系统主要包括环境建模模块、人机交互界面的幵发、NC代码编译模块、孔加工过程算法模块等部分。

　　环境建模模块主要介绍了建模的方法,将环境模型划分为动态模型和静态模型。静态模型用外部三维软件Pro/E建模,然后转换为.3ds文件,利用3DSLeader导入到系统中。

　　动态模型在Visual Studio 2010平台中,利用离散面片法建模的思想,调用OpenGL中的图形绘制函数进行绘制。在系统中将动态模型和静态模型根据实际的模型的装配关系进行位置放置,从而完成整体环境建模。

　　采用MFC建立人机交互界面,包括毛坯库、刀具库、NC代码输入编辑等,实现孔的参数化加工仿真。

　　利用OpenGL的双缓存和模板缓存的技术,设计实现了孔加工过程的算法。在这个算法的基础上,结合NC代码翻译模块将NC代码和机床动作结合起来,能流畅显示孔的加工过程。

　　系统测试表明:系统具有良好的实时性、交互性、可扩展性以及三维图形显示能力,能够有效的验证程序的正确性,有助于减少试切法检查引起的低效高耗,提高数控设备的生产效率。

　　关键词:孔加工;参数化;切削算法;OpenGL;人机交互界面;双缓存;模板缓存

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

　　网络技术、计算机技术与信息科学技术的飞速发展,不仅给人们的生活带来了巨大的改变,同时使制造业由传统制造业发展为现代制造业。经济全球化、计算机技术的发展以及产品竞争的加剧,产品更新换代速度变快以及增加产品的多样化。现在制造业具有的特点为:产品生产周期短、创新性强、产品生产链柔性强、生产过程高度智能化、跨地区性等。

　　现代制造业的关键技术主要包括集成化技术、智能化技术、网络技术、分布式并行处理智能协同求解技术、多学科的综合产品设计技术、虚拟现实与多媒体技术、人机环境系统技术等。

　　由虚拟现实与多媒体技术以及人机环境系统技术等可以建立虚拟加工系统。虚拟加工系统主要在实体加工之前进行设计、模拟加工过程,从而实现缩短产品的设计周期、检验加工过程的准确性、节约材料等目的⑴。虚拟加工系统的优点是:操作灵活、方便修改设计、生产效率比较高。

　　本文研究的主要内容是虚拟数控孔加工系统。虚拟数控孔加工系统主要是在数控铣床上对孔加工的过程进行模拟仿真。主要技术主要包括虚拟制造技术、虚拟数控技术、虚拟数控机床技术以及数控统床孔加工技术等。

　　随着近代计算机与信息科学技术的飞速发展,制造业方式发生了巨大改变,信息技术被引入到传统制造业中,新的制造技术和系统随之产生,如计算机集成系统(CIMS)、柔性制造系统(FMS)、智能制造系统(IMS)等[1]。为了解决随之产生的问题,发展研究了虚拟制造技术。虚拟制造是采用计算机建模与仿真技术、虚拟现实及可视化技术,通过计算机服务器与客户端之间的协同工作,对产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、生产调度和管理、销售及售后服务等做出本质的实现,以增强制造的过程中各个层次或环节的正确决策与控制能力[2]。虚拟制造可以进行产品全生命周期仿真和企业行为仿真。

　　虚拟制造又称为仿真与建模,主要过程是在基于对物理和数学的理解上进行模型设计,为产品制造过程提供理论支持,从而获得突破性进展[3]。虚拟制造主要包括物理模拟与几何模拟,主要特点有虚拟性、集成性、分布性和依赖性,具体为:

　　(1)虚拟性:创造逼真的虚拟环境,人们可以直接操作虚拟的产品,进行加工的各个过程(改变尺寸、改变形状、模拟装备等)。提前体验产品的生产过程,对实际要进行的产品加工过程进行修改,减少材料的浪费等。

　　(2)集成性:各种产品的仿真软件系统够成了虚拟制造系统,这个数字化集成环境包括各种现代制造技术(如CAE、CAM等)。

　　(3)分布性:虚拟制造系统可以使不同的人在不同的地点对同一件模型进行加工与交流,加快了信息的流通,使产品的生产周期缩短。

　　(4)依赖性:虚拟制造是基于人们对实际生产过程的物理和几何认知与理解,所以仿真的过程与精度依赖于真实模型与仿真模型的相近程度。

　　由虚拟制造发展而来的虚拟制造技术[4](VM Technology, VMT)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。虚拟制造技术可以实时的模拟产品设计中产品成本、产品的制造性和产品性能,或者产品全生命周期的模拟。可以对资源的合理配置、生产布局的分布、产品开发周期与成本的优化做出很大的贡献,使生产制造更加有效和灵活,从而达到生产效率的最大化。虚拟制造技术为工程师们提供了一个全新的开发环境,从产品的概念到产品的制造过程全部进入了一个三维的、人与计算机交互的全新时代,完全颠覆了产品的传统开发过程,虚拟制造技术的产生标志着制造业跨进了一个全新的阶段。

　　实现了虚拟制造技术地制造系统被称为虚拟制造系统(VM System, VMS),此系统是制造系统(Real Manufacturing System, RMS)在虚拟的环境中各个动作的映射。虚拟制造系统主要分为:虚拟逻辑系统以及虚拟物理系统。其中逻辑系统主要包括产品的设计与开发的计划、幵发的管理等信息;物理系统主要包括虚拟材料、虚拟机器、虚拟工人等[4]。

　　实际产品开发与制造的各个过程都可以被虚拟制造技术以及虚拟现实所贯穿,产品的整个的生命周期都可以被涵盖。虚拟制造系统和虚拟技术是跨学科的应用,是对计算机图形学、网络技术、计算机仿真技术、CAD/CAM技术、虚拟现实等的综合应用[5]。

　　虚拟数控孔加工仿真系统开发设计：

创建毛还的操作界面

毛还加载

毛还的组成

系统启动界面

完成还料装载后的界面

完成刀具装载后的界面

目 录

　　第一章 绪论
　　　　l.1 引言
　　　　1.2 虚拟数控铣孔仿真系统
　　　　　　1.2.1 虚拟制造简介
　　　　　　1.2 2 虚拟数控加工技术
　　　　　　1.2.3 虚拟数控机床
　　　　1.3 论文研究的主要工作与意义
　　第2章 虚拟数控孔加工仿真系统总体设计
　　　　2.1 虚拟数控孔加工仿真系统的总体设计理念
　　　　2.2 虚拟数控孔加工仿真系统的图形技术和幵发平台
　　　　　　2.2.1 面向对象的程序设计方法
　　　　　　2.2.2 系统开发的图形技术支持——OpenGL
　　　　　　2.2.3 系统的开发平台
　　　　2.3 虚拟数控孔加工仿真系统的总体结构
　　　　2.4 本章小结
　　第3章 虚拟仿真系统加工环境的建模
　　　　3.1 用户界面的建立
　　　　3.2 虚拟数控孔加工仿真系统视场的建立
　　　　　　3.2.1 像素格式的定义
　　　　　　3.2.2 渲染描述表的定义
　　　　　　3.2.3 窗体背景色的设置
　　　　3.3 虚拟数控铣床孔加工仿真系统车床模型的建立
　　　　　　3.3.1 基于OpenGL图形库的图形绘制
　　　　　　3.3.2 虚拟数控铣床的建立
　　　　3.4 刀具库的创建
　　　　3.5 人机交互控制
　　　　　　3.5.1 数控铣床动作控制的实现
　　　　　　3.5.2 NC代码的载入
　　　　3.6 本章小结
　　第4章 虚拟数控孔加工的实现
　　　　4.1 毛坯库的创建
　　　　　　4.1.1 上下表面的函数
　　　　　　4.1.2 四个侧面的建立
　　　　　　4.1.3 圆表面的建立
　　　　　　4.1.4 圆柱面的建立
　　　　4.2 孔加工算法
　　　　4.3 NC代码的翻译
　　　　4.4 优化加工过程
　　　　　　4.4.1 优化NC代码翻译模块
　　　　　　4.4.2 译码模块的优化
　　　　4.5 本章小结
　　第5章 加工实例
　　结论
　　致谢
　　参考文献

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