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1、摘要 由于数控机床的高效率、高质量和高柔性的特点，使得它在制造业中迅速普及。如何保证数控程序的正确性已 成为数控加工中突出的问题。随着计算机图形学和可视化技术的发展，将刀具轨迹或加工成型过程形象地在屏幕上显示出来，以便操作者检查程序的正确性是一种经济有效的方法。本文引入了面向对象程序设计的基本概念于虚拟数控机床的设计。根据制造系统各个组成部分在加工过程中的 特点，可把它们分成三类:静态物体、运动物体和工件物体。论文采用了三维实体几何建模系统对静态物体和运动物体进行外形设计的方法，该方法通过导出S T L 数据文件的方法，再将其转化到o p enGL中，从而简化了虚拟加工环境的设计。为了模拟加工
2、过程中工件材料的切除，对工件物体采用了参数化特征造型方法进行外形设计。类的各个属性与该类物体的运动函数有机地集成起来，构成类。通过操纵制造系统中的各个物体，最终实现虚拟数控机床的动态仿真。碰撞检测问题是虚拟数控车削系统的不可或缺的部分，有效、精确的碰撞检测对提高数控环境的真实性、增强虚拟环境的 沉浸感有非常重要的意义。采用合理的空间分割系统和层次包围盒是提高碰撞检测的速度的有效方法。本文采用了基于空间分割方法的八叉树算法并对该算法进行了改进。实验证明，此算法有效地提高了碰撞检测的速度，保证了虚拟动态加工环境中碰撞检测的实时性。本文就切屑的形成、卷曲和折断的机制与规律进行了探讨，从而为实时加工过
3、程仿真提供切屑造型的依据。并给出了对切屑进行参数化造型的方法，该方法以空间螺旋线表示切屑的轮廓，用三角形网格将切屑表面离散化，通过控制显示列表来模拟切屑的动态生成。最后，论文利用C+B uil d er6 和O p enG L 设计了一个演示系统，实现了论文中给出的算法。实验证明，上述算法提高了三维虚拟环境和虚拟加工过程的真实感和实时性。关键字:数控加工仿真面向对象设计干涉碰撞检测八叉树三维动画ABS T RACT N C(n ume ri c al c o n t rol)m a c h i ni n gt o o l sh aveh i gh P r o d u ctiv ee ffic
4、i ency，m a c h ini ngq u al ityand fi e x i b i l ityw h 1 chm ake th e mP opul ariz er a P i d l 丫Howt og u ar a n t e ethe v al i di tyo f N Cc o desh asbec o m eano ut s t a n d ing P ro b l e mi n th e N Cm ach i n i ngP r 0 c e s s.城thth e d eve l o P m e nto f c o m P u t e r g r a P h 1 c s a
5、nd v i s u al i zat i onte c hno l o gy，i t wil l b e ane ffic i ent幼de c ono m i c a lw ay to di sPl ay th ec u tt e ro rbits o rth em a c h i n i n gP ro c e s s e s o nth e s c re e nt oh e lPm ani P u l at ors c h e c kth e vaI i d ityo f N Cc o d e s.I n th i s P aper，the b as i c c onc ePti o
6、n o f 0 0 D(o bj e c t o r l e n te d Des i gn)i si n t r odu c e dt od e s i gn v i rtua l N Cm ach i n et o o l.A c c o r di ng t oth e i rre s P e c t iv echaract er i nth em ach i n i ng P roc e s s，a l lP a rt so fthem anu fa c to r 1 ng Syst em are c l a s s i fi e di n t 0thre ec l as s e s:s
7、t atico bj e c t s，m o v a b l e o bj e c t s andw o r k P i e c e s.Am et h o dth atut i l i zes s o l i dm o d e l i ngs o ft w ar e t o d e s i gnthe sh aPe s o f th e st at i c o bj e cts and th e m ovabl e obje c tsi sP ro P o s e d.The m e th o d s i m P 1 i fi e sth e d e s i gn o fth ev i rt
8、ua lm an u fa c t u r in ge nvi ro nme ntt hr o u gh e 即ortin gs TL(st e re o l i th o g r a p h y)fi l e s fr o ms o l i d mod e l i ng s o ft w are and c o n v e rt in g th e mi n t o OPenG L.Ap a r a 们 a e tric fe at u remode1 ins aPp roac h isad0 Pted toereate w 0 帅 iecesfors i m u l at i ngth e
9、 m at e ri a l re m o v alo f w o r kPi e c e s inth e m a c h i n i ng P r o c e s s.The a t t ri b ut e s c o m b i n e w i tht h e ani m at e m emb e r fu n ctio ns s ki l l fu l l yt oc o m P o s e th e c l as s e s.F i nall 又th e 勿n ami c s i m u l at i o no f th e v l ri u a l N Cm a c h in e
10、t o o li si m P l e m e n te d 妙 m aniP u l atin g th e o bj e c t s o fm anu fa c tu r i n g s y s t e m.C o l 1 i s i o n d e t e ct i o n i s n e c e s s a ryt o v i rtUa 1 N Cl athe Syst e m.A ne ffic i e ntand e x a c t c o l l i s i o n d e t e c t i o n a l g o r i t l1 川i s i mPortant t o i
11、m P r o v er e a l ityand t o e nhanc e lnun e r s i o n o f v i rtua l e nvi r o nme nt.Ado Pt i n gr e a s o n a b l e s P at i a l P arti t i o n i n g s y s t e mand b o u n d i n g v o 1 u m e h i e r a r c hy i s ane ffic i e n t w a y t o s P e e d u P th e c o l l i s 1 ond et e c t i o n P
12、r o c e s s.I n th i s P aper，ano c t r e e a l g o r i th mb as e d o n s P at i a l P axti t i oni n g s y s t e mi s adopt e d andi m P ro v e d.T h e e xPe r i m e nt s i l l u strat e th atth e a l g o ri t 玩 ma c c e l e r a t e s th ev e l o c ityo f c o l I i s i o n d et e ctio n and e n s
13、ur e s th e re al 一me r e qul r e m e n t o fc o l l i s i ond e t e c t i o n i n v i rtuald y n aJ ro i c m a c h i ni nge nvi r o mne nt.The m e c h ani sm and ru l e s o f c h i P g e n e r a t 1 n g，c urli n g and b r e ajdn g，whi c h P ro v i d e w a rr antyo f c h iP m o del i n g i n th e re
14、 al 一 t im e m ac h in i ngs i mul atio n，ar e d i s c u s s e d.AP aram e tri c mod e l i ngmeth o d th atus e s sP atia lsPiral c urv e s t o P re s e nith e c o ni o uro f c hi P s and d i s c r e t i z e 出。卜。也 e。h ip su s i雌 triang l e mes h e s i s P ro P o s e d t o c re at e chi P s.The m e t
15、h o d c ans i mu l at ec h i P g e n er at in g，c 址 l in g and b r e aklngt h r o u ghc o n tr o l l i n g th e d i sPl ayl i sts.F i n al l y，a d e m o s yst em b a s e d onth e al g 丽t h m s i s d e v e l oPe d b yu s in g B orl and C 一 B u i l d e r 6 and OPe n G L.I t h a s b e e n i l l u s tr
16、at e d 勿e x P e ri m e n t re suh t h atthe m etho d s c ani m P rov e th e s e n s e o f re a l i tyandre a l 一 i m e o f 3 Dv i rtua l e nvl r o n r n e ntand s i m u 1 at e d m ach i ni ngP ro c e s s.K e yw o r d s:N Cm ac场 滋 in gs i mul at i on，O O D，c o l l i s i o nd e t e c ti on，O C tre e，3
17、 D a n i mati o n虚拟数控车床系统建模及加工过程仿真的研究第一章绪 论1.1 引言 虚拟现实(virtua1R eal i t y)技术是 使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实，使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。基于虚拟现实技术的 虚拟制造(V i r t u a 1 M a n u f a c t u r i n g，VM)技术是在一个统一模型之下对设计和制造等过程进行集成，它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。当前，虚拟制造技术的研究工作在国内外受到重视，它己
18、 列入美国 敏捷制造使能计划(T Rj 以)的五大重点研究领域之一 1，美国目 前已经形成由政府、产业界和大学组成的多方位、多层次的综合开发力量。虚拟制造是多学科知识形成的一种综合系统技术，它通过集成制造活动在虚拟环境中用建模和仿真手段来代替真实世界的操作和生产活动2。所以，虚拟制造就是真实制造过程在虚拟环境中的映射，这个过程是基于产品的全生命周期，从市场调研、产品的开发、加工制造、装配、测试乃至企业的生产管理与调度进行统一建模，形成一个可运行的虚拟制造环境，以 软件技术为支撑，借助高性能的硬件，在计算机局域/广域网上，生产数字化产品，实现产品设计、性能分析、工艺决策、制造装配和质量检验。它是
19、广义的数字化制造系统，是对实际制造过程的动态模拟。虚拟制造的优点就是在产品实际加工之前对产品的性能、产品的可制造性进行评价，同时对产品的生命全过程进行仿真，以达到产品生产的最优目 标，其目 的是尽量降低产品的成本、缩短产品的制造周期、提高产品的 质量和寿命。计算机仿真是实现虚拟制造的主要手段，同时虚拟制造也是制造仿真技术的进一步发展。虚拟制造的最终实现就是利用不同层次的仿真手段来模拟和优化产品开发和制造过程，以实现最短的产品开发周期、最低的生产成本和硕士学位论文最高的生产效率3。虚拟数控加工作为虚拟制造的单元核心技术，已经受到了国内外学术界与企业界的广泛关注。虚拟加工技术是指数控机床在虚拟环境
20、中的映射，它集制造技术、机床数控理论、计算机辅助设计(C A D)、计算机辅助制造(c AM)、建模和仿真技术于一体。随着虚拟制造技术的深入与相关技术的发展，虚拟数控加工技术己 经从数控代码的仿真和几何层面的仿真转向 材料物理层面的仿真，加工过程的仿真不仅要对数控加工设备的几何运动、刀具与工件的相对运动、毛坯材料的去除和数控代码的驱动进行仿真，还要对数控切削加工过程中的物理因素进行仿真，即切削力、切屑的生成、折断与卷曲、刀具的磨损与变形等因素进行仿真，使仿真过程高度真实地反映生产过程。，.2 选题的背景及意义 数控技术是制造业实现自 动化、柔性化、集成化生产的基础，数控技术的应用是提高制造业的
21、产品质量和劳动生产率必不可少的重要手段，是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要标志。专家们预言:二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。加入世贸组织后，中国正在逐步变成“世界制造中心”。为了增强竞争能力，中国制造业开始广泛使用先进的数控技术。目 前，许多工业发达国家的数控化率已 达到508 既以 上，而我国数控技术和数控机床在企业中的应用却远不及发达国家。随着数控技术在我国的普及和发展，使企业急需一大批数控编程、数控设备操作及其维修人员。然而目 前数控人才奇缺的尴尬现状在全国各地十分普遍，劳动力市场出现数控技术应用型人才的严重短缺，媒体不断呼吁“高薪难聘高素质的数控技工”
22、。数控人才的严重短缺成为全社会普遍关注的热点问 题，这就迫切需要培养大量高素质、能力强的数控技术人才。教育部、劳动与社会保障部等政府部门正在积极采取措施，加强 数控技术应用型人才的 培养闭。因 而数控教学和培训处于十分重要的地位，如何培养既懂一定理论知识又具实际操作技能的高素质应用型数控人才一直以来都是人们普遍关注和重视的问题。为了适应社会的需要，一部分院校开设了数控培训实验和教学虚拟数控车床系统建模及加工过程仿真的研究由于数控机床价格昂贵，购进数控机床对学生进行培训很不经济，另一方面，由于加工工件的复杂性，如何保证数控程序的正确就成为突出的问题。如果程序中存在错误，在加工中就可能发生欠切、过
23、切，刀具和工件、夹具、工作台之间的碰撞和干涉，甚至会造成工件的报废、刀具损坏、机床精度降低等后果，而采用传统的蜡模或木模试切削方法来保证数控代码的正确性又进一步增加了 成本。鉴于此，本文提出了虚拟的数控加工技术的研究，并获得了湖南省自 然科学基金的资助(课题编号:O Z j j y 3 O 45)。虚拟数控加工技术利用计算机技术全景模拟数控机床的基本功能和加工过程。它是真实的加工过程的先导，旨 在避免数控加工过程中 可能出现的干涉、碰撞以 及分析零件的可加工性和工序的合理性。它采用计算机图形技术和可视化技术，将刀具轨迹或加工成型过程形象地在屏幕上表现给操作者，以检查程序的正确性。因此，虚拟数控
24、车床的研究对降低成本、保证质量具有重要的现实意义。1.3 国内外研究现状 近二十多年来，信息技术取得了迅速发展，特别是计算机技术、计算机网络技术、信息处理技术等取得了人们意想不到的进步。80年代初，先进制造技术以信息集成为核心的计算机集成制造系统(C I M s，C o 即u t e rl n t e r g r a t e d晚n u 伪c t u r i n gs y s t e ln)开始得到实施;80 年代末，以过程集成为核心的并行工程(CE，C ocurrentEng i neering)技术进一步提高了 制造水平;进入90年代，先进制造技术进一步向更高水平发展，出 现了 虚拟制造、
25、精益生产、敏捷制造、虚拟企业等新概念。在这些诸多新概念中，“虚拟制造”引起了人们的广泛关注，不仅在科技界，而且在企业界，成为研究的热点之一。原因在于，尽管虚拟制造出现的时间只有十几年，但它对制造业的革命性的影响却很快地显示了出 来幻。典型的 例子有波音7 77，其整机设计、部件测试、整机装配以 及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从过去8 年时间缩短到5 年。又如R e r o ts y s t e mT e ajn利用D e n c hR o b o t i o 5 开发的Q U E S T 及 IGR IP设计与实施一条生产线，在所有设硕士学位论文备订货之前，对生产线的运动
26、学、动力学、加工能力等方面进行了分析与比 较，使生产线的实施周期从传统的24个月缩短到9.5 个月。Chrye l e r 公司 与I BM合作开发的 虚拟制造环境用于其新型车的 研制，在样车生产之前，发现其定位系统的控制及其他许多设计缺陷，缩短了研制周期。1 9 5 9 年 美国 国 家 标 准 局的砚 L(N a v a l E l e c t r o n i c s L a b o r at o r y)发表了“虚拟制造单元”的 技术报告6，提出以 更大的柔 性来完成对生产过程分析、生产计划的安排和生产过程的监控。该报告发展推动了人们对虚拟环境下的制造技术问 题进行了深入的研究。近年来，
27、工业发达国家均着力于虚拟制造的研究与应用。在美国，国家标准技术局正在建立虚拟制造环境(称之为国家先进制造测试床 NationalA d v a n c e d M a n u f a c t u r i n g T e s t b e d，N 胡T)，波音公司与麦道公司联手建立了M D A(M e c h a n i c a 1 D e s i g n A u t o m a t i o n)，在德国，D arm s t a t t 技术大学的F raunh ofer计算机图形研究所，加拿大的W aterl on大学，比利时的虚拟现实协会等均先后成研究机构，开展虚拟制造技术的 研究，。虚拟加工
28、一直是国外C A D/C 胡技术的一个研究热点，近几年来，结合计算机软件、硬件技术、图形学技术、建模技术、仿真技术和虚拟制造技术的发展，人们开展了虚拟数控加工过程建模和仿真的研究。K awa 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图，因为该方法简单，容易实现，所以被早期大多数的CAD/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 三维实体仿真算法方向发展，如And erson 研究了 三维碰撞检验算法，Sun gurtkin 等提出了 特定造型设备上的数控仿真系统，K.K.W a n g
29、研究了基于布尔运算的NC检验系统，J.H.01i yer 提高了直接尺寸检验方 法 等 8。虚拟加工技术同时也引起了国内专家学者和企业界的广泛关注，并取得了的一些研究成果。清华大学国家C I M S 工程技术研究中心，在我国CIMS发展中 起着牵引与导向 作用，完成了多项国 家8 63计划重大攻关项目;华中科技大学成立了国家数控系统工程技术研究中心虚拟数控车床系统建模及加工过程仿真的研究和国家以D 支撑软件工程技术研究中心，致力于研究突破解决数控系统规模化生 产所需的 共性技术与关键技术;北航与一汽用O P T R 工 5 开发的板料成型软件已经基本能够模拟类似车门的中等复杂程度的汽车覆盖件和
30、其他冲压件的冲压成型过程;北京机械科学研究院采用C语言和O p enGL 进行编程初步实现了立体停车库的虚拟现实下的参数化设计;合肥工业大学研制的双刀架数控车床加工过程模拟软件己 经在马鞍山 钢铁股份有限公司车轮轮箍厂应用，使数控编程现场调试时间由 几个班缩短到几个小时，并保证一次试切削成功。目 前的大部分虚拟加工图形仿真还是利用二维的刀具轨迹和边界表示法来显示加工过程中工件材料的去除和工件尺寸的变化，不够直观，且要求用户有一定的专业知识。而有的采用的三维图形来显示加工过程的软件，虽然动态地显示了加工过程中工件材料的去除和工件尺寸的变化，但没有体现加工过程中切屑的产生、卷曲、折断，且不能进行全
31、景仿真，淡化了加工过程，对切屑的动态生成和加工过程中可能产生的干涉与碰撞情况没有形象地展示，仿而不真。鉴于此，如何展现直观、逼真、动态的三维加工过程仿真，成为了本文研究的重点。1.4 本文的主要内容、研究目 标 本文研究了 虚拟数控机床的一般结构体系，引入了 面向 对象的思想来构建虚拟加工环境，给出了 基于面向对象的虚拟数控机床的设计思想。将虚拟数控机床的各零部件分为静态类和动态类，通过三维C AD软件对数控机床的各零部件进行实体设计，并导出S TL文件，使得虚拟机床的设计简化。通过对数控加工程序的译码，从加工程序中提取参数和刀具轨迹，为加工过程仿真提供控制依据。并对切削过程中切屑生成、卷曲、
32、折断和碰撞干涉检测进行了 研究，提高仿真的真实感和沉浸感。同时引入图形句柄的概念，方便地实现了图形的操作，最终设计了一台可交互操作的虚拟数控机床。虚拟数控加工系统的基本结构如图(1 一 1)表示:硕士学位论文操作设各显示设备控 制 面 板一座奥困 曹一土 一】里尸 创 适型工具 1 1 维一 一 丁-曰 蔷N C源文件编辑 今 编 译目标程序B o ri a n d C+B u il d e r 6及 O pen G L开发1具 图1 一 1 虚拟数控机床基本结构 虚拟数控机床的总体架构可由虚拟加工环境和虚拟加工过程两部分组成:(1)虚拟加工环境:虚拟加工环境由机床、工件、刀具和夹具构成，采用
33、P r。/E和o p e nGL 对机床、夹具、刀具和工件进行特征造型。提出了对象化设计思想，把加工环境中的相关零部件看作是一个个对象。通过引入P ro/E建立的实体模型库的相应S TL文件作为对象的 形体属性，根据物体的特性不同对物体进行分类，构造类的形体属性、材质、类型、运动属性及实现运动的方法，最终实现虚拟加工环境。虚拟加工环境中还包括人机交互界面即控制面板，控制面板提供了用户Nc 文件编辑器、加工参数的设置和其它控制的模拟，系统正是通过控制面板实现不同的底层功能调用。(2)虚拟加工过程:此模块包括数控程序译码、三维动画仿真、碰撞干涉检查三个模块。数控程序译码是用来识别用户编写的Nc 文
34、件，提取加工参数，把它转化成系统可识别的格式，并初步检测编程中的错误。数控加工过程仿真对数控程序进行翻译，考虑切削参数、刀具几何形状等因素对切削加工的影响，产生刀具位置数据，并以此数据驱动机床运动部件和刀架运动，刀具对工件进行虚拟切削，同时检查是否有碰撞、干涉。三维动画模拟数控加工过程是本系统的 研究的重点问 题，通过即enGL 创建虚拟环境、重构实体文件和可视化加虚拟数控车床系统建模及加工过程仿真的研究工过程，用户可以在虚拟环境中检验NC 程序的正确性和执行加工的可行性。加工过程中刀具可能会出现由于加工路径设置不当引起的与机床相碰情况，也可能出现由于刀具与工件的位置干涉情况，因此须对这些情况
35、进行检测。碰撞检测问题是虚拟数控车削系统的不可或缺的部分，有效、精确的碰撞检测对提高数控环境的真实性、增强虚拟环境的沉浸感有非常重要的意义。本课题以广泛使用的数控车削过程为例，构建虚拟的数控车削加工系统:1、应用三维C A D 软 件(P r。/E n g ln e e r)进行数控机床的各个零 部件进行三维实体造型。2、根据生产任务，编制数控加工程序(NC)，对NC代码进行翻 译，从NC 代码中提取切削参数、加工类别、刀具参数等，为后继加工过程仿真做准备。3、根据面向对象的思想，将数控加工过程所涉及的零部件进行 分类，并抽取它们的静态属性或动态属性，由此构造出虚拟 加工环境。4、采用计算机图
36、形学和可视化技术，对加工成型过程进行实时 仿真。本课题拟达到的目 标是:1、采用合理的模型对虚拟加工环境进行正确建模。2、研究切屑的生成机理和切屑的动态生成过程的可视化问题，能够针对不同的材质及切削用量生成相应形状的切屑。3、对碰撞和干涉的检测算法进行研究，对动态加工过程可能产 生的碰撞和干涉情况进行有效的实时检测，从而确保 N C代 码的正确性。4、为了 增强虚拟加工的真实感和沉浸感，一方面应保证虚拟加 工过程动画仿真的实时性，另一方面应能够对车削过程进行 全景仿真。1.5本课题拟解决的关键问 题、研究方案 为了构建一个具有真实感和沉浸感的虚拟加工系统，首先应构硕士学位论文建一个全景的虚拟加
37、工环境，并能提供对各个部件的方便操作界面。因此拟对虚拟车床的各个部件进行分类，将面向对象的思想引入进行，将各个部件的属性特征抽取出来，正确地构建工件类、运动类和静态类，拟采用了O PenGL 中预编译的显示列表来加快三维动画的显示 速度和实现对各个部件的图形操作。另外，应对不同材料的粗糙度与材质进行研究，以 确定正确的光照和纹理。动态生成切屑能够给使用者以 真实感。不同的 材质、不同的加工类型、不同切削用量的产生的切屑也不同，因此需对影响切屑形状和折断的各个因素进行综合分析研究。本课题拟对不同材料的物理特性和切削用量对切屑的影响进行研究，对虚拟加工过程中产生的切屑进行分类，在归纳分类的基础上建
38、立一个数据库，用来存放材料的各个特性，选取变形的空间螺旋线来实现切屑动态生成仿真。碰撞检测问 题是虚拟数控车削系统的不可或缺的部分，有效、精确的碰撞检测有利于提高数控环境的真实性、增强虚拟环境的沉浸感。由于对虚拟车床的各个部件的建模是采用了以三角形面片为体表特征的S TL模型，如果采用逐个三角形之间检测相交的方法来检测碰撞，由于我们的目 标是进行全景加工，所涉及的部件很多，因此很难达到实时性检测的要求。因此，我们拟采用基于可能集的方法，确定加工过程中哪些部件可能会产生碰撞，减少需检测的对象，另一方面，基于空间分割系统和层次包围盒的检测方法是一种行之有效的加速检测方法，我们拟采用八叉树实体模型检
39、测碰撞与干涉，减少需检测物体间需进一步检测的空间 来提高检测速度，以 满足三维仿真的实时性要求。硕士学位论文总结与展望 本文在研究国内外相关课题科研成果的基础上，结合实践，以2 15系列华兴数控车床为模拟对象，确定了 虚拟数控车床仿真系统的总体框架和实现目 标。本文从几何仿真的角度来研究数控车床的 NC编程、操作、及加工情况，主要采用计算机图 形学和可视化技术，将加工成型过程形象地在屏幕上表现给操作者，以检查程序的正确性。主要研究了以下几个方面的内 容:1.利用三维实体造型软件 P ro/E 进行虚拟数控机床加工过程中 静态类与运动类物体的外形设计并转换成 S TL 文件，在 如enGL环境对
40、这些数据进行重构，从而获得静态类与运动类 物体的外观几何形状，使虚拟数控加工环境的设计易于实现。2.正确地从N C 文件中提取刀具轨迹信息和其它控制信息，采用 插补算法将刀具轨迹转化为一系列的刀具控制点，从而为工 件离散化和加工过程控制提供了 依据。3.而对于工件物体采用特征造型方法，根据刀具控制点将工件 离散为一系列圆台，利用G LU 函数库中的相应函数绘制出圆 台或圆柱，近似地表示各种复杂的不同形状的工件。同时，利用这种参数化的构造方法可方便地控制模拟加工过程中工 件几何尺寸的变化。4.研究了实时动画的实现机制，采用计时器来产生消息，在消 息处理函数中进行图形操作，利用程序空闲来重新绘制场
41、景，产生了很好的动态视觉效果。5.分析了目 前常用的碰撞检测算法，着重研究了 适于本系统的 八叉树算法，讨论了三角形网格模型与八叉树模型的转换，并根据应用环境特点对八叉树算法进行了改进。6.研究了 切屑的生成、卷曲、折断机理，将螺旋形切屑作为基 本屑型，将其它形状的切屑看成是螺旋切屑的演变和组合。并给出了用螺旋线来表示其轮廓，以螺旋线等距离点将切屑 表面离散为三角形网格后以显示列表的方式绘制切屑的方虚拟数控车床系统建模及加工过程仿真的研究 法。最后，本文采用C+B u i l d er 6.0 和即enGL 图形库实现了本文的算法，基本上实现了 虚拟加工环境和虚拟加工过程。总的说来，本文就虚拟
42、数控车床的建模和加工过程仿真进行了 较全面的 研究。但本文的 工作是阶段性的，在许多方面还存在不足，有待进一步完善和深入，例如:1.本文主要是从几何形态和加工控制的角度对虚拟数控车床进 行研究，在工件的材料、刀具的磨损以及震动等原因对加工 的影响及修正没有进行深入的研究。2.本文给出了特征造型方法对工件进行造型，但对于螺纹工件 加工仿真还没有深入的研究。拟用空间螺旋线离散化的形式 构建螺纹工件，这一构想还有待进一步研究。3.对不同的材质、不同的加工类型、不同切削用量等对切屑形 状和折断的各个影响因素的研究还不够透彻，还需要进一步 的研究。附录A 实体S TL文件的二进制格式实体S T L 文件
43、的二进制格式:字节数数据类型描述A S C l lu n s i g n e dl o n gi n t e g e r文件头，没有实际意义文件中切片的个数f l o a tf l o s tf l O 8 t法向量的X 轴坐标法向量的Y 轴坐标法向 量的2 轴坐标一个三角形的数据表示顶点1 的X 轴坐标顶点1 的Y 轴坐标顶点 1 的2 轴坐标f 1 0 a tf l o a tf l o a t顶点2 的X 轴坐标顶点2 的丫 轴坐标顶点2的2 轴坐标顶点3 的X 轴坐标顶点3 的Y 轴坐标顶点3 的2 轴坐标u n s l g n e di n t e g e r字节计数属性符号.二 十
44、 表 示 花 括 号内 可 循 环一 次 或多 次，即 表 示s TL文 件中 有 多 个 花 括号内定义的一组数据组成。附 录 B 2 1s华兴数控车床指令功能集G 功能集如下:G 0 0(快 速定 位)G 0 1(直线插补)G 0 2(顺时 针圆 弧插补)G 0 3(逆 时针圆 弧 插补)，G 04(暂 停定时)G Z O(独 立子 程 序 调用)G 22(独立子程序定义)G 2 4(独立子程序定 义结束，返回调用程序)G 2 5(跳转 加1)G 2 6 限序块 调用加 工)G 2 7(无限 循环)G 3 0(倍率 取消)G 31(倍率定义)G 3 3(单刀螺纹加工)G 5 3(撤消零点偏
45、置)G 54(绝对值零点偏置)G 5 5(相对值零点偏置)G 5 6(当前点零点偏置)G 74(返回机床参考点)G 7 5(返回对刀点)G 7 6(返回加工开始点)G 81(外圆加工循环)G 8 2(端面加工循环)G 86(公制螺纹加工循环)G 87(英 制螺纹 加工 循环)G 90(绝 对值方式 编 程)G 91(相 对值方 式编程)G 9 2(设置程序零点)G 9 6(恒线速切削有效)G 9 7(取 消恒线速切削)辅助功能集有:M O O(程序暂 停)M O I(条 件 停)M 0 2(程 序结束并 停 机)M O 3(主轴正 转)M 04(主轴反转)M 0 5(主轴停)M 0 8(冷却开)M 0 9(冷却关)M 1 0(1件 夹紧)M l l(1 件松开)M 2 0(开 继电 器)M 2 1(关继电 器)M 2 4(设定刀具补偿号)M 7 1 M 8 5(继电 器脉冲输出)F、5、T功能F功能为进给功能，用以 直接规定各轴G 01、G O Z、G O 3的进给速度。F功能用字母F 及F 后数字表示。其切削速度为毫湘分。5确定主轴控制的模拟量输出，215可控制高低速的输出电 压值，高低档的速度上限分别由p参数中的3#、4#决定。